Плазма. Свойства и производство. Применение и различие. Характеристики

Оглавление

• Материя внутри компактной материи ) и [3]
• Плазменные ракетные двигатели
• Сплавление контролируется коронным разрядом
• лазерным излучением
• Светящаяся сфера Огонь святого Эльма
• пламя[источник не указан 3132 дня] (низкотемпературная плазма)

и другие звезды (те, которые существуют за счет термоядерных реакций) (пространство между планетами, звездами и галактиками)
• Межзвездные туманности

Распространение периодических колебаний в среде характеризуется длиной волны l , которая связана с периодом колебаний T по соотношению

Плазма в космосе.

В земных условиях, из-за относительно низкой температуры и высокой плотности земной материи, природные плазмы встречаются редко. В нижних слоях атмосферы Земли единственным исключением являются разряды молний. В верхних слоях атмосферы, на высотах порядка сотен километров, находится большой слой частично ионизированной плазмы, называемый ионосферой., который образуется под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. Ионосфера сделала возможной радиосвязь на короткие расстояния, поскольку электромагнитные волны отражались на определенной высоте от слоев ионосферной плазмы. Таким образом, радиосигналы способны огибать выпуклую поверхность нашей планеты из-за многочисленных отражений от ионосферы и поверхности Земли.

Во Вселенной большая часть материи (около 99,9%) находится в плазме. Солнце и звезды формируются из плазмы, которая ионизируется при высоких температурах. Например, во внутренней области Солнца, где происходят термоядерные реакции, температура составляет около 16 миллионов градусов Цельсия. Тонкая область поверхности Солнца толщиной около 1000 км, называемая фотосферой, из которой излучается большая часть энергии Солнца, образует плазму с температурой около 6000 К. В разреженных туманностях и межзвездном газе ионизация происходит под воздействием ультрафиолетового излучения звезд.

Над поверхностью Солнца находится разбавленная, сильно нагретая область (с температурой около миллиона градусов Цельсия), называемая солнечной короной. Постоянный поток атомных ядер водорода (протонов), испускаемый солнечной короной, называется солнечным ветром.. Потоки плазмы с поверхности Солнца образуют межпланетную плазму. Электроны из этой плазмы захватываются магнитным полем Земли и образуют радиационные пояса вокруг Земли (на расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности). Потоки плазмы от мощных солнечных вспышек изменяют состояние ионосферы. Быстрые электроны и протоны, входящие в атмосферу Земли, вызывают авроры в северных широтах.

Следует признать, что Крукс не был оригинален в этом объяснении природы катодных лучей. Уже в 1871 году подобную гипотезу высказал Кромвель Флитвуд Варли, важный британский инженер-электрик, один из создателей первого трансатлантического телеграфного кабеля. Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, уже не газ, а нечто совершенно иное. 22 августа 1879 года на заседании Британского общества содействия развитию науки Крукс заявил, что разряды в разбавленных газах “настолько не похожи на то, что происходит в воздухе или любом газе под обычным давлением, что в данном случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое отличается по свойствам от обычного газа настолько же, насколько газ отличается от жидкости”.

Вездесущая плазма

Сто пятьдесят лет назад почти все химики и многие физики считали, что материя состоит только из атомов и молекул, которые собираются вместе в более или менее упорядоченные или полностью неупорядоченные комбинации. Мало кто сомневается, что все или почти все вещества способны существовать в трех различных фазах – твердой, жидкой и газовой, которые они принимают в зависимости от внешних условий. Но гипотезы о возможности существования других состояний материи уже высказывались.

И научные наблюдения, и тысячелетний опыт повседневной жизни подтверждают эту универсальную модель. Ведь всем известно, что при охлаждении вода превращается в лед, а при нагревании кипит и испаряется. Свинец и железо также могут быть превращены как в жидкость, так и в газ, их просто нужно сильнее нагреть. С конца XVIII века исследователи замораживали газы в жидком состоянии, и казалось вполне вероятным, что любой сжиженный газ в принципе можно заставить застыть. В целом, простая и ясная картина трех состояний материи, похоже, не нуждалась в каких-либо исправлениях или дополнениях.

Ученые того времени были бы очень удивлены, узнав, что твердое, жидкое и газообразное состояния атомной и молекулярной материи сохраняются только при относительно низких температурах, не превышающих 10000° С, и в этой зоне не исчерпываются все возможные структуры (пример – жидкие кристаллы). Нелегко поверить и в то, что они составляют не более 0,01% от общей массы нынешней Вселенной. Мы уже знаем, что материя реализует себя во многих экзотических формах. Некоторые из них (например, вырожденный электронный газ и нейтронная материя) существуют только внутри сверхплотных космических тел (белых карликов и нейтронных звезд), а некоторые (например, кварк-глюонная жидкость) родились и исчезли за короткое мгновение вскоре после Большого взрыва. Однако интересно отметить, что предположение о существовании первого из государств, вне классической триады, было сделано в том же 19 веке, причем в начале века. Предметом научных исследований она стала гораздо позже, в 1920-х гг. Тогда же она получила свое название – плазма.

Во второй половине 1870-х годов член Лондонского королевского общества Уильям Крукс, весьма успешный метеоролог и химик (он открыл таллий и очень точно определил его атомную массу), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках. В то время уже было известно, что отрицательный электрод испускает излучение неизвестной природы, которое немецкий физик Ойген Гольдштейн в 1876 году назвал катодными лучами. После многочисленных экспериментов Крукс пришел к выводу, что эти лучи были ничем иным, как частицами газа, которые сталкивались с катодом, становились отрицательно заряженными и двигались к аноду. Он назвал эти заряженные частицы “лучистой материей”, лучистая материя.

Следует признать, что Крукс не был оригинален в этом объяснении природы катодных лучей. Уже в 1871 году подобную гипотезу высказал Кромвель Флитвуд Варли, важный британский инженер-электрик и один из создателей первого трансатлантического телеграфного кабеля. Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, уже не газ, а нечто совершенно иное. 22 августа 1879 года на заседании Британского общества содействия развитию науки Крукс заявил, что разряды в разбавленных газах “настолько не похожи на то, что происходит в воздухе или любом газе под обычным давлением, что в данном случае мы имеем дело с веществом в четвертом агрегатном состоянии, которое отличается по своим свойствам от обычного газа настолько же, насколько газ отличается от жидкости”.

Часто пишут, что именно Крукс первым изобрел четвертое состояние материи. На самом деле эта идея пришла в голову Майклу Фарадею гораздо раньше. В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что материя может существовать в твердом, жидком, газообразном и радиоактивном состояниях, лучистое состояние материи. В своем отчете Крукс ясно дал понять, что он использует термины, заимствованные у Фарадея, но его потомки почему-то забыли об этом. Однако идея Фарадея все еще оставалась умозрительной гипотезой, и Крукс обосновал ее экспериментальными данными.

Катодные лучи также широко изучались под руководством Крукса. В 1895 году эти эксперименты привели Вильгельма Рентгена к открытию нового типа электромагнитного излучения, а в начале 20-го века были изобретены первые радиолампы. Однако гипотеза Крукса о четвертом состоянии материи не вызвала интереса у физиков – скорее всего, потому, что в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что катодные лучи – это не заряженные атомы газа, а очень легкие частицы, которые он назвал электронами. Это открытие, казалось, сделало гипотезу Крукса излишней.

Но он возродился, как феникс из пепла. Во второй половине 1920-х годов будущий лауреат Нобелевской премии химик Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории Дженерал ЭлектрикОн глубоко увлекся изучением газовых разрядов. Уже тогда было известно, что в пространстве между анодом и катодом атомы газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Понимая, что такой газ обладает многими особыми свойствами, Ленгмюр решил дать ему собственное имя. Странно, но он выбрал слово “плазма”, которое до этого времени функционировало только в минералогии (это другое название зеленого халцедона) и в биологии (жидкая основа крови, а также молочная сыворотка). В своем новом значении термин “плазма” впервые появился в работе Ленгмюра “Колебания в ионизированных газах”, опубликованной в 1928 году. В течение тридцати лет мало кто использовал этот термин, но затем он прочно утвердился в науке.

Классическая плазма – это ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами (строго говоря, фотоны присутствуют всегда, но при умеренных температурах ими можно пренебречь). Если степень ионизации не слишком мала (обычно достаточно одного процента), этот газ проявляет множество специфических свойств, которыми не обладают обычные газы. Однако можно получить плазму, в которой вообще нет свободных электронов, а их задачи берут на себя отрицательные ионы.

Для простоты рассмотрим только электронно-ионную плазму. Его молекулы притягиваются или отталкиваются друг от друга в соответствии с законом Кулона, и это взаимодействие происходит на больших расстояниях. Именно это отличает его от атомов и молекул в инертном газе, которые могут чувствовать друг друга только на очень коротких расстояниях. Поскольку частицы плазмы остаются в свободном полете, они легко смещаются под действием электрических сил. Чтобы плазма находилась в равновесии, пространственные заряды электронов и ионов должны полностью уравновешивать друг друга. Если это условие не выполняется, в плазме возникают электрические токи, которые восстанавливают равновесие (например, если в какой-то области создается избыток положительных ионов, туда немедленно устремляются электроны). Поэтому в равновесной плазме плотности частиц разных знаков практически одинаковы. Это ключевое свойство называется квазинейтральностью.

Почти всегда атомы и молекулы обычного газа участвуют только в парных взаимодействиях – сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны. Плазма бывает разной. Поскольку его частицы связаны кулоновскими силами дальнего действия, каждая из них находится в поле ближних и дальних соседей. Это означает, что взаимодействия между частицами плазмы не парные, а множественные – как говорят физики, коллективные. Следовательно, стандартное определение плазмы – это квазинейтральная система из большого числа полярно заряженных частиц, демонстрирующих коллективное поведение.

Плазма также отличается от инертного газа своей реакцией на внешние электрические и магнитные поля (обычный газ их практически не замечает). Напротив, частицы плазмы чувствуют слабые поля и немедленно приходят в движение, генерируя массовые заряды и электрические токи. Другой важной особенностью равновесной плазмы является экранирование заряда. Возьмем частицу плазмы, скажем, положительный ион. Он притягивает электроны, которые образуют облако отрицательных зарядов. Поле такого иона ведет себя по закону Кулона только вблизи иона, а на расстояниях, превышающих определенное критическое значение, оно очень быстро обращается в ноль. Этот параметр называется радиусом экранирования Дебая – в честь голландского физика Питера Дебая, который описал этот механизм в 1923 году.

Легко видеть, что плазма остается квазинейтральной только в том случае, если ее линейные размеры во всех измерениях намного больше радиуса Дебая. Стоит отметить, что этот параметр увеличивается при нагреве плазмы и уменьшается при увеличении ее плотности. В плазме газового разряда он составляет порядка 0,1 мм, в ионосфере Земли – 1 мм, а в солнечном ядре – 0,01 нм.

Сегодня плазма используется во многих различных технологиях. Некоторые из них знакомы каждому (газовые лампы, плазменные дисплеи), другие представляют интерес для специалистов (производство прочных защитных покрытий, производство микрочипов, дезинфекция). Однако самые большие надежды, связанные с плазмой, связаны с реализацией управляемых термоядерных реакций. Это вполне объяснимо. Для того чтобы ядра водорода слились с ядрами гелия, они должны находиться на расстоянии около ста миллиардных долей сантиметра, и там будут действовать ядерные силы. Такое сближение возможно только при температурах порядка десятков или сотен миллионов градусов, при которых кинетическая энергия положительно заряженных ядер достаточна для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.

Правда, плазма на основе обычного водорода не поможет. Такие реакции происходят в недрах звезд, но они бесполезны для энергоснабжения Земли, поскольку скорость выделения энергии слишком мала. Лучше всего использовать плазму, представляющую собой смесь тяжелых изотопов водорода, дейтерия и трития, в соотношении 1:1 (чистая дейтериевая плазма также приемлема, хотя она дает меньше энергии и требует более высоких температур для зажигания).

Однако одного нагревания недостаточно для начала реакции. Во-первых, плазма должна быть достаточно плотной; во-вторых, частицы, попадающие в зону реакции, не должны покидать ее слишком быстро, иначе потери энергии перевесят ее выделение. Эти требования можно представить в виде критерия, который был предложен в 1955 году английским физиком Джоном Лоусоном. Согласно этой формуле, произведение плотности плазмы и среднего времени пребывания частиц должно быть больше определенного значения, зависящего от температуры, состава термоядерного топлива и ожидаемой производительности реактора.

Легко видеть, что существует два способа удовлетворить критерий Лоусона. Можно уменьшить время удержания до наносекунд, сжав плазму, скажем, до 100-200 г/см 3 (поскольку плазма не успевает диффундировать, этот метод удержания называется инерционным удержанием). Физики работают над этой стратегией с середины 1960-х годов; ее наиболее продвинутая версия сейчас находится в Ливерморской национальной лаборатории. В этом году они начнут эксперименты по сжатию миниатюрных бериллиевых капсул (диаметром 1,8 мм), заполненных смесью дейтерия и трития, с помощью 192 ультрафиолетовых лазерных лучей. Руководители проекта считают, что не позднее 2012 года им удастся не только инициировать реакцию ядерного синтеза, но и добиться положительного энергетического результата. Возможно, что аналогичная программа в рамках HiPER (Исследование энергии мощных лазеров) может быть запущен в Европе в ближайшие несколько лет. Но даже если эксперименты в Ливерморе оправдают все ожидания, до создания настоящего термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы еще далеко. Дело в том, что для прототипа электростанции требуется очень быстрая и мощная лазерная система. Она должна обеспечить частоту вспышек, воспламеняющих дейтерий-тритиевые мишени, превышающую возможности ливерморской системы, которая производит не более 5-10 выстрелов в секунду. Сейчас активно обсуждаются различные возможности таких лазерных пушек, но до их практического применения еще далеко.

В качестве альтернативы можно работать со вспыхнувшей плазмой (плотность в нанограммах на кубический сантиметр), удерживая ее в зоне реакции по крайней мере несколько секунд. В таких экспериментах уже более полувека используются различные магнитные ловушки, которые удерживают плазму в заданном объеме путем наложения нескольких магнитных полей. Наиболее перспективными являются токамаки – замкнутые магнитные ловушки в форме тора, впервые предложенные Сахаровым и Таммом в 1950 году. В настоящее время в разных странах существует дюжина таких объектов, самый крупный из которых вплотную приблизился к выполнению критерия Лоусона. Международный термоядерный экспериментальный реактор, знаменитый ИТЭР, который будет построен в Кадараше, недалеко от Экс-ан-Прованса во Франции, также является токамаком. Если все пойдет по плану, ИТЭР впервые позволит создать плазму, отвечающую критерию Лоусона, и инициировать в ней реакцию ядерного синтеза.

“За последние два десятилетия мы добились огромного прогресса в понимании процессов внутри магнитных ловушек плазмы, в частности токамаков. В целом, мы теперь знаем, как движутся частицы плазмы, как возникают неустойчивые состояния потока плазмы, и до какой степени должно быть увеличено давление плазмы, чтобы продолжать удерживаться магнитным полем. Также были разработаны новые высокоточные методы для диагностики плазмы, т.е. измерения различных параметров плазмы”. – Ян Хатчинсон, профессор ядерной физики и технологии в Массачусетском технологическом институте, который занимается токамаками более 30 лет, рассказал PM. – Самые крупные токамаки до сих пор достигали скорости выделения тепловой энергии в дейтерий-тритиевой плазме около 10 мегаватт в течение одной-двух секунд. ИТЭР превысит этот показатель на несколько порядков. Если мы правы в своих расчетах, он сможет генерировать не менее 500 мегаватт в течение нескольких минут. Если нам очень повезет, то энергия будет вырабатываться без ограничений по времени, в стабильном режиме.

Волны в плазме

Коллективная природа внутриплазменных явлений делает эту среду гораздо более восприимчивой к возбуждению различных волн, чем нейтральный газ. Простейшие из них были изучены Ленгмюром и его сотрудником Леви Тонксом (более того, анализ этих колебаний убедил Ленгмюра в том, что он имеет дело с новым состоянием материи). Пусть в какой-то области равновесной плазмы электронная плотность немного изменилась – другими словами, группа соседних электронов переместилась из своего прежнего положения. Сразу же возникнут электрические силы, которые вернут смещенные электроны в исходное положение, которое они по инерции лишь слегка перескочат. В результате образуется центр колебаний, который будет распространяться по плазме в виде продольных волн (в очень холодной плазме это могут быть и стоячие волны). Эти волны называются волнами Ленгмюра.

Колебания Ленгмюра накладывают ограничение на частоту электромагнитных волн, которые могут проходить через плазму. Она должна быть выше частоты Ленгмюра, иначе электромагнитная волна исчезнет в плазме или будет отражена, как свет от зеркала. Это происходит с радиоволнами с длиной волны больше, чем приблизительно. 20 м, которые не проходят через ионосферу Земли.

Поперечные волны также могут генерироваться в намагниченной плазме. Впервые их существование предсказал в 1942 году шведский астрофизик Ханнес Альфвен (они были обнаружены в ходе эксперимента 17 лет спустя). Волны Альфвена распространяются вдоль линий внешнего магнитного поля, которое вибрирует, как натянутая струна (частицы плазмы, ионы и электроны, движутся перпендикулярно этим линиям). Интересно, что скорость таких волн зависит только от плотности плазмы и напряженности магнитного поля, но не от частоты. Альфвеновские волны играют важную роль в процессах космической плазмы – например, считается, что они ответственны за аномальный нагрев солнечной короны, которая в сотни раз горячее солнечной атмосферы. Они также похожи на атмосферные свисты – волнообразные хвосты молний, создающие радиопомехи. Плазма также производит волны с более сложной структурой, содержащие как продольные, так и поперечные компоненты.

Профессор Хатчинсон также подчеркнул, что ученые теперь хорошо понимают природу процессов, которые должны происходить внутри этого огромного токамака: “Мы даже знаем условия, при которых плазма подавляет собственную турбулентность, а это очень важно для управления работой реактора. Конечно, предстоит решить множество технических проблем – в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, способных выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку. Но когда речь идет о физике плазмы, картина достаточно ясна – по крайней мере, мы так думаем. ИТЭР должен подтвердить, что мы не ошибаемся. Если это произойдет, наступит очередь токамака следующего поколения, который станет прототипом для промышленных термоядерных реакторов. Однако об этом пока рано говорить. Тем временем, мы ожидаем, что ИТЭР будет введен в эксплуатацию к концу этого десятилетия. Скорее всего, он сможет генерировать горячую плазму не раньше 2018 года – по крайней мере, согласно нашим прогнозам. Так что в научном и технологическом плане у ИТЭР хорошие перспективы.

Чудеса плазмы

Плазма повсеместно используется в научно-фантастических романах – от оружия и двигателей до плазменных форм жизни. Однако настоящие плазменные соревнования выглядят не менее фантастично.

Плазменное оружие – самое распространенное применение плазмы в научной фантастике. Гражданские применения гораздо скромнее: обычно речь идет о плазменных двигателях. Такие двигатели существуют в реальности, “ПМ” неоднократно писал о них (№ 2, 2010, № 12, 2005). Между тем, другие применения плазмы, о которых нам рассказал глава филадельфийского Института плазмы имени Дрекселя Александр Фридман, в обычной жизни выглядят не менее, если не более фантастично.

Использование плазмы позволяет решать проблемы, которые до недавнего времени не поддавались решению. Например, преобразование угля или биомассы в горючий газ, богатый водородом. Немецкие химики научились делать это в середине 1930-х годов, что позволило Германии создать крупную промышленность по производству синтетического топлива во время Второй мировой войны. Однако в мирное время это чрезвычайно дорогая и неконкурентоспособная технология.

По словам Александра Фридмана, уже построены установки для генерации мощных холодных плазменных разрядов, в которых температура ионов не превышает сотен градусов. Они позволяют дешево и эффективно производить водород из угля и биомассы для синтетического топлива или для питания топливных элементов. И эти установки достаточно компактны, чтобы их можно было разместить на автомобиле (например, на парковке не нужно включать двигатель для работы кондиционера – энергию обеспечивают топливные элементы). Полупромышленные пилотные установки для преобразования угля в сингаз с помощью холодной плазмы также демонстрируют хорошие результаты.

“В вышеупомянутых процессах углерод рано или поздно окисляется до диоксида и оксида, – продолжает профессор Фридман. – С другой стороны, лошади получают энергию, перерабатывая овес и сено в навоз и выделяя лишь небольшое количество углекислого газа. В их пищеварительной системе углерод окисляется не полностью, а только до субоксидов, в основном C₃О₂. Эти вещества составляют основу полимеров, из которых состоит навоз. Конечно, в этом процессе выделяется примерно на 20% меньше химической энергии, чем в случае полного окисления, но практически не образуются парниковые газы. В нашем институте мы создали экспериментальную установку, способную точно перерабатывать бензин в такой продукт с помощью холодной плазмы. Это так впечатлило князя Монако Альбера II, большого любителя автомобилей, что он заказал у нас автомобиль с таким приводом. Это все еще просто игрушечная машинка, но ей нужна дополнительная энергия – аккумуляторы для инвертора. Такая машина будет ехать, извергая что-то вроде рулонов сухого навоза. Конечно, для работы преобразователя нужны батарейки, которые позволили бы привести игрушку в движение немного быстрее, но, как говорится, невезение благоволит. Я могу себе представить, что через десять лет появятся настоящие автомобили с плазменными преобразователями бензина, которые смогут работать, не загрязняя атмосферу.

Одним из чрезвычайно перспективных применений холодной плазмы является медицина. Давно известно, что холодная плазма генерирует сильные окислители и поэтому отлично подходит для дезинфекции. Однако для этого требуется напряжение порядка десятков киловольт, что опасно для человеческого организма. Однако если эти потенциалы генерируют токи низкой интенсивности, в этом нет ничего плохого. Мы научились генерировать в холодной плазме очень слабые токи однородного разряда в 40 киловольт, – рассказывает профессор Фридман, – Оказалось, что такая плазма быстро заживляет раны и даже язвы. Десятки медицинских центров в разных странах изучают этот эффект. Уже доказано, что холодная плазма может использоваться в качестве оружия против рака, особенно опухолей кожи и мозга. Конечно, пока эксперименты проводились только на животных, но Германия и Россия уже получили разрешение на клинические испытания новой терапии, а в Нидерландах проводятся очень интересные эксперименты по лечению гингивита плазмой. Кроме того, около года назад нам удалось зажечь холодный разряд прямо в желудок живой мыши! При этом он оказался успешным в лечении одной из самых тяжелых патологий желудочно-кишечного тракта – болезни Крона. Так что сейчас мы наблюдаем рождение плазменной медицины – совершенно новой области медицины”.

Известно, что плазма является наиболее распространенным состоянием материи во Вселенной. Плазма – это газ, заряженный до такой степени, что некоторые электроны отрываются от ядра и движутся вместе с ним.

Как образуется плазма?

Газы могут превращаться в плазму несколькими способами, и все они требуют закачки в них энергии. Искра в газе создает плазму. Горячий газ, проходящий через искру, превращает газовый поток в плазму, которая может быть полезной и использоваться в различных приложениях. Например, в плазменных горелках, которые используются в промышленности для резки металлов.

Плазма образуется, когда к газу добавляется дополнительная энергия, высвобождая электроны из атомов. Высокие температуры часто вызывают образование плазмы. Атомы в горячем газе движутся так быстро, что иногда выбрасывают электроны при столкновении друг с другом. Фотоны высокой энергии от гамма-лучей, рентгеновских лучей или ультрафиолетового света также могут создавать плазму, отталкивая электроны от атомов. Ток высокого напряжения также может создавать плазму.

Материя существует в четырех возможных состояниях: твердом, жидком, газообразном и в виде плазмы, которая представляет собой наэлектризованный газ. Мы редко сталкиваемся с природной плазмой – ее можно увидеть во время грозы, северного сияния или если посмотреть на Солнце через специальный фильтр. Тем не менее, плазма, несмотря на ее небольшое количество в нашей повседневной жизни, составляет более 99% наблюдаемой материи во Вселенной (то есть, если не учитывать темную материю).

Что такое плазма? Для тех, кто не понимает физику

Материя существует в четырех возможных состояниях: твердом, жидком, газообразном и в виде плазмы, которая представляет собой наэлектризованный газ. Мы редко сталкиваемся с естественной плазмой – ее можно наблюдать во время грозы, северного сияния или при наблюдении Солнца через специальный фильтр. Тем не менее, плазма, при всей ее редкости в нашей повседневной жизни, составляет более 99% наблюдаемой материи во Вселенной (то есть, если исключить темную материю).

Как создается плазма

Представьте, что вы нагреваете емкость, наполненную льдом, и наблюдаете, как он переходит из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное. При повышении температуры молекулы воды становятся более энергичными и возбудимыми и двигаются более свободно. Если продолжать нагревать, то при температуре около 12 000 градусов Цельсия атомы начнут расщепляться. Электроны будут вылетать из ядер, оставляя после себя заряженные частицы, называемые ионами, которые оказываются в супе из электронов. Это состояние плазмы.

Плазма в физике и в крови

Связь между кровью и “физической” плазмой – это не просто совпадение. В 1927 году американский химик Ирвинг Ленгмюр заметил, что так же, как плазма переносит электроны, ионы, молекулы и другие примеси, плазма крови переносит красные и белые кровяные тельца и микробы. Ленгмюр был пионером в области исследования плазмы. Он и его коллега Леви Тонкс также обнаружили, что для плазмы характерны быстрые колебания электронов, являющиеся результатом коллективного поведения частиц.

Еще одним интересным свойством плазмы является ее способность поддерживать так называемые гидромагнитные волны – выпуклые волны, которые распространяются в плазме вдоль линий магнитного поля, подобно тому, как вибрации распространяются по струнам гитары. Когда шведский ученый Ханнес Альфвен, впоследствии получивший Нобелевскую премию, впервые предположил существование этих волн в 1942 году, физическое сообщество было настроено скептически. Однако после того, как Альфвен прочитал лекцию в Чикагском университете, известный физик и педагог Энрико Ферми попросил его обсудить теорию, признав, что такие волны могут существовать.

Термоядерный синтез

Одним из главных двигателей современной науки о плазме является перспектива управляемого термоядерного синтеза, при котором атомы сливаются вместе и выделяют интенсивные, но контролируемые всплески энергии. Это обеспечит практически неограниченный источник безопасной, чистой энергии, но это нелегкая задача. Прежде чем такой синтез может произойти на Земле, плазма должна быть нагрета до температуры более 100 миллионов градусов Цельсия, что примерно в 10 раз горячее, чем в центре Солнца. Но и это не самое сложное, поскольку ученым удалось достичь такой температуры в 1990-х гг. Однако горячая плазма очень нестабильна, поэтому ее трудно хранить и трудно контролировать.

Попытки достичь управляемого термоядерного синтеза относятся к началу 1950-х гг. В то время исследования проводились тайно Соединенными Штатами, а также Советским Союзом и Великобританией. В США эталоном для этого исследования стал Принстонский университет. Физик Лайман Спитцер начал там проект “Маттерхорн”, в рамках которого секретная группа ученых пыталась достичь управляемого термоядерного синтеза с помощью устройства под названием “стеллатор”. У них не было компьютеров, и им приходилось полагаться только на собственные расчеты. Хотя им не удалось решить эту загадку, они в конце концов разработали “принцип энергии”, который и по сей день остается мощным методом проверки идеальной стабильности плазмы.

Тем временем ученые в Советском Союзе создали другое устройство – токамак. Эта машина, разработанная физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, использовала сильное магнитное поле для придания горячей плазме формы пончика. Токамак лучше поддерживал плазму горячей и стабильной, и по сей день большинство программ исследований термоядерного синтеза основаны на конструкции токамака. Теперь Китай, Европейский Союз, Индия, Япония, Корея, Россия и США объединили усилия для строительства крупнейшего в мире реактора токамак, который, как ожидается, будет введен в эксплуатацию в 2025 году. Но в последние годы также наблюдается возрождение энтузиазма в отношении стеллараторов: в 2015 году в Германии открылся крупнейший в мире стелларатор. Инвестиции в оба направления, вероятно, дают нам наилучшие шансы на конечный успех.

Плазма в космическом пространстве

Плазма также связана с физикой пространства вокруг Земли, где вещества переносятся ветрами, возникающими в верхних слоях атмосферы Солнца. Нам повезло, что магнитное поле Земли защищает нас от заряженных частиц плазмы и разрушительного излучения солнечных ветров, но все наши спутники, космические корабли и астронавты подвергаются его воздействию. Их способность выжить в этой враждебной среде зависит от понимания и адаптации к изменчивости плазмы.

В новой области, известной как “космическая погода”, физика плазмы играет роль, аналогичную гидродинамике в земной атмосфере. Существует явление, называемое магнитным пересоединением, при котором линии магнитного поля в плазме могут разрываться и вновь соединяться, вызывая быстрое высвобождение энергии. Считается, что этот процесс является причиной солнечных вспышек, хотя детальное понимание его остается неуловимым. Однако в будущем мы сможем предсказывать солнечные бури так же, как мы предсказываем плохую погоду на Земле.

Как плазма помогает нам сегодня

Возможно, когда-нибудь физика плазмы позволит нам узнать, как формировались звезды, галактики и скопления галактик. Согласно стандартной космологической модели, в ранней Вселенной была распространена плазма, затем все начало остывать, и заряженные электроны и протоны слились вместе, образовав электрически нейтральные атомы водорода. Это состояние длилось до образования первых звезд и черных дыр, которые начали испускать излучение, после чего Вселенная “реионизировалась” и вернулась в плазменное состояние.

Сегодня, благодаря плазме, ученые могут находить черные дыры. Они настолько плотные, что почти не отражают свет, поэтому практически невидимы для прямого наблюдения. Однако черные дыры обычно окружены вращающимся диском плазмы, который движется под действием гравитационного притяжения черной дыры и испускает фотоны высокой энергии. Именно их ученые могут наблюдать в рентгеновском спектре.

Плазма все еще кажется довольно экзотическим состоянием материи, но по мере того, как мы учимся использовать ее потенциал и расширяем наше представление о космосе, возможно, однажды она станет для нас такой же привычной, как лед и вода. И если мы когда-нибудь достигнем управляемого ядерного синтеза, мы просто не сможем больше жить без плазмы.