Что же такое плазма?

Плазма

Если за две тысячи лет до середины XIX столетия человечество использовало всего лишь около девяти условных единиц энергии (каждая из них соответствует энергии, заключающейся в 33 млрд., тонн каменного угля), то за прошлое XX столетие использовано пять таких единиц, и темп потребления энергии стремительно возрастает.

Вот почему разведанных запасов эффективного химического топлива (они оцениваются примерно в 100 условных единиц) хватит ненадолго. Разведанных запасов ядерного горючего хватит всего на несколько сот лет. И только овладение реакцией термоядерного синтеза навсегда избавит человечество от опасности энергетического голода. Ведь «океаны энергии» заключены в обыкновенной воде мирового океана. Если, например, выделить весь дейтерий из мирового океана и «сжечь» в термоядерной установке, это даст около 30 миллиардов условных единиц энергии. (Каменный уголь, содержащий столько энергии, покрыл бы земную сушу слоем толщиной в полтора километра. Из такого количества угля можно сложить искусственное космическое тело, диаметр которого был бы лишь в 4 раза меньше диаметра Луны!)

Поскольку килограмм термоядерного горючего энергетически эквивалентен восьми железнодорожным составам нефти, запасы «горючего», необходимые для транспортных средств, станут очень небольшими. Отпадет надобность в перевозке больших количеств топлива в районы, бедные природными источниками энергии. Наконец, навсегда исчезнет необходимость непроизводительного сжигания нефти и газа в бесчисленных топках — эти вещества пойдут на переработку в химическую промышленность.

Реакция термоядерного синтеза — соединения легких ядер в более тяжелые с выделением огромного количества энергии — может быть осуществлена в высокотемпературной плазме. Отсюда понятен интерес, который проявляют ученые к этому четвертому состоянию вещества.

Что же такое плазма? Под воздействием потока ультрафиолетовых лучей, протонов, нейтронов и других частиц, высокотемпературного нагрева, электрического разряда атомы могут лишиться одного или нескольких электронов. Смесь атомных ядер, ионов и электронов, в объеме которой положительные и отрицательные заряды компенсируют, «уравновешивают» друг друга, и называется плазмой,

Начиная с высоты 80 километров, над Землей простирается ионизированный газ — плазма. Она возникает там под влиянием солнечной радиации. (Максимум ионизации приходится на высоты порядка 300—350 км.) Плазма светится в следах за мчащимися метеоритами, молнии образуют в атмосфере каналы плазмы.

Но плазма встречается не только в природе. Она сияет в газонаполненных трубках «дневного света», плазменные горелки используются при сварочных работах. Наконец, в термоядерных установках на сотые и тысячные доли секунды рождаются высокотемпературные плазменные «шнуры», которые, в конечном счете, если удастся удержать их «магнитными руками» хотя бы на секунды, позволят осуществить управляемую термоядерную реакцию. Но высокотемпературная плазма неустойчива. Она выскальзывает из «объятий» магнитных силовых линий, дотрагивается до стенок установки, охлаждается и погибает.

Но тем не менее, плазма постепенно начинает подчиняться ученым. Американский физик Н. Кристофилос выдвинул идею установки «Астрон», предназначенной для создания релятивистской плазмы. Он предложил «впрыснуть» из ускорителя достаточно плотную струю (пучок) релятивистских электронов в замкнутый объем, наполненный тяжелым водородом — дейтерием, который должен находиться в магнитном поле. Стремительные электроны ионизуют дейтерий, и тем самым будет создана плазма, содержащая релятивистские электроны.

Такая плазма должна быть много устойчивее обычной. Приведем лишь некоторые соображения, подтверждающие этот вывод. Релятивистские электроны порождают поля, которые в сумме с внешним магнитным полем образуют конфигурацию силовых линий, препятствующую выходу из объема заряженных частиц, то есть релятивистская плазма как бы сама для себя создает западню, «ловушку».

В развитии ряда неустойчивостей плазмы «виноваты» электроны. Отклоняясь от устойчивого состояния, они при своем движении образуют токи, которые ведут к возникновению электромагнитных полей, усиливающих это отклонение, — начальная неустойчивость бурно развивается. Если же электроны разогнаны до околосветовых скоростей, их масса возрастает, электроны становятся «грузными» и «раскачать» их труднее.

Одновременно с описанными событиями в «жизни» плазмы произойдет и другое: возрастет радиус вращения быстрых электронов. Это случится потому, что при очень больших скоростях полю труднее «завернуть» электроны. В релятивистской плазме радиус вращения электронов, который в обычной плазме много меньше радиуса вращения ионов, может стать даже большим, чем радиус вращения обычных ионов. В результате токи, вызываемые движением электронов, становятся соизмеримыми с токами, обусловленными движением ионов. Поскольку ионы и электроны несут заряды противоположных знаков, токи, вызываемые вращением частиц, направлены в разные стороны, и суммарный ток может стать весьма малым, что увеличит устойчивость релятивистской плазмы.

Излучение электронов в магнитном поле также в некоторых случаях может увеличить устойчивость плазмы. Так как электромагнитное излучении быстро возрастает с увеличением скорости электронов, очевидно, именно в случае релятивистских электронов должна повышаться устойчивость плазмы.

Сказанное, конечно, не означает, что, создав релятивистскую плазму, мы получим устойчивую систему, способную жить достаточное время, необходимое для протекания термоядерной реакции. Однако это позволяет надеяться, что, быть может, трудности, связанные с получением устойчивой релятивистской плазмы, окажутся меньшими, чем те, которые возникли сейчас при попытках сделать устойчивой и «оседлать» обычную плазму. Может быть, именно в своей релятивистской разновидности четвертое состояние вещества окажется менее упрямым.

Автор: Р. Перельман.

Плазма

В первых трех состояниях — твердом, жидком и газообразном — электрические и магнитные силы глубоко запрятаны в недрах вещества. Они целиком уходят на то, чтобы связывать ядра и электроны в атомы, атомы в молекулы и в кристаллы. Вещество в этих состояниях оказывается в целом электрически нейтральным. Другое дело — плазма. Электрические и магнитные силы здесь выступают на первый план и определяют все ее основные свойства. Плазма соединяет в себе свойства трех состояний: твердого (металл), жидкого (электролит) и газообразного. От металла она берет высокую электропроводность, от электролита — ионную проводимость, от газа — большую подвижность частиц. И все эти свойства переплетаются так сложно, что плазма оказывается очень трудной для изучения.

И все-таки ученым удается с помощью тонких физических приборов заглянуть в ослепительно светящееся газовое облако. Их интересует количественный и качественный состав плазмы, взаимодействие ее частей друг с другом.

До раскаленной плазмы руками не дотронешься. Ее ощупывают с помощью очень чувствительных «пальцев» — электродов, вводимых в плазму. Эти электроды называются зондами. Измеряя силу тока, идущего на зонд, при разных напряжениях, можно узнать степень концентрации электронов и ионов, их температуру и ряд других характеристик плазмы.(К слову интересно, что даже бумага А4 при определенных с ней манипуляций также может перейти в плазму)

Состав плазмы узнают, беря пробы плазменного вещества. Специальными электродами вытягивают небольшие порции ионов, которые затем сортируют по массам с помощью остроумного физического прибора — масс-спектрометра. Этот анализ дает возможность узнать также знак и степень ионизации, то есть отрицательно или положительно, однократно или многократно ионизированы атомы.

Плазму ощупывают также радиоволнами. В отличие от обычного газа плазма их сильно отражает, подчас сильнее, чем металлы. Это связано с наличием в плазме свободных электрических зарядов. До недавнего времени такое радиоощупывание было единственным источником сведений об ионосфере — замечательном плазменном «зеркале», которое природа поместила высоко над Землей. Сегодня ионосфера исследуется также с помощью искусственных спутников и высотных ракет, которые берут пробы ионосферного вещества и «на месте» производят его анализ.

Плазма — очень неустойчивое состояние вещества. Обеспечить согласованное движение всех ее составных частей — весьма нелегкое дело. Часто кажется, что это достигнуто, плазма усмирена, но внезапно по каким-то не всегда известным причинам в ней образуются сгущения и разрежения, возникают сильные колебания, и ее спокойное поведение резко нарушается.

Иногда же «игра» электрических и магнитных сил в плазме сама приходит на помощь ученым. Эти силы могут образовывать из плазмы тела компактной и правильной формы, названные плазмоидами. Форма плазмоидов может быть очень разнообразной. Здесь и кольца, и трубки, и сдвоенные кольца, и перекрученные шнуры. Плазмоиды довольно устойчивы. Например, если «выстрелить» навстречу друг другу двумя плазмоидами, то они при столкновении отлетят друг от друга, как бильярдные шары.

Изучение плазмоидов позволяет лучше понять процессы, происходящие с плазмой в гигантских масштабах вселенной. Один из видов плазмоидов — шнур — играет очень важную роль в попытках ученых создать управляемую термоядерную реакцию. Плазмояды, видимо, будут использованы также в плазменной химии и металлургии.

НА ЗЕМЛЕ И В КОСМОСЕ

На Земле плазма — довольно редкое состояние вещества. Но уже на небольших высотах плазменное состояние начинает преобладать. Мощное ультрафиолетовое, корпускулярное и рентгеновское излучение Солнца ионизирует воздух в верхних слоях атмосферы и вызывает образование плазменных «облаков» в ионосфере. Верхние слои атмосферы — это защитная броня Земли, предохраняющая все живое от губительного действия солнечных излучений. Ионосфера — отличное зеркало для радиоволн (за исключением ультракоротких), позволяющее осуществлять земную радиосвязь на далекие расстояния.

Верхние слои ионосферы не исчезают и ночью: слишком разрежена в них плазма, чтобы возникшие днем ионы и электроны успели воссоединиться. Чем дальше от Земли, тем меньше в атмосфере нейтральных атомов, а на расстоянии в полтораста миллионов километров находится ближайший к нам колоссальный сгусток плазмы — Солнце.

Из него постоянно вылетают фонтаны плазмы — подчас на высоту в миллионы километров, — так называемые протуберанцы. По поверхности перемещаются вихри несколько менее горячей плазмы — солнечные пятна. Температура на поверхности Солнца около 5 500°, пятен — на 1 000° ниже. На глубине 70 тысяч километров — уже 400 000°, а еще дальше температура плазмы достигает более 10 миллионов градусов.

Солнце

В этих условиях ядра атомов солнечного вещества совершенно оголены. Здесь при гигантских давлениях все время идут термоядерные реакции слияния ядер водорода и превращения их в ядра гелия. Выделяющаяся при этом энергия восполняет ту, что Солнце так щедро излучает в мировое пространство, «отапливая» и освещая всю свою систему планет.

Звезды во вселенной находятся на разных стадиях развития. Одни умирают, медленно превращаясь в холодный несветящийся газ, другие взрываются, выбрасывая в пространство огромные облака плазмы, которые спустя миллионы и миллиарды лет достигают в виде космических лучей других звездных миров. Есть области, где силы притяжения сгущают газовые облака, в них растут давление и температура, пока не создаются благоприятные условия для появления плазмы и возбуждения термоядерных реакций, — и тогда вспыхивают новые звезды. Плазма в природе находится в непрерывном круговороте.

НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ ПЛАЗМЫ

Ученые стоят на пороге овладения плазмой. На заре человечества величайшим достижением было умение получать и поддерживать огонь. А сегодня понадобилось создать и сохранить на длительное время другую, гораздо более «высокоорганизованную» плазму.

Мы уже говорили о применении плазмы в хозяйстве: вольтова дуга, лампы дневного света, газотроны и тиратроны. Но здесь «работает» сравнительно негорячая плазма. В вольтовой дуге, например, ионная температура составляет около четырех тысяч градусов. Однако сейчас появляются сверхжаропрочные сплавы, которые выдерживают температуру до 10—15 тысяч градусов. Чтобы обрабатывать их, нужна плазма с более высокой ионной температурой. Применение ее сулит немалые перспективы и для химической промышленности, так как многие реакции протекают тем быстрее, чем выше температура.

До какой же температуры пока удалось разогреть плазму? До десятков миллионов градусов. И это не предел. Исследователи уже находятся на подступах к управляемой термоядерной реакции синтеза, в ходе которой выделяются огромные количества энергии. Представьте себе искусственное солнце. И не одно, а несколько. Ведь они изменят климат нашей планеты, навсегда снимут с человечества заботу о топливе.

Вот какие применения ожидают плазму. А пока ведутся исследования. Большие коллективы ученых напряженно работают, приближая тот день, когда четвертое состояние вещества станет для нас таким же обычным, как и три остальных.

Автор: В. Рыдник.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *