Плазма

Плазменная лампа, иллюстрирующая некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Свечение нитей обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией после рекомбинации с ионами. Этот процесс приводит к излучению со спектром, соответствующим возбуждаемому газу.

Плазма (греч. πλάσμα, «изображение, вымысел»). Плазмой в физике и химии называют ионизированный, электрически квазинейтральный газ. Термин плазма в физике происходит от термина плазмы в биологии. Плазма считается четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества. Слово «ионизированный» означает, что от значительной части атомов или молекул отделен по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов) суммарный электрический заряд плазмы равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает ее заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Четвертое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 г. и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 г.

Свойства плазмы изучает физика плазмы.

Типичные примеры плазмы

Плазма является самым распространенным агрегатным состоянием вещества. Из плазмы состоит более 99 % наблюдаемой вселенной. Общеизвестными являются следующие формы плазмы:

• Лабораторные и промышленные
  • Пламя
  • Электрическая дуга
  • Люминесцентные лампы
  • Выхлоп ракет
  • Плазма для управляемого термоядерного синтеза
• Природные
  • Молнии
  • Ионосфера
  • Северное сияние
  • Солнечный ветер
  • Солнце и другие звезды (образуются за счет термоядерного синтеза)
  • Межзвездные туманности
  • Межзвездный газ

Свойства

Термин плазма используется для систем заряженных частиц, достаточно больших для возникновения коллективных эффектов. Микроскопические малые количества заряженных частиц (напр. пучки ионов в ионных ловушках) не являются плазмой. Плазма обладает следующими свойствами:

1. длина дебаевского экранирования мала по сравнению с характерным размером плазмы:
   • ${r_D \over L} \ll 1; \,$
2. внутри сферы с радиусом Дебая находится большое число заряженных частиц:
   • $r_D^3 N \gg 1 \,$, где $N \,$ — концентрация заряженных частиц;
3. среднее время между столкновениями частиц велико по сравнению с периодом плазменных колебаний:
   • $\tau \omega_{pl} \gg 1. \,$

Классификация

Плазма обычно разделяется на низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

Температура

В неравновесных плазмах электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч градусов.

В равновесных плазмах обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесные плазмы обычно являются горячими (с температурой больше нескольких тысяч градусов).

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы градусов.

Степень ионизации

Степень ионизации определяется как отношение числа ионизованных частиц к общему числу частиц. Для низкотемпературных плазм характерны малые степени ионизации (<1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в плазменных технологиях их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, которые ускоряют электроны, которые в свою очередь ионизуют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи. Типичные применения низкотемпературных плазм включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Горячие плазмы почти всегда полностью ионизованы (степень ионизации ~100 %). Обычно именно они понимаются под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.

Плотность

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Слово плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). Плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов $\langle Z\rangle$: $n_e=\langle Z\rangle n_i$. Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов $n_0$. В горячей плазме $n_0$ мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме.

Квазинейтральность

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов ($n_e=\langle Z\rangle n_i$). В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.

Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счет кулоновского отталкивания.

Отличия от газообразного состояния

Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Она отличается от трех менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определенной формы или объема. До сих пор идет обсуждение того, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает что плазма является чем-то большим чем газ по причине следующих различий:

Свойство	Газ	Плазма
Электрическая проводимость	Очень мала	Очень высока Несмотря на то, что при протекании тока возникает хотя и малое, но тем не менее конечное падение потенциала, во многих случаях электрическое поле в плазме можно считать равным нулю. Градиенты плотности связанные с наличием электрического поля могут быть выражены через распределение Больцмана. Возможность проводить токи делает плазму сильно подверженной влиянию магнитного поля, что приводит к возникновению таких явлений как филаментирование, появление слоев и струй. Типичным является наличие коллективных эффектов, так как электрические и магнитные силы являются дальнодействующими и гораздо сильнее чем гравитационные.
Число сортов частиц	Один	Два или три Электроны, ионы и нейтральные частицы различаются знаком эл. заряда и могут вести себя независимо друг от друга – иметь разные скорости и даже температуры, что служит причиной появления новых явлений, например волн и неустойчивостей.
Распределение по скоростям	Максвелловское	Может быть немаксвелловское Электрические поля имеют другое влияние на скорости частиц чем столкновения, которые всегда ведут к максвеллизации распределения по скоростям. Зависимость сечения кулоновских столкновений от скорости может усиливать это различие, приводя к таким эффектам, как двухтемпературные распределения и убегающие электроны.
Тип взаимодействий	Бинарные Как правило двухчастичные столкновения, трехчастичные крайне редки.	Коллективные Каждая частица взаимодействует сразу со многими. Эти коллективные взаимодействия имеют гораздо большее влияние чем двухчастичные.

Математическое описание

Плазму можно описывать на различных уровнях детализации. Обычно плазма описывается отдельно от электромагнитных полей. Совместное описание проводящей жидкости и электромагнитных полей дается в теории магнитогидродинамических явлений или МГД теории.

Флюидная (жидкостная) модель

Во флюидной модели электроны описываются в терминах плотности, температуры и средней скорости. В основе модели лежат: уравнение баланса для плотности, уравнение сохранения импульса, уравнение баланса энергии электронов. В двухжидкостной модели таким же образом рассматриваются ионы.

Кинетическое описание

Иногда жидкостная модель оказывается недостаточной для описания плазмы. Более подробное описание дает кинетическая модель. Плазма описывается в терминах Функции распределения электронов по скоростям. В основе модели лежит уравнение Больцмана. При совместном описании плазмы и эл. поля используется система уравнений Власова. Кинетическое описание необходимо применять в случае отсутствия термодинамического равновесия либо в случае присутствия сильных неоднородностей плазмы.

Particle-In-Cell (частица в ячейке)

Модели Particle-In-Cell являются более подробными чем кинетические. Они включают в себя кинетическую информацию путем слежения за траекториями большого числа отдельных частиц. Плотности эл. заряда и тока определяются путем суммирования частиц в ячейках, которые малы по сравнению с рассматриваемой задачей но тем не менее содержат большое число частиц. Эл. и магн. поля находятся из плотностей зарядов и токов на границах ячеек.

Базовые характеристики плазмы

Все величины даны в Гауссовых СГС единицах за исключением температуры, которая дана в eV и массы ионов, которая дана в единицах массы протона $\mu = m_i/m_p$; Z – зарядовое число; k – постоянная Больцмана; К – длина волны; γ - адиабатический индекс; ln Λ - Кулоновский логарифм.

Частоты

• Ларморова частота электрона, угловая частота кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

$$\omega_{ce} = eB/m_ec = 1.76 \times 10^7 B \mbox{rad/s}$$

• Ларморова частота иона, угловая частота кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

$$\omega_{ci} = eB/m_ic = 9.58 \times 10^3 Z \mu^{-1} B \mbox{rad/s}$$

• плазменная частота (частота плазменных колебаний), частота с которой электроны колеблются около положения равновесия, будучи смещенными относительно ионов:

$$\omega_{pe} = (4\pi n_ee^2/m_e)^{1/2} = 5.64 \times 10^4 n_e^{1/2} \mbox{rad/s}$$

• ионная плазменная частота:

$$\omega_{pi} = (4\pi n_iZ^2e^2/m_i)^{1/2} = 1.32 \times 10^3 Z \mu^{-1/2} n_i^{1/2} \mbox{rad/s}$$

• частота столкновений электронов

$$\nu_e = 2.91 \times 10^{-6} n_e\,\ln\Lambda\,T_e^{-3/2} \mbox{s}^{-1}$$

• частота столкновений ионов

$$\nu_i = 4.80 \times 10^{-8} Z^4 \mu^{-1/2} n_i\,\ln\Lambda\,T_i^{-3/2} \mbox{s}^{-1}$$

Длины

• Де-Бройлева длина волны электрона, длина волны электрона в квантовой механике:

$$\lambda\!\!\!\!- = \hbar/(m_ekT_e)^{1/2} = 2.76\times10^{-8}\,T_e^{-1/2}\,\mbox{cm}$$

• минимальное расстояние сближения в классическом случае, минимальное расстояние на которое могут сблизиться две заряженных частицы при лобовом столкновении и начальной скорости, соответствующей температуре частиц, в пренебрежении квантово-механическими эффектами:

$$e^2/kT=1.44\times10^{-7}\,T^{-1}\,\mbox{cm}$$

• гиромагнитный радиус электрона, радиус кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

$r_e = v_{Te}/\omega_{ce} = 2.38\,T_e^{1/2}B^{-1}\,\mbox{cm}$

• гиромагнитный радиус иона, радиус кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

$$r_i = v_{Ti}/\omega_{ci} = 1.02\times10^2\,\mu^{1/2}Z^{-1}T_i^{1/2}B^{-1}\,\mbox{cm}$$

• размер скин-слоя плазмы, расстояние на которое электромагнитные волны могут проникать в плазму:

$$c/\omega_{pe} = 5.31\times10^5\,n_e^{-1/2}\,\mbox{cm}$$

• Радиус Дебая (длина Дебая), расстояние на котором электрические поля экранируются за счет перераспределения электронов:

$$\lambda_D = (kT/4\pi ne^2)^{1/2} = 7.43\times10^2\,T^{1/2}n^{-1/2}\,\mbox{cm}$$

Скорости

• тепловая скорость электрона, формула для оценки скорости электронов при распределении Максвелла. Средняя скорость, наиболее вероятная скорость и среднеквадратичная скорость отличаются от этого выражения лишь множителями порядка единицы:

$$v_{Te} = (kT_e/m_e)^{1/2} = 4.19\times10^7\,T_e^{1/2}\,\mbox{cm/s}$$

• тепловая скорость иона, формула для оценки скорости ионов при распределении Максвелла:

$v_{Ti} = (kT_i/m_i)^{1/2} = 9.79\times10^5\,\mu^{-1/2}T_i^{1/2}\,\mbox{cm/s}$

• скорость ионного звука, скорость продольных ионно-звуковых волн:

$$c_s = (\gamma ZkT_e/m_i)^{1/2} = 9.79\times10^5\,(\gamma ZT_e/\mu)^{1/2}\,\mbox{cm/s}$$

• Альфвеновская скорость, скорость Альфвеновских волн:

$$v_A = B/(4\pi n_im_i)^{1/2} = 2.18\times10^{11}\,\mu^{-1/2}n_i^{-1/2}B\,\mbox{cm/s}$$

Безразмерные величины

• квадратный корень из отношения масс электрона и протона:

$$(m_e/m_p)^{1/2} = 2.33\times10^{-2} = 1/42.9$$

• Число частиц в сфере Дебая:

$$(4\pi/3)n\lambda_D^3 = 1.72\times10^9\,T^{3/2}n^{-1/2}$$

• Отношение Альфвеновской скорости к скорости света

$$v_A/c = 7.28\,\mu^{-1/2}n_i^{-1/2}B$$

• отношение плазменной и ларморовской частот для электрона

$$\omega_{pe}/\omega_{ce} = 3.21\times10^{-3}\,n_e^{1/2}B^{-1}$$

• отношение плазменной и ларморовской частот для иона

$$\omega_{pi}/\omega_{ci} = 0.137\,\mu^{1/2}n_i^{1/2}B^{-1}$$

• отношение тепловой и магнитной энергий

$$\beta = 8\pi nkT/B^2 = 4.03\times10^{-11}\,nTB^{-2}$$

• отношение магнитной энергии к энергии покоя ионов

$$B^2/8\pi n_im_ic^2 = 26.5\,\mu^{-1}n_i^{-1}B^2$$

Прочее

• Бомовский коэффициент диффузии

$$D_B = (ckT/16eB) = 5.4\times10^2\,TB^{-1}\,\mbox{cm}^2/\mbox{s}$$

• Поперечное сопротивление Спитцера

$$\eta_\perp = 1.15\times10^{-14}\,Z\,\ln\Lambda\,T^{-3/2}\,\mbox{s} = 1.03\times10^{-2}\,Z\,\ln\Lambda\,T^{-3/2}\,\Omega\,\mbox{cm}$$

Современные исследования

• Теория плазмы
  • Равновесие и устойчивость плазмы
  • Взаимодействие плазмы с волнами и пучками
  • диффузия, проводимость и другие кинетические явления в плазме
  • Адиабатические инварианты
  • Слой Дебая
  • Кулоновские столкновения
  • типы разрядов
    • тлеющий разряд
    • искровой разряд
    • коронный разряд
    • дуговой разряд
  • магнитогидродинамика
• Плазма в природе
  • Ионосфера Земли
  • Плазма в космосе, напр. плазмосфера Земли (внутренняя часть магнитосферы)
• Источники плазмы
• Диагностика плазмы
  • Томсоновское рассеяние
  • Зонды Ленгмюра
  • Спектроскопия
  • Интерферометрия
  • Ионосферный нагрев
• Применения плазмы
  • МГД генератор
  • магнетрон
  • Термоядерный синтез
    • Удержание в магнитных ловушках -- токамак, стелларатор, обратный пинч, пробкотрон
    • Инерционный термоядерный синтез
  • Ускорители
    • Кильватерное ускорение
  • Промышленные плазмы
    • плазмохимия
    • плазменная обработка
    • плазменные дисплеи

Плазма в биологии

Термин плазма в биологии — это плазма крови. У животных, таких как млекопитающие, она составляет около 55% от общего объема крови, который присутствует в организме. Плазма крови имеет беловато-желтый цвет и является средой в которой находятся все наши клетки крови. Это внеклеточная жидкость, и в отличие от клеток, это не биологически живые единицы, а химическое вещество. 90% плазмы — это вода. Остальная часть: белок, глюкоза, факторы свертывания крови, минеральные ионы, гормоны и углекислый газ.

Плазма является основным материалом в крови человека, в то время в физике, плазма это крупнейшая материальная субстанция во Вселенной.

Ссылки

Лекции кафедры физики плазмы Новосибирского государственного университета

Физика плазмы