главная > справочник > химическая энциклопедия:

ПЛАЗМА

Notice: Undefined variable: iko in /var/www/chemport.ru/data/www/chemport.ru/chemical_encyclopedia.php on line 95

Notice: Undefined variable: goo in /var/www/chemport.ru/data/www/chemport.ru/chemical_encyclopedia.php on line 109

Notice: Undefined variable: mn in /var/www/chemport.ru/data/www/chemport.ru/chemical_encyclopedia.php on line 109

ПЛАЗМА (от греч. plasma, букв.-вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ. образуемый в результате термич. ионизации атомов и молекул при высоких температурах, под действием электромагн. полей большой напряженности, при облучении газ. потоками заряженных частиц высокой энергии. Характерная особенность плазма, отличающая ее от обычного ионизованного газ., состоит в том, что линейные размеры объема, занимаемого плазма, много больше т. наз. дебаевского радиуса экранирования D (см. Дебая-Хюккеля теория). Значение D для i-го иона с концентрацией H_i и температурой T_i определяется выражением:

где n_е и Т_е - концентрация и температура электронов соотв., е_i-заряд иона, е-элементарный электрич. заряд (заряд электрона), k- постоянная Больцмана. Из этого выражения следует, что в плазма, как правило, температуры электронов и ионов различаются.

В низкотемпературной плазма средняя энергия электронов или ионов значительно меньше эффективной энергии ионизации частиц газ.; высокотемпературной считается плазма, характеризуемая обратным соотношением указанных энергий (учитывается вклад в ионизацию разл. частиц). Обычно низкотемпературная плазма имеет температуру частиц меньше 10⁵ К, высокотемпературная-порядка 10 -10⁸ К. Отношение концентрации заряженных частиц к суммарной концентрации всех частиц наз. степенью ионизации плазма

плазма, получаемая в лаб. условиях, является в термодинамич. смысле открытой системой и всегда термодинамически неравновесна. Процессы переноса энергии и массы приводят к нарушению локального термодинамич. равновесия и стационарности (см. Химическая термодинамика), закон Планка для поля излучения, как правило, не выполняется. плазма наз. термической, если ее состояние описывается в рамках модели локального термич. равновесия, а именно: все частицы распределены по скоростям в соответствии с законом Максвелла; температуры всех компонент одинаковы; состав плазма определяется законом действующих масс. в частности ионный состав обусловлен равновесием между ионизацией и рекомбинацией (ф-ла Эггерта-Саха по сути является выражением для константы равновесия этих процессов); заселенности энергетич. уровней всех частиц подчиняются распределению Больцмана. Термическая плазма характеризуется обычно высокой степенью ионизации и м. б. реализована в газ.х с относительно малой эффективной энергией ионизации при достаточно высокой оптич. плотности (т.е. излучение плазма почти целиком поглощается ее собств. частицами). Обычно плазма описывается моделью частичного локального термич. равновесия, которая включает все вышеперечисл. положения, но требует подчинения закону Больцмана заселенностей лишь возбужденных уровней частиц плазма, исключая их основные состояния. Такую плазма наз. квазиравновесной; пример квазиравновесной плазма-столб электрич. дуги при атм. давлении.

Несоблюдение хотя бы одного из условий локального термич. равновесия приводит к возникновению не равновесно и плазма Очевидно, существует бесконечное множество неравновесных состояний плазма Примером сильно неравновесной плазма является плазма тлеющего разряда в газ.х при давлениях 10¹-10³ Па, в которой средняя энергия электронов составляет 3-6 эВ, а температура тяжелых частиц не превышает обычно 1000 К. Существование и стационарность такого неравновесного состояния плазма обусловлены затрудненностью обмена энергией между электронами и тяжелыми частицами. В плазма мол. газ.в, помимо этого, может иметь место неэффективный обмен энергией между разл. внутр. степенями свободы: электронной, колебательной, вращательной. В пределах каждой из степеней свободы обмен энергией происходит относительно легко, что приводит к установлению квазиравновесных распределений частиц по соответствующим энергетич. состояниям. В этом случае говорят об электронной, колебат., вращат. температурах частиц плазма

Осн. особенности плазма, отличающие ее от нейтрального газ. и позволяющие рассматривать плазма как особое, четвертое состояние материи (четвертое агрегатное состояние вещества), состоят в следующем.

1) Коллективное взаимод., т.е. одновременное взаимод. друг с другом большого числа частиц (в обычных газ.х при нормальных условиях взаимод. между частицами, как правило, парное), обусловлено тем, что кулоновские силы притяжения и отталкивания убывают с расстоянием гораздо медленнее, чем силы взаимод. нейтральных частиц, т.е. взаимод. в плазма являются "дальнодействующими".

2) Сильное влияние электрич. и магн. полей на свойства плазма, которое приводит к появлению в плазма пространств. зарядов и токов и обусловливает целый ряд специфич. свойств плазма

Одно из важнейших свойств плазма-ее квазинейтральность, т.е. почти полная взаимная компенсация зарядов на расстояниях, значительно больших дебаевского радиуса экранирования. Электрич. поле отдельной заряженной частицы в плазма экранируется полями частиц с зарядом противоположного знака, т.е. практически снижается до нуля на расстояниях порядка дебаевского радиуса от частицы. Любое нарушение квазинейтральности в объеме, занимаемом плазма, приводит к появлению сильных электрич. полей пространств. зарядов, восстанавливающих квазинейтральность плазма

В состоянии плазма находится подавляющая часть вещества Вселенной - звезды, звездные атмосферы, галактич. туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде "солнечного ветра", заполняет магнитосферу Земли (образуя радиац. пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной плазма обусловлены магн. бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазма обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.

В лаб. условиях и при пром. применениях плазма получают посредством электрич. разряда в газ.х, в процессах горения и взрыва. плазма используют в плазменных ускорителях, магнитогидродинамич. генераторах, в лаб. установках для изучения проблем управляемого термоядерного синтеза.

Для проведения хим. процессов используют низкотемпературную плазма с температурой тяжелых частиц от -195 ⁰C до неск. десятков тысяч градусов при давлениях 10^-5-10⁵ МПа и средней энергии электронов до 5-7 эВ (см. Плазмохимия, Плазмохимическая технология). Такая плазма является источником заряженных частиц с концентрацией от 10¹⁰ до 10¹⁷ см ^-3, тяжелых частиц, возбужденных по внутр. степеням свободы (содержание в плазма от долей до десятков процентов), высокоэнтальпийного (до 10³ кДж/моль) газ.вого потока (скорости плазменных струй достигают неск. км/с), мощного светового излучения с регулируемыми спектральными характеристиками.

Mн. характерными для плазма свойствами обладают совокупности электронов и дырок в полупроводниках и электронов проводимости в металлах, которые поэтому называют плазма твердых тел.

Термин "плазма" введен в 1923 И. Ленгмюром и Л. Тонксом.

Лит. см. при статьях Плазмохимия, Плазмохимическая технология.

А. А. Овсянников.