სად არის პლაზმა? სისხლის პლაზმა: შემადგენელი ელემენტები (ნივთიერებები, ცილები), ფუნქციები ორგანიზმში, გამოყენება

პლაზმური პლაზმური ნათურა, რომელიც ასახავს ზოგიერთ უფრო რთულ პლაზმურ ფენომენს, მათ შორის ძაფებს. პლაზმის სიკაშკაშე გამოწვეულია ელექტრონების გადასვლით მაღალი ენერგიის მდგომარეობიდან დაბალ ენერგიულ მდგომარეობაში იონებთან რეკომბინაციის შემდეგ. ეს პროცესი იწვევს რადიაციას სპექტრით, რომელიც შეესაბამება აღგზნებულ აირს.

სიტყვა "იონიზებული" ნიშნავს, რომ მინიმუმ ერთი ელექტრონი გამოეყო ატომების ან მოლეკულების მნიშვნელოვანი ნაწილის ელექტრონული გარსებიდან. სიტყვა "კვაზინეიტრალური" ნიშნავს, რომ თავისუფალი მუხტების არსებობის მიუხედავად (ელექტრონები და იონები), პლაზმის მთლიანი ელექტრული მუხტი დაახლოებით ნულის ტოლია. თავისუფალი ელექტრული მუხტების არსებობა პლაზმას აქცევს გამტარ საშუალებას, რაც იწვევს მის მნიშვნელოვნად დიდ (მატერიის სხვა საერთო მდგომარეობებთან შედარებით) ურთიერთქმედებას მაგნიტურ და ელექტრულ ველებთან. მატერიის მეოთხე მდგომარეობა აღმოაჩინა W. Crookes-მა 1879 წელს და უწოდა "პლაზმა" I. Langmuir-ის მიერ 1928 წელს, შესაძლოა სისხლის პლაზმასთან კავშირის გამო. ლენგმუირმა დაწერა:

გარდა ელექტროდების მახლობლად, სადაც ელექტრონების მცირე რაოდენობაა ნაპოვნი, იონიზებული გაზი შეიცავს იონებს და ელექტრონებს თითქმის თანაბარი რაოდენობით, რის შედეგადაც სისტემაზე ძალიან მცირე წმინდა დამუხტვა ხდება. ჩვენ ვიყენებთ ტერმინს პლაზმას იონებისა და ელექტრონების ზოგადად ელექტრულად ნეიტრალური რეგიონის აღსაწერად.

პლაზმის ფორმები

დღევანდელი კონცეფციების თანახმად, სამყაროში მატერიის უმეტესი ნაწილის ფაზური მდგომარეობა (დაახლოებით 99,9% მასის მიხედვით) არის პლაზმა. ყველა ვარსკვლავი დამზადებულია პლაზმისგან და მათ შორის სივრცეც კი სავსეა პლაზმით, თუმცა ძალიან იშვიათია (იხ. ვარსკვლავთშორისი სივრცე). მაგალითად, პლანეტა იუპიტერს აქვს კონცენტრირებული მზის სისტემის თითქმის მთელი მატერია, რომელიც იმყოფება „არაპლაზმურ“ მდგომარეობაში (თხევადი, მყარი და აირისებრი). ამავდროულად, იუპიტერის მასა არის მზის სისტემის მასის მხოლოდ 0,1%, ხოლო მოცულობა კიდევ უფრო ნაკლები: მხოლოდ 10-15%. ამ შემთხვევაში, მტვრის უმცირესი ნაწილაკები, რომლებიც ავსებენ გარე სივრცეს და ატარებენ გარკვეულ ელექტრულ მუხტს, ერთობლივად შეიძლება ჩაითვალოს პლაზმად, რომელიც შედგება ზემძიმე დამუხტული იონებისგან (იხ. მტვრიანი პლაზმა).

პლაზმის თვისებები და პარამეტრები

პლაზმის განსაზღვრა

პლაზმა არის ნაწილობრივ ან სრულად იონიზებული გაზი, რომელშიც დადებითი და უარყოფითი მუხტების სიმკვრივე თითქმის თანაბარია. დამუხტული ნაწილაკების ყველა სისტემას არ შეიძლება ეწოდოს პლაზმა. პლაზმას აქვს შემდეგი თვისებები:

• საკმარისი სიმკვრივე: დამუხტული ნაწილაკები საკმარისად ახლოს უნდა იყოს ერთმანეთთან ისე, რომ თითოეული მათგანი ურთიერთქმედებს ახლომდებარე დამუხტული ნაწილაკების მთელ სისტემასთან. პირობა დაკმაყოფილებულად ითვლება, თუ დატვირთული ნაწილაკების რაოდენობა გავლენის სფეროში (სფერო დები რადიუსით) საკმარისია კოლექტიური ეფექტების წარმოქმნისთვის (ასეთი გამოვლინებები პლაზმის ტიპიური თვისებაა). მათემატიკურად, ეს მდგომარეობა შეიძლება გამოიხატოს შემდეგნაირად:

• პრიორიტეტი შიდა ურთიერთქმედებისთვის: Debye სკრინინგის რადიუსი მცირე უნდა იყოს პლაზმის დამახასიათებელ ზომასთან შედარებით. ეს კრიტერიუმი ნიშნავს, რომ პლაზმის შიგნით მომხდარი ურთიერთქმედება უფრო მნიშვნელოვანია მის ზედაპირზე ზემოქმედებასთან შედარებით, რაც შეიძლება უგულებელყო. თუ ეს პირობა დაკმაყოფილებულია, პლაზმა შეიძლება ჩაითვალოს კვაზინეიტრალურად. მათემატიკურად ასე გამოიყურება:

კლასიფიკაცია

პლაზმა ჩვეულებრივ იყოფა სრულყოფილიდა არასრულყოფილი, დაბალი ტემპერატურადა მაღალი ტემპერატურა, წონასწორობადა არათანაბარიდა საკმაოდ ხშირად ცივი პლაზმა არის არათანაბარი, ხოლო ცხელი პლაზმა არის წონასწორობა.

ტემპერატურა

პოპულარული სამეცნიერო ლიტერატურის კითხვისას, მკითხველი ხშირად ხედავს პლაზმის ტემპერატურის მნიშვნელობებს ათეულობით, ასობით ათასი ან თუნდაც მილიონობით °C ან K-ის რიგითობით. ფიზიკაში პლაზმის აღსაწერად მოსახერხებელია ტემპერატურის გაზომვა არა °C-ში. , მაგრამ ნაწილაკების მოძრაობის დამახასიათებელი ენერგიის გაზომვის ერთეულებში, მაგალითად, ელექტრონ ვოლტებში (eV). ტემპერატურის eV-ზე გადასაყვანად შეგიძლიათ გამოიყენოთ შემდეგი კავშირი: 1 eV = 11600 K (კელვინი). ამრიგად, ცხადი ხდება, რომ "ათიათასობით °C" ტემპერატურა საკმაოდ ადვილად მიღწევადია.

არათანაბარი პლაზმაში ელექტრონის ტემპერატურა მნიშვნელოვნად აღემატება იონის ტემპერატურას. ეს ხდება იონისა და ელექტრონის მასების განსხვავების გამო, რაც ართულებს ენერგიის გაცვლის პროცესს. ეს ვითარება ხდება გაზის გამონადენებში, როდესაც იონებს აქვთ დაახლოებით ასეული ტემპერატურა, ხოლო ელექტრონებს აქვთ დაახლოებით ათიათასობით K ტემპერატურა.

წონასწორობის პლაზმაში ორივე ტემპერატურა თანაბარია. ვინაიდან იონიზაციის პროცესი მოითხოვს იონიზაციის პოტენციალის შესადარებელ ტემპერატურას, წონასწორობის პლაზმა ჩვეულებრივ ცხელია (ტემპერატურა რამდენიმე ათას კ-ზე მეტია).

კონცეფცია მაღალი ტემპერატურის პლაზმაჩვეულებრივ გამოიყენება თერმობირთვული შერწყმის პლაზმისთვის, რომელიც მოითხოვს მილიონობით K ტემპერატურას.

იონიზაციის ხარისხი

იმისთვის, რომ გაზი პლაზმად იქცეს, ის უნდა იყოს იონიზებული. იონიზაციის ხარისხი პროპორციულია ატომების რაოდენობისა, რომლებმაც შეწირეს ან შთანთქა ელექტრონები და ყველაზე მეტად დამოკიდებულია ტემპერატურაზე. სუსტად იონიზებულ გაზსაც კი, რომელშიც ნაწილაკების 1%-ზე ნაკლები იონიზებულ მდგომარეობაშია, შეუძლია გამოავლინოს პლაზმის ტიპიური თვისებები (ურთიერთქმედება გარე ელექტრომაგნიტურ ველთან და მაღალი ელექტრული გამტარობა). იონიზაციის ხარისხი α განსაზღვრული როგორც α = ნმე/( ნმე+ ნა), სადაც ნ i არის იონების კონცენტრაცია და ნ a არის ნეიტრალური ატომების კონცენტრაცია. თავისუფალი ელექტრონების კონცენტრაცია დაუმუხტავ პლაზმაში ნ e განისაზღვრება აშკარა მიმართებით: ნ e =<ზ> ნმე, სად<ზ> არის პლაზმის იონების საშუალო მუხტი.

დაბალტემპერატურულ პლაზმას ახასიათებს იონიზაციის დაბალი ხარისხი (1%-მდე). ვინაიდან ასეთი პლაზმები საკმაოდ ხშირად გამოიყენება ტექნოლოგიურ პროცესებში, მათ ზოგჯერ ტექნოლოგიურ პლაზმასაც უწოდებენ. ყველაზე ხშირად, ისინი იქმნება ელექტრული ველების გამოყენებით, რომლებიც აჩქარებენ ელექტრონებს, რაც თავის მხრივ იონიზებს ატომებს. ელექტრული ველები გაზში შეჰყავთ ინდუქციური ან ტევადობითი შეერთების გზით (იხ. ინდუქციურად შეწყვილებული პლაზმა). დაბალი ტემპერატურის პლაზმის ტიპიური გამოყენება მოიცავს ზედაპირის თვისებების პლაზმურ მოდიფიკაციას (ალმასის ფენები, ლითონის ნიტრიდაცია, დატენიანების მოდიფიკაცია), ზედაპირების პლაზმური ამონაწერი (ნახევარგამტარების ინდუსტრია), აირებისა და სითხეების გაწმენდა (წყლის ოზონაცია და ჭვარტლის ნაწილაკების წვა დიზელის ძრავებში). .

ცხელი პლაზმა თითქმის ყოველთვის მთლიანად იონიზებულია (იონიზაციის ხარისხი ~ 100%). ჩვეულებრივ, სწორედ ეს არის გაგებული, როგორც "მატერიის მეოთხე მდგომარეობა". ამის მაგალითია მზე.

სიმჭიდროვე

ტემპერატურის გარდა, რომელიც ფუნდამენტურია პლაზმის არსებობისთვის, პლაზმის მეორე ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისებაა მისი სიმკვრივე. კოლოკაცია პლაზმური სიმკვრივეჩვეულებრივ ნიშნავს ელექტრონის სიმკვრივე, ანუ თავისუფალი ელექტრონების რაოდენობა მოცულობის ერთეულზე (მკაცრად რომ ვთქვათ, აქ სიმკვრივეს უწოდებენ კონცენტრაციას - არა ერთეული მოცულობის მასას, არამედ ნაწილაკების რაოდენობას მოცულობის ერთეულზე). კვაზინეიტრალურ პლაზმაში იონის სიმკვრივედაკავშირებულია მას იონების საშუალო მუხტის რაოდენობის მეშვეობით: . შემდეგი მნიშვნელოვანი რაოდენობა არის ნეიტრალური ატომების სიმკვრივე. ცხელ პლაზმაში ის მცირეა, მაგრამ მაინც შეიძლება იყოს მნიშვნელოვანი პლაზმაში მიმდინარე პროცესების ფიზიკისთვის. მკვრივ, არაიდეალურ პლაზმაში პროცესების განხილვისას, დამახასიათებელი სიმკვრივის პარამეტრი ხდება , რომელიც განისაზღვრება, როგორც საშუალო ნაწილაკთაშორისი მანძილის თანაფარდობა ბორის რადიუსთან.

კვაზინეიტრალიტეტი

ვინაიდან პლაზმა ძალიან კარგი გამტარია, ელექტრული თვისებები მნიშვნელოვანია. პლაზმური პოტენციალიან სივრცის პოტენციალიეწოდება ელექტრული პოტენციალის საშუალო მნიშვნელობა სივრცის მოცემულ წერტილში. თუ რომელიმე სხეული შედის პლაზმაში, მისი პოტენციალი ზოგადად პლაზმურ პოტენციალზე ნაკლები იქნება დების ფენის გამოჩენის გამო. ამ პოტენციალს ე.წ მცურავი პოტენციალი. კარგი ელექტრული გამტარობის გამო, პლაზმა მიდრეკილია აკონტროლოს ყველა ელექტრული ველი. ეს იწვევს კვაზინეიტრალურობის ფენომენს - უარყოფითი მუხტების სიმკვრივე უდრის დადებითი მუხტების სიმკვრივეს კარგი სიზუსტით (). პლაზმის კარგი ელექტრული გამტარობის გამო, დადებითი და უარყოფითი მუხტების გამიჯვნა შეუძლებელია დებაის სიგრძეზე მეტ მანძილზე და პლაზმის რხევების პერიოდზე მეტ დროს.

არაკვაზინეიტრალური პლაზმის მაგალითია ელექტრონული სხივი. თუმცა, არანეიტრალური პლაზმების სიმკვრივე უნდა იყოს ძალიან მცირე, წინააღმდეგ შემთხვევაში ისინი სწრაფად იშლება კულონის მოგერიების გამო.

განსხვავებები აირისებრი მდგომარეობიდან

პლაზმას ხშირად უწოდებენ მატერიის მეოთხე მდგომარეობა. იგი განსხვავდება მატერიის სამი ნაკლებად ენერგიული აგრეგატული მდგომარეობისაგან, თუმცა გაზის ფაზის მსგავსია იმით, რომ მას არ აქვს კონკრეტული ფორმა ან მოცულობა. ჯერ კიდევ არსებობს კამათი იმის შესახებ, არის თუ არა პლაზმა აგრეგაციის ცალკეული მდგომარეობა, თუ უბრალოდ ცხელი გაზი. ფიზიკოსთა უმეტესობა თვლის, რომ პლაზმა გაზზე მეტია შემდეგი განსხვავებების გამო:

პლაზმის რთული ფენომენები

მიუხედავად იმისა, რომ მმართველი განტოლებები, რომლებიც აღწერს პლაზმის მდგომარეობებს, შედარებით მარტივია, ზოგიერთ სიტუაციაში ისინი ვერ ასახავს ადეკვატურად რეალური პლაზმის ქცევას: ასეთი ეფექტების გამოჩენა რთული სისტემების ტიპიური თვისებაა, თუ მარტივი მოდელები გამოიყენება მათ აღსაწერად. ყველაზე ძლიერი განსხვავება პლაზმის რეალურ მდგომარეობასა და მის მათემატიკურ აღწერას შორის შეიმჩნევა ეგრეთ წოდებულ სასაზღვრო ზონებში, სადაც პლაზმა გადადის ერთი ფიზიკური მდგომარეობიდან მეორეში (მაგალითად, იონიზაციის დაბალი ხარისხის მდგომარეობიდან მაღალ დონეზე. იონიზებული). აქ პლაზმის აღწერა შეუძლებელია მარტივი გლუვი მათემატიკური ფუნქციების ან ალბათური მიდგომის გამოყენებით. ისეთი ეფექტები, როგორიცაა პლაზმის ფორმის სპონტანური ცვლილებები, არის პლაზმის შემადგენელი დამუხტული ნაწილაკების ურთიერთქმედების სირთულის შედეგი. ასეთი ფენომენები საინტერესოა, რადგან ისინი მოულოდნელად ჩნდება და არ არის სტაბილური. ბევრი მათგანი თავდაპირველად შეისწავლეს ლაბორატორიებში და შემდეგ აღმოაჩინეს სამყაროში.

მათემატიკური აღწერა

პლაზმა შეიძლება აღწერილი იყოს დეტალების სხვადასხვა დონეზე. ჩვეულებრივ პლაზმა აღწერილია ელექტრომაგნიტური ველებისგან დამოუკიდებლად. გამტარ სითხისა და ელექტრომაგნიტური ველების ერთობლივი აღწერა მოცემულია მაგნიტოჰიდროდინამიკური ფენომენების თეორიაში ან MHD თეორიაში.

სითხის (თხევადი) მოდელი

სითხის მოდელში ელექტრონები აღწერილია სიმკვრივის, ტემპერატურისა და საშუალო სიჩქარის მიხედვით. მოდელი ეფუძნება: სიმკვრივის ბალანსის განტოლებას, იმპულსის კონსერვაციის განტოლებას და ელექტრონის ენერგიის ბალანსის განტოლებას. ორ სითხის მოდელში იონებს მკურნალობენ იმავე გზით.

კინეტიკური აღწერა

ზოგჯერ თხევადი მოდელი არ არის საკმარისი პლაზმის აღსაწერად. უფრო დეტალური აღწერა მოცემულია კინეტიკური მოდელით, რომელშიც პლაზმა აღწერილია ელექტრონების განაწილების ფუნქციის მიხედვით კოორდინატებზე და მომენტებზე. მოდელი დაფუძნებულია ბოლცმანის განტოლებაზე. ბოლცმანის განტოლება არ გამოიყენება კულონის ურთიერთქმედებით დამუხტული ნაწილაკების პლაზმის აღსაწერად, კულონის ძალების შორ მანძილზე მოქმედების გამო. ამიტომ, კულონის ურთიერთქმედების მქონე პლაზმის აღსაწერად გამოიყენება ვლასოვის განტოლება დატვირთული პლაზმის ნაწილაკებით შექმნილი თვითშეთანხმებული ელექტრომაგნიტური ველით. კინეტიკური აღწერა უნდა იქნას გამოყენებული თერმოდინამიკური წონასწორობის არარსებობის ან პლაზმის ძლიერი არაჰომოგენურობის არსებობისას.

ნაწილაკი უჯრედში (ნაწილაკი უჯრედში)

ნაწილაკების უჯრედში მოდელები უფრო დეტალურია, ვიდრე კინეტიკური მოდელები. ისინი აერთიანებენ კინეტიკურ ინფორმაციას ცალკეული ნაწილაკების დიდი რაოდენობით ტრაექტორიების თვალყურის დევნებით. ელექტრული მუხტი და დენის სიმკვრივე განისაზღვრება უჯრედებში ნაწილაკების რაოდენობის შეჯამებით, რომლებიც მცირეა განხილულ პრობლემასთან შედარებით, მაგრამ მაინც შეიცავს ნაწილაკების დიდ რაოდენობას. ელექტრული და მაგნიტური ველები გვხვდება უჯრედის საზღვრებში მუხტისა და დენის სიმკვრივისგან.

პლაზმის ძირითადი მახასიათებლები

ყველა რაოდენობა მოცემულია გაუსის CGS ერთეულებში, გარდა ტემპერატურისა, რომელიც მოცემულია eV-ში და იონის მასაში, რომელიც მოცემულია პროტონული მასის ერთეულებში; ზ- გადასახადის ნომერი; კ- ბოლცმანის მუდმივი; TO- ტალღის სიგრძე; γ - ადიაბატური ინდექსი; ln Λ - კულონის ლოგარითმი.

სიხშირეები

• ელექტრონის ლარმორის სიხშირე, ელექტრონის წრიული მოძრაობის კუთხური სიხშირე მაგნიტური ველის პერპენდიკულარულ სიბრტყეში:

• იონის ლარმორის სიხშირე, იონის წრიული მოძრაობის კუთხური სიხშირე მაგნიტური ველის პერპენდიკულარულ სიბრტყეში:

• პლაზმური სიხშირე(პლაზმის რხევის სიხშირე), სიხშირე, რომლითაც ელექტრონები მოძრაობენ წონასწორობის პოზიციის ირგვლივ და გადაადგილდებიან იონების მიმართ:

• იონური პლაზმის სიხშირე:

• ელექტრონების შეჯახების სიხშირე

• იონის შეჯახების სიხშირე

სიგრძეები

• დე ბროლის ელექტრონული ტალღის სიგრძე, ელექტრონის ტალღის სიგრძე კვანტურ მექანიკაში:

• მინიმალური მიახლოების მანძილი კლასიკურ შემთხვევაში, მინიმალური მანძილი, რომლითაც ორი დამუხტული ნაწილაკი შეიძლება მიუახლოვდეს ერთმანეთს თავდაპირველი შეჯახებისას და საწყისი სიჩქარე, რომელიც შეესაბამება ნაწილაკების ტემპერატურას, უგულებელყოფს კვანტურ მექანიკურ ეფექტებს:

• ელექტრონული გირომაგნიტური რადიუსი, ელექტრონის წრიული მოძრაობის რადიუსი მაგნიტური ველის პერპენდიკულარულ სიბრტყეში:

• იონური გირომაგნიტური რადიუსი, იონის წრიული მოძრაობის რადიუსი მაგნიტური ველის პერპენდიკულარულ სიბრტყეში:

• პლაზმური კანის ფენის ზომამანძილი, რომლითაც ელექტრომაგნიტურ ტალღებს შეუძლია შეაღწიოს პლაზმაში:

• Debye რადიუსი (Debye სიგრძე), მანძილი, რომელზედაც ელექტრული ველები იკვეთება ელექტრონების გადანაწილების გამო:

სიჩქარეები

• თერმული ელექტრონის სიჩქარემაქსველის განაწილების ქვეშ ელექტრონების სიჩქარის შეფასების ფორმულა. საშუალო სიჩქარე, ყველაზე სავარაუდო სიჩქარე და ფესვის საშუალო კვადრატული სიჩქარე განსხვავდება ამ გამოსახულებისგან მხოლოდ ერთიანობის რიგის ფაქტორებით:

• თერმული იონის სიჩქარემაქსველის განაწილების ქვეშ იონის სიჩქარის შეფასების ფორმულა:

• იონის ხმის სიჩქარეგრძივი იონ-ბგერითი ტალღების სიჩქარე:

• ალვენის სიჩქარეალფვენის ტალღების სიჩქარე:

განზომილებიანი რაოდენობები

• ელექტრონის და პროტონის მასების თანაფარდობის კვადრატული ფესვი:

• ნაწილაკების რაოდენობა Debye სფეროში:

• ალფვენური სიჩქარის თანაფარდობა სინათლის სიჩქარესთან

• პლაზმისა და ლარმორის სიხშირეების თანაფარდობა ელექტრონისთვის

• პლაზმისა და ლარმორის სიხშირეების თანაფარდობა იონისთვის

• თერმული და მაგნიტური ენერგიის თანაფარდობა

• მაგნიტური ენერგიის თანაფარდობა იონის დასვენების ენერგიასთან

სხვა

• ბოჰმური დიფუზიის კოეფიციენტი

• სპიცერის გვერდითი წინააღმდეგობა

მატერიის აგრეგატული მდგომარეობა.

მატერიის აგრეგატული მდგომარეობები, ერთი და იგივე ნივთიერების მდგომარეობები, რომელთა შორის გადასვლას თან ახლავს მისი თავისუფალი ენერგიის, ენტროპიის, სიმკვრივისა და სხვა ფიზიკური თვისებების მკვეთრი ცვლილება. ყველა
ნივთიერებები (გარკვეული გამონაკლისებით) შეიძლება არსებობდეს აგრეგაციის სამ მდგომარეობაში - მყარი, თხევადი და აირისებრი. ამრიგად, წყალი ნორმალური წნევით p = 10 l 325 Pa = 760 mm Hg და t = 00 C ტემპერატურაზე კრისტალიზდება ყინულში, ხოლო 100 ° C ტემპერატურაზე დუღდება და იქცევა ორთქლად. პლაზმა ხშირად განიხილება მატერიის მეოთხე მდგომარეობად. მატერიის სხვა საერთო მდგომარეობებისგან განსხვავებით, პლაზმა არის დამუხტული ნაწილაკების (იონები, ელექტრონები) გაზი, რომლებიც ელექტრულად ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან დიდ მანძილზე.

რა არის პლაზმა?

პლაზმა - ნაწილობრივ ან სრულად იონიზებული გაზი, რომელშიც დადებითი და უარყოფითი მუხტების სიმკვრივე თითქმის თანაბარია. ლაბორატორიულ პირობებში, პლაზმა წარმოიქმნება გაზში ელექტრული გამონადენის დროს, წვის და აფეთქების პროცესებში. ტერმინი „პლაზმა“ ფიზიკაში შემოიღეს 1929 წელს ამერიკელმა მეცნიერებმა I. Langmuir-მა და L. Tonks-მა. ასიათასობით და მილიონ გრადუსამდე ტემპერატურამდე გაცხელებული ნივთიერება ვეღარ შედგება ჩვეულებრივი ნეიტრალური ატომებისგან. ასეთ მაღალ ტემპერატურაზე ატომები ისეთი ძალით ეჯახებიან ერთმანეთს, რომ ხელუხლებელი ვერ დარჩებიან. ზემოქმედების დროს ატომები იყოფა პატარა კომპონენტებად - ატომის ბირთვებად და ელექტრონებად. ეს ნაწილაკები დაჯილდოებულია ელექტრული მუხტით: ელექტრონები უარყოფითია, ბირთვები კი დადებითი. ამ ნაწილაკების ნარევი, ე.წ პლაზმური არის მატერიის თავისებური მდგომარეობა, რომელიც თვისებებით ძალიან განსხვავდება შედარებით ცივი აირისგან. ფიზიკაში პლაზმა გაგებულია, როგორც გაზი, რომელიც შედგება ელექტრულად დამუხტული და ნეიტრალური ნაწილაკებისგან, რომელშიც მთლიანი ელექტრული მუხტი ნულის ტოლია, ანუ პირობა დაკმაყოფილებულია. კვაზინეიტრალიტეტი . პლაზმის შემადგენელი სხვადასხვა ტიპის ნაწილაკების საშუალო კინეტიკური ენერგია შეიძლება განსხვავებული იყოს. ამიტომ, ზოგად შემთხვევაში, პლაზმას ახასიათებს არა ერთი ტემპერატურული მნიშვნელობა, არამედ რამდენიმე - განასხვავებენ ელექტრონულ ტემპერატურას T e, იონის ტემპერატურას T i და ნეიტრალური ატომების T a ტემპერატურას. პლაზმა იონის ტემპერატურით T i< 10 5 К называют низкотемпературной, а с Т i >10 6 K – მაღალი ტემპერატურა. მაღალი ტემპერატურის პლაზმა არის CTS კვლევის მთავარი ობიექტი. დაბალი ტემპერატურის პლაზმა გამოიყენება გაზის გამონადენი სინათლის წყაროებში და გაზის ლაზერებში.

პლაზმის რამდენიმე თვისება.

ვ იონიზაციის ხარისხი

იონიზაციის ხარისხი განისაზღვრება, როგორც იონიზებული ნაწილაკების რაოდენობის თანაფარდობა ნაწილაკების საერთო რაოდენობასთან. დაბალი ტემპერატურის პლაზმას ახასიათებს იონიზაციის დაბალი ხარისხი (<1%). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в პლაზმური ტექნოლოგიებიმათ ზოგჯერ უწოდებენ ტექნოლოგიური პლაზმა. ყველაზე ხშირად, ისინი იქმნება ელექტრული ველების გამოყენებით, რომლებიც აჩქარებენ ელექტრონებს, რაც თავის მხრივ იონიზებს ატომებს. ელექტრული ველები გაზში შეჰყავთ ინდუქციური ან ტევადობითი შეერთების გზით. დაბალი ტემპერატურის პლაზმების ტიპიური გამოყენება მოიცავს ზედაპირის თვისებების პლაზმურ მოდიფიკაციას, ზედაპირების პლაზმური ოქროვას (ნახევარგამტარების ინდუსტრია), აირების და სითხეების გაწმენდას (წყლის ოზონაცია და ჭვარტლის ნაწილაკების წვა დიზელის ძრავებში). ცხელი პლაზმათითქმის ყოველთვის მთლიანად იონიზირებულია (იონიზაციის ხარისხი ~100%). ჩვეულებრივ, მათ ესმით, როგორც "მატერიის მეოთხე მდგომარეობა". ამის მაგალითია მზე.

ვ სიმჭიდროვე

ტემპერატურის გარდა, რომელიც ფუნდამენტურია პლაზმის არსებობისთვის, პლაზმის მეორე ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისებაა მისი სიმკვრივე. სიტყვა პლაზმური სიმკვრივეჩვეულებრივ ნიშნავს ელექტრონის სიმკვრივე, ე.ი. თავისუფალი ელექტრონების რაოდენობა მოცულობის ერთეულზე (მკაცრად რომ ვთქვათ, აქ სიმკვრივეს უწოდებენ კონცენტრაციას - არა ერთეული მოცულობის მასას, არამედ ნაწილაკების რაოდენობას მოცულობის ერთეულზე). იონის სიმკვრივედაკავშირებულია მას იონების საშუალო მუხტის რაოდენობის მეშვეობით. შემდეგი მნიშვნელოვანი რაოდენობა არის ნეიტრალური ატომების სიმკვრივე ნ 0 . ცხელ პლაზმაში ნ 0 მცირეა, მაგრამ მაინც შეიძლება იყოს მნიშვნელოვანი პლაზმაში მიმდინარე პროცესების ფიზიკისთვის.

ვ კვაზინეიტრალიტეტი

ვინაიდან პლაზმა ძალიან კარგი გამტარია, ელექტრული თვისებები მნიშვნელოვანია. პლაზმური პოტენციალიან სივრცის პოტენციალიეწოდება ელექტრული პოტენციალის საშუალო მნიშვნელობა სივრცის მოცემულ წერტილში. თუ რომელიმე სხეული შედის პლაზმაში, მისი პოტენციალი ზოგადად პლაზმურ პოტენციალზე ნაკლები იქნება დების ფენის გამოჩენის გამო. ამ პოტენციალს ე.წ მცურავი პოტენციალი. კარგი ელექტრული გამტარობის გამო, პლაზმა მიდრეკილია აკონტროლოს ყველა ელექტრული ველი. ეს იწვევს კვაზინეიტრალურობის ფენომენს - უარყოფითი მუხტების სიმკვრივე კარგი სიზუსტით უდრის დადებითი მუხტების სიმკვრივეს. პლაზმის კარგი ელექტრული გამტარობის გამო, დადებითი და უარყოფითი მუხტების გამიჯვნა შეუძლებელია დებაის სიგრძეზე მეტ მანძილზე და პლაზმის რხევების პერიოდზე მეტ დროს. არაკვაზინეიტრალური პლაზმის მაგალითია ელექტრონული სხივი. თუმცა, არანეიტრალური პლაზმების სიმკვრივე უნდა იყოს ძალიან მცირე, წინააღმდეგ შემთხვევაში ისინი სწრაფად იშლება კულონის მოგერიების გამო.

პლაზმის მიღება.

გაზის პლაზმურ მდგომარეობაში გადაქცევისთვის, თქვენ უნდა ამოიღოთ ატომებიდან ელექტრონების მინიმუმ ნაწილი, გადააქციოთ ეს ატომები იონებად. ატომებისგან ამ განცალკევებას იონიზაცია ეწოდება. ბუნებაში და ტექნოლოგიაში, იონიზაცია შეიძლება განხორციელდეს სხვადასხვა გზით. მათგან ყველაზე გავრცელებული:

იონიზაცია თერმული ენერგიით

· იონიზაცია ელექტრული გამონადენით.

· იონიზაცია წნევით.

· იონიზაცია ლაზერული გამოსხივებით.

პლაზმის გამოყენება.

პლაზმა ყველაზე ფართოდ გამოიყენება განათების ტექნოლოგიაში - გაზგამშვებ ნათურებში, რომლებიც ანათებენ ქუჩებს. საღამოს ქალაქის ქუჩებში სეირნობისას, ჩვენ აღფრთოვანებული ვართ განათებული რეკლამებით, არ ვიფიქროთ, რომ ისინი ანათებენ ნეონის ან არგონის პლაზმით. ჩვენ ვიყენებთ ფლუორესცენტურ ნათურებს. ნებისმიერს, ვისაც ელექტრულ ქსელში მოკლე ჩართვის გამოწვევის "სიამოვნება" ჰქონდა, პლაზმას წააწყდა. მავთულხლართებს შორის გადახტა ნაპერწკალი შედგება ჰაერში ელექტრული გამონადენის პლაზმისგან. ელექტრული შედუღების რკალი ასევე არის პლაზმური. საკმარისად მაღალ ტემპერატურაზე გაცხელებული ნებისმიერი ნივთიერება პლაზმად იქცევა. ეს ყველაზე ადვილად ხდება ტუტე ლითონების ორთქლებთან, როგორიცაა ნატრიუმი, კალიუმი და ცეზიუმი. ნორმალურ ცეცხლს აქვს გარკვეული თბოგამტარობა; ის, თუმცა სუსტი ხარისხით, იონიზებულია, ანუ არის პლაზმა. ამ გამტარობის მიზეზი ნატრიუმის უმნიშვნელო ნაზავია, რომლის ამოცნობა შესაძლებელია მისი ყვითელი ბზინვით. გაზის სრულად იონიზაციისთვის საჭიროა ათიათასობით გრადუსის ტემპერატურა. გარდა ამისა, პლაზმა გამოიყენება გაზის გამონადენის მრავალფეროვან მოწყობილობებში: ელექტრული დენის გამასწორებლები, ძაბვის სტაბილიზატორები, პლაზმური გამაძლიერებლები და მიკროტალღური გენერატორები, კოსმოსური ნაწილაკების მრიცხველები. ყველა ეგრეთ წოდებული გაზის ლაზერი (ჰელიუმ-ნეონი, კრიპტონი, ნახშირორჟანგი და ა.შ.) სინამდვილეში პლაზმაა: მათში არსებული აირის ნარევები იონიზირებულია ელექტრული გამონადენით. პლაზმისთვის დამახასიათებელ თვისებებს ფლობენ მეტალში გამტარ ელექტრონები (კრისტალურ ბადეში მყარად დამაგრებული იონები ანეიტრალებენ მათ მუხტს), თავისუფალ ელექტრონებსა და მოძრავ „ხვრელებს“ (ვაკანსიებს) ნახევარგამტარებში. ამიტომ ასეთ სისტემებს ე.წ მყარი ნივთიერებების პლაზმა. გაზის პლაზმა ჩვეულებრივ იყოფა დაბალი ტემპერატურა - 100 ათას გრადუსამდე და მაღალი ტემპერატურა - 100 მილიონ გრადუსამდე. არსებობს დაბალტემპერატურული პლაზმის გენერატორები - პლაზმატრონები, რომლებიც იყენებენ ელექტრო რკალს. პლაზმური ჩირაღდნის გამოყენებით შეგიძლიათ გაცხელოთ თითქმის ნებისმიერი გაზი 7000-10000 გრადუსამდე წამის მეასედში და მეათასედში. პლაზმატრონის შექმნით წარმოიშვა მეცნიერების ახალი დარგი - პლაზმური ქიმია: მრავალი ქიმიური რეაქცია აჩქარებულია ან ხდება მხოლოდ პლაზმის ჭავლით. პლაზმატრონები გამოიყენება სამთო მრეწველობაში და ლითონების დასაჭრელად. ასევე შეიქმნა პლაზმური ძრავები და მაგნიტოჰიდროდინამიკური ელექტროსადგურები. მუშავდება დამუხტული ნაწილაკების პლაზმური აჩქარების სხვადასხვა სქემა. პლაზმის ფიზიკის ცენტრალური პრობლემა არის კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის პრობლემა. თერმობირთვული რეაქციები არის უფრო მძიმე ბირთვების სინთეზი მსუბუქი ელემენტების ბირთვებიდან (პირველ რიგში წყალბადის იზოტოპები - დეიტერიუმი D და ტრიტიუმი T), რომელიც ხდება ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე. ბუნებრივ პირობებში მზეზე თერმობირთვული რეაქციები ხდება: წყალბადის ბირთვები ერთმანეთს ერწყმის ჰელიუმის ბირთვების წარმოქმნით, რაც ათავისუფლებს ენერგიის მნიშვნელოვან რაოდენობას. ხელოვნური თერმობირთვული შერწყმის რეაქცია ჩატარდა წყალბადის ბომბში.

სხეულის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ქსოვილია სისხლი, რომელიც შედგება თხევადი ნაწილისგან, წარმოქმნილი ელემენტებისა და მასში გახსნილი ნივთიერებებისგან. ნივთიერების პლაზმური შემცველობა არის დაახლოებით 60%. სითხე გამოიყენება შრატების მოსამზადებლად სხვადასხვა დაავადების პროფილაქტიკისა და მკურნალობისთვის, ანალიზის შედეგად მიღებული მიკროორგანიზმების იდენტიფიკაციისთვის და ა.შ. სისხლის პლაზმა ვაქცინაზე უფრო ეფექტურია და ასრულებს ბევრ ფუნქციას: ცილები და მის შემადგენლობაში შემავალი სხვა ნივთიერებები სწრაფად ანეიტრალებს პათოგენურ მიკროორგანიზმებს. და მათი დაშლის პროდუქტები, რაც ხელს უწყობს პასიური იმუნიტეტის ჩამოყალიბებას.

რა არის სისხლის პლაზმა

ნივთიერება არის წყალი ცილებით, გახსნილი მარილებით და სხვა ორგანული კომპონენტებით. თუ მას მიკროსკოპით დააკვირდებით, დაინახავთ გამჭვირვალე (ან ოდნავ მოღრუბლულ) სითხეს მოყვითალო ელფერით. იგი გროვდება სისხლძარღვების ზედა ნაწილში წარმოქმნილი ნაწილაკების დეპონირების შემდეგ. ბიოლოგიური სითხე არის სისხლის თხევადი ნაწილის უჯრედშორისი ნივთიერება. ჯანმრთელ ადამიანში ცილების დონე მუდმივად ერთ დონეზეა შენარჩუნებული, მაგრამ იმ ორგანოების დაავადების შემთხვევაში, რომლებიც მონაწილეობენ სინთეზსა და კატაბოლიზმში, იცვლება ცილების კონცენტრაცია.

რას ჰგავს

სისხლის თხევადი ნაწილი არის სისხლის ნაკადის უჯრედშორისი ნაწილი, რომელიც შედგება წყლის, ორგანული და მინერალური ნივთიერებებისგან. როგორ გამოიყურება პლაზმა სისხლში? მას შეიძლება ჰქონდეს გამჭვირვალე ფერი ან ყვითელი ელფერი, რაც გამოწვეულია ნაღვლის პიგმენტის ან სხვა ორგანული კომპონენტების სითხეში შეღწევით. ცხიმიანი საკვების მიღების შემდეგ, სისხლის თხევადი ფუძე ოდნავ დაბინდულია და შეიძლება ოდნავ შეიცვალოს კონსისტენცია.

ნაერთი

ბიოლოგიური სითხის ძირითადი ნაწილი წყალია (92%). რა შედის პლაზმაში, გარდა ამისა:

• ცილები;
• ამინომჟავები;
• ფერმენტები;
• გლუკოზა;
• ჰორმონები;
• ცხიმის მსგავსი ნივთიერებები, ცხიმები (ლიპიდები);
• მინერალები.

ადამიანის სისხლის პლაზმა შეიცავს რამდენიმე სხვადასხვა ტიპის ცილებს. მთავარია:

1. ფიბრინოგენი (გლობულინი). პასუხისმგებელია სისხლის შედედებაზე და მნიშვნელოვან როლს ასრულებს თრომბის წარმოქმნა/დაშლის პროცესში. ფიბრინოგენის გარეშე თხევად ნივთიერებას შრატი ეწოდება. როდესაც ამ ნივთიერების რაოდენობა იზრდება, ვითარდება გულ-სისხლძარღვთა დაავადებები.
2. ალბუმინი. შეადგენს პლაზმის მშრალი ნარჩენების ნახევარზე მეტს. ალბუმინები წარმოიქმნება ღვიძლის მიერ და ასრულებს კვების და სატრანსპორტო დავალებებს. ამ ტიპის ცილის შემცირებული დონე მიუთითებს ღვიძლის პათოლოგიის არსებობაზე.
3. გლობულინები. ნაკლებად ხსნადი ნივთიერებები, რომლებიც ასევე წარმოიქმნება ღვიძლის მიერ. გლობულინების ფუნქცია დამცავია. გარდა ამისა, ისინი არეგულირებენ სისხლის შედედებას და ნივთიერებების ტრანსპორტირებას ადამიანის ორგანიზმში. ალფა გლობულინები, ბეტა გლობულინები, გამა გლობულინები პასუხისმგებელნი არიან ამა თუ იმ კომპონენტის მიწოდებაზე. მაგალითად, პირველი აწვდის ვიტამინებს, ჰორმონებს და მიკროელემენტებს, სხვები კი პასუხისმგებელნი არიან იმუნური პროცესების გააქტიურებაზე, ქოლესტერინის, რკინის ტრანსპორტირებაზე და ა.შ.

სისხლის პლაზმის ფუნქციები

პროტეინები ასრულებენ რამდენიმე მნიშვნელოვან ფუნქციას ორგანიზმში, რომელთაგან ერთ-ერთი არის კვების: სისხლის უჯრედები ითვისებენ ცილებს და ანადგურებენ მათ სპეციალური ფერმენტების მეშვეობით, რაც ნივთიერებებს უკეთესად შეიწოვება. ბიოლოგიური ნივთიერება შედის კონტაქტში ორგანოს ქსოვილებთან ექსტრავასკულარული სითხეების მეშვეობით, რითაც ინარჩუნებს ყველა სისტემის ნორმალურ ფუნქციონირებას - ჰომეოსტაზს. პლაზმის ყველა ფუნქცია განისაზღვრება ცილების მოქმედებით:

1. ტრანსპორტი. ამ ბიოლოგიური სითხის წყალობით ხდება საკვები ნივთიერებების ქსოვილებსა და ორგანოებში გადატანა. პროტეინის თითოეული ტიპი პასუხისმგებელია კონკრეტული კომპონენტის ტრანსპორტირებაზე. ასევე მნიშვნელოვანია ცხიმოვანი მჟავების, სამკურნალო აქტიური ნივთიერებების ტრანსპორტირება და ა.შ.
2. ოსმოსური არტერიული წნევის სტაბილიზაცია. სითხე ინარჩუნებს ნივთიერებების ნორმალურ მოცულობას უჯრედებსა და ქსოვილებში. შეშუპების გაჩენა აიხსნება ცილების შემადგენლობის დარღვევით, რაც იწვევს სითხის გადინების დარღვევას.
3. დამცავი ფუნქცია. სისხლის პლაზმის თვისებები ფასდაუდებელია: ის მხარს უჭერს ადამიანის იმუნური სისტემის ფუნქციონირებას. სისხლის პლაზმიდან სითხე შეიცავს ელემენტებს, რომლებსაც შეუძლიათ უცხო ნივთიერებების აღმოჩენა და აღმოფხვრა. ეს კომპონენტები აქტიურდება, როდესაც ჩნდება ანთების ფოკუსი და იცავს ქსოვილებს განადგურებისგან.
4. სისხლის შედედება. ეს არის პლაზმის ერთ-ერთი მთავარი ამოცანა: ბევრი ცილა მონაწილეობს სისხლის შედედების პროცესში, რაც ხელს უშლის მის მნიშვნელოვან დაკარგვას. გარდა ამისა, სითხე არეგულირებს სისხლის ანტიკოაგულანტულ ფუნქციას და პასუხისმგებელია თრომბოციტების კონტროლის გზით სისხლის შედედების პრევენციასა და დაშლაზე. ამ ნივთიერებების ნორმალური დონე აუმჯობესებს ქსოვილების რეგენერაციას.
5. მჟავა-ტუტოვანი ბალანსის ნორმალიზება. პლაზმის წყალობით ორგანიზმი ინარჩუნებს ნორმალურ pH დონეს.

რატომ ხდება სისხლის პლაზმის ინფუზია?

მედიცინაში გადასხმა ხშირად ხდება არა მთლიანი სისხლით, არამედ მისი სპეციფიკური კომპონენტებით და პლაზმით. იგი მიიღება ცენტრიფუგირებით, ანუ თხევადი ნაწილის გამოყოფით წარმოქმნილი ელემენტებისაგან, რის შემდეგაც სისხლის უჯრედები უბრუნდება იმ ადამიანს, ვინც დათანხმდა დონორობას. აღწერილ პროცედურას დაახლოებით 40 წუთი სჭირდება და მისი განსხვავება სტანდარტული ტრანსფუზიისგან არის ის, რომ დონორი განიცდის მნიშვნელოვნად ნაკლებ სისხლს, ამიტომ ტრანსფუზია პრაქტიკულად არ მოქმედებს მის ჯანმრთელობაზე.

თერაპიული მიზნებისთვის გამოყენებული შრატი მიიღება ბიოლოგიური ნივთიერებისგან. ეს ნივთიერება შეიცავს ყველა ანტისხეულს, რომელსაც შეუძლია წინააღმდეგობა გაუწიოს პათოგენურ მიკროორგანიზმებს, მაგრამ თავისუფლდება ფიბრინოგენისგან. გამჭვირვალე სითხის მისაღებად სტერილურ სისხლს ათავსებენ თერმოსტატში, რის შემდეგაც მშრალ ნარჩენს აცლიან მილის კედლებიდან და 24 საათის განმავლობაში აჩერებენ ცივში. ამის შემდეგ დასახლებულ შრატს ასხამენ სტერილურ ჭურჭელში პასტერის პიპეტის გამოყენებით.

პლაზმაარის უაღრესად იონიზირებული გაზი, რომელშიც დადებითი და უარყოფითი მუხტების კონცენტრაცია თითქმის თანაბარია. გამოარჩევენ მაღალი ტემპერატურის პლაზმა,ხდება ულტრა მაღალ ტემპერატურაზე და გაზის გამონადენი პლაზმა,ხდება გაზის გამონადენის დროს. პლაზმა ხასიათდება იონიზაციის ხარისხი - იონიზებული ნაწილაკების რაოდენობის თანაფარდობა მათ საერთო რაოდენობასთან პლაზმის მოცულობის ერთეულზე. -ის მნიშვნელობიდან გამომდინარე ვსაუბრობთ სუსტი( არის პროცენტის წილადი), ზომიერად( - რამდენიმე პროცენტი) და სრულად( ახლოს 100%) იონიზებული პლაზმა.

გაზის გამომშვები პლაზმის დამუხტულ ნაწილაკებს (ელექტრონები, იონები), რომლებიც აჩქარებულ ელექტრულ ველში არიან, აქვთ სხვადასხვა საშუალო კინეტიკური.

ენერგია. ეს ნიშნავს, რომ ტემპერატურა თ ე ერთი ელექტრონული გაზი და ერთი იონური გაზი თდა - განსხვავებული და თ ე >ტდა . ამ ტემპერატურებს შორის შეუსაბამობა მიუთითებს იმაზე, რომ გაზის გამონადენი პლაზმა არის არათანაბარი,ამიტომაც ეძახიან არა იზოთერმული.დატვირთული ნაწილაკების რაოდენობის შემცირება გაზის გამონადენის პლაზმაში რეკომბინაციის პროცესის დროს კომპენსირდება ელექტრული ველის მიერ აჩქარებული ელექტრონების მიერ ზემოქმედების იონიზაციით. ელექტრული ველის შეწყვეტა იწვევს გაზის გამონადენის პლაზმის გაქრობას.

მაღალი ტემპერატურის პლაზმა არის წონასწორობა,ან იზოთერმული,ანუ გარკვეულ ტემპერატურაზე დამუხტული ნაწილაკების რაოდენობის შემცირება თერმული იონიზაციის შედეგად ივსება. ასეთ პლაზმაში შეინიშნება პლაზმის შემადგენელი სხვადასხვა ნაწილაკების საშუალო კინეტიკური ენერგიის თანასწორობა. ვარსკვლავები, ვარსკვლავური ატმოსფერო და მზე ასეთ პლაზმურ მდგომარეობაში არიან. მათი ტემპერატურა ათობით მილიონ გრადუსს აღწევს.

პლაზმის არსებობის პირობა არის დამუხტული ნაწილაკების გარკვეული მინიმალური სიმკვრივე, საიდანაც შეგვიძლია ვისაუბროთ პლაზმაზე, როგორც ასეთზე. ეს სიმკვრივე განისაზღვრება პლაზმის ფიზიკაში უთანასწორობიდან L>>D,სად ლ- დამუხტული ნაწილაკების სისტემის წრფივი ზომა, დ- ე.წ Debye სკრინინგის რადიუსი,რაც არის მანძილი, რომელზედაც სკრინინგდება ნებისმიერი პლაზმური მუხტის კულონის ველი.

პლაზმას აქვს შემდეგი ძირითადი თვისებები: აირის იონიზაციის მაღალი ხარისხი, ლიმიტში - სრული იონიზაცია; შედეგად მიღებული კოსმოსური მუხტი ნულის ტოლია (პლაზმაში დადებითი და უარყოფითი ნაწილაკების კონცენტრაცია თითქმის ერთნაირია); მაღალი ელექტრული გამტარობა და პლაზმაში დენი იქმნება ძირითადად ელექტრონებით, როგორც ყველაზე მოძრავი ნაწილაკებით; ბზინვარება; ძლიერი ურთიერთქმედება ელექტრულ და მაგნიტურ ველებთან; პლაზმაში ელექტრონების რხევები მაღალი სიხშირით (~=10 8 ჰც), რაც იწვევს პლაზმის ზოგად ვიბრაციულ მდგომარეობას; "კოლექტიური" - ერთდროული ორმხრივი

დიდი რაოდენობით ნაწილაკების მოქმედებით (ჩვეულებრივ აირებში ნაწილაკები ერთმანეთთან ურთიერთქმედებენ წყვილებში). ეს თვისებები განსაზღვრავს პლაზმის თვისობრივ უნიკალურობას, რაც საშუალებას გვაძლევს განვიხილოთ იგი მატერიის განსაკუთრებული, მეოთხე მდგომარეობა.

პლაზმის ფიზიკური თვისებების შესწავლა საშუალებას იძლევა, ერთის მხრივ, გადაჭრას ასტროფიზიკის მრავალი პრობლემა, რადგან კოსმოსში პლაზმა მატერიის ყველაზე გავრცელებული მდგომარეობაა და, მეორე მხრივ, ხსნის კონტროლირებადი განხორციელების ფუნდამენტურ შესაძლებლობებს. თერმობირთვული შერწყმა. კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის კვლევის მთავარი ობიექტია დეიტერიუმის და ტრიტიუმის მაღალი ტემპერატურის პლაზმა (~=10 8 K) (იხ. § 268).

დაბალი ტემპერატურის პლაზმა (< 10 5 К) применяется в газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) - установках для не­посредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, в плазменных ракетных двигателях, весьма перспектив­ных для длительных космических поле­тов.

პლაზმურ ჩირაღდნებში წარმოებული დაბალი ტემპერატურის პლაზმა გამოიყენება ლითონების დასაჭრელად და შესადუღებლად, გარკვეული ქიმიური ნაერთების წარმოებისთვის (მაგალითად, ინერტული აირის ჰალოიდები), რომელთა მიღება შეუძლებელია სხვა მეთოდებით და ა.შ.

უსაფრთხოების კითხვები

რა ექსპერიმენტები ჩატარდა ლითონებში ელექტრული დენის მატარებლების ბუნების გასარკვევად?

რა არის დრუდ-ლორენცის თეორიის ძირითადი იდეები?

შეადარეთ ელექტრონების თერმული და მოწესრიგებული მოძრაობის საშუალო სიჩქარის თანმიმდევრობა მეტალებში (ნორმასთან ახლოს და ელექტროტექნიკაში მისაღებ პირობებში).

რატომ არ შეუძლია ელექტრონების თერმული მოძრაობა წარმოქმნას ელექტრული დენი?

ლითონების ელექტრული გამტარობის კლასიკურ თეორიაზე დაყრდნობით გამოიტანეთ Ohm-ისა და Joule-Lenz-ის კანონების დიფერენციალური ფორმა.

როგორ ხსნის ლითონების ელექტრული გამტარობის კლასიკური თეორია ლითონების წინააღმდეგობის ტემპერატურაზე დამოკიდებულებას?

რა სირთულეებს წარმოადგენს ლითონების ელექტრული გამტარობის ელემენტარული კლასიკური თეორია? რა არის მისი გამოყენების საზღვრები?

რა არის ელექტრონის სამუშაო ფუნქცია და რა იწვევს მას? რაზეა ეს დამოკიდებული?

რა ტიპის ემისიის ფენომენები არსებობს? მიეცით მათი განმარტებები.

ახსენით ვაკუუმ დიოდისთვის დენის ძაბვის მახასიათებელი.

შესაძლებელია თუ არა ვაკუუმ დიოდის გაჯერების დენის შეცვლა? თუ ასეა, როგორ?

როგორ შეიძლება ელექტრონების ამოღება ცივი კათოდიდან? რა ჰქვია ამ ფენომენს?

მიეცით ახსნა დიელექტრიკის მეორადი ელექტრონის გამოსხივების კოეფიციენტის თვისებრივი დამოკიდებულების შესახებ ინციდენტის ელექტრონების ენერგიაზე.

აღწერეთ იონიზაციის პროცესი; რეკომბინაცია.

რა განსხვავებაა თვითმდგრადი გაზის გამონადენსა და არათვითმდგრადს შორის? რა პირობებია საჭირო მისი არსებობისთვის?

შეიძლება თუ არა გაჯერების დენი წარმოიქმნას გაზის თვითშენარჩუნებული გამონადენის დროს?

აღწერეთ დამოუკიდებელი გაზის გამონადენის ტიპები. რა არის მათი თვისებები?

რა ტიპის გაზის გამონადენი არის ელვა?

რა განსხვავებაა წონასწორობის პლაზმასა და არათანაბარი პლაზმას შორის?

მიეცით პლაზმის ძირითადი თვისებები. რა არის მისი გამოყენების შესაძლებლობები?

ამოცანები

13.1. გამტარი ელექტრონების კონცენტრაცია მეტალში არის 2,5 10 22 სმ -3. განსაზღვრეთ მათი მოწესრიგებული მოძრაობის საშუალო სიჩქარე დენის სიმკვრივით 1 ა/მმ 2.

13.2. ვოლფრამის ელექტრონის მუშაობის ფუნქციაა 4,5 ევ. დაადგინეთ რამდენჯერ გაიზრდება გაჯერების დენის სიმკვრივე, როდესაც ტემპერატურა იზრდება 2000-დან 2500 კ-მდე. [290-ჯერ]

13.3. ლითონისგან ელექტრონის მუშაობის ფუნქციაა 2,5 ევ. დაადგინეთ მეტალისგან გამომავალი ელექტრონის სიჩქარე, თუ მას აქვს 10 -1 8 ჯ ენერგია.

13.4. პარალელური ფირფიტის კონდენსატორის ფირფიტებს შორის ჰაერი იონიზებულია რენტგენის სხივებით. ფირფიტებს შორის დენი გადის 10 μA. თითოეული კონდენსატორის ფირფიტის ფართობია 200 სმ 2, მათ შორის მანძილი 1 სმ, პოტენციური სხვაობა 100 ვ. დადებითი იონების მობილურობა b + = 1.4 სმ 2 / (V s) უარყოფითი b - = 1.9. სმ 2 / (V s ); თითოეული იონის მუხტი ელემენტარული მუხტის ტოლია. განსაზღვრეთ იონური წყვილების კონცენტრაცია ფირფიტებს შორის, თუ დენი შორს არის გაჯერებისგან.

13.5. გაჯერების დენი არამყარი გამონადენისთვის არის 9,6 პA. განსაზღვრეთ იონური წყვილების რაოდენობა 1-ში შექმნილი გარე იონიზატორით.

* ამ ფენომენს ძველად წმინდა ელმოს ხანძარს უწოდებდნენ.

* კ.რიკე (1845-1915) - გერმანელი ფიზიკოსი.

რა არის მატერიის მეოთხე მდგომარეობა, რით განსხვავდება ის დანარჩენი სამისგან და როგორ უნდა მოემსახუროს ადამიანს.

ას ორმოცდაათი წლის წინ, თითქმის ყველა ქიმიკოსი და ბევრი ფიზიკოსი თვლიდა, რომ მატერია შედგება მხოლოდ ატომებისა და მოლეკულებისგან, რომლებიც გაერთიანებულია მეტ-ნაკლებად მოწესრიგებულ ან სრულიად უწესრიგო კომბინაციებში. ცოტას ეპარებოდა ეჭვი, რომ ყველა ან თითქმის ყველა ნივთიერებას შეუძლია არსებობდეს სამ სხვადასხვა ფაზაში - მყარი, თხევადი და აირისებრი, რომელსაც ისინი იღებენ გარე პირობებიდან გამომდინარე. მაგრამ ჰიპოთეზები მატერიის სხვა მდგომარეობების შესაძლებლობის შესახებ უკვე გამოთქმულია.

ეს უნივერსალური მოდელი დადასტურდა როგორც მეცნიერული დაკვირვებებით, ასევე ყოველდღიურ ცხოვრებაში ათასწლეულების გამოცდილებით. ყოველივე ამის შემდეგ, ყველამ იცის, რომ როდესაც წყალი გაცივდება, ის ყინულად იქცევა, გახურებისას კი ადუღდება და აორთქლდება. ტყვია და რკინა ასევე შეიძლება გარდაიქმნას თხევად და გაზად, უბრალოდ საჭიროა უფრო ძლიერად გაცხელება. მე-18 საუკუნის ბოლოდან მკვლევარები აირებს სითხეებად ყინავდნენ და დასაბუთებული ჩანდა, რომ ნებისმიერი თხევადი გაზი პრინციპში შეიძლება გამაგრებულიყო. ზოგადად, მატერიის სამი მდგომარეობის მარტივი და გასაგები სურათი, როგორც ჩანს, არ საჭიროებდა შესწორებებს ან დამატებებს.

იმდროინდელი მეცნიერები საკმაოდ გაკვირვებულნი იქნებოდნენ იმის გაგებით, რომ ატომურ-მოლეკულური ნივთიერების მყარი, თხევადი და აირისებრი მდგომარეობები შენარჩუნებულია მხოლოდ შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე, რომელიც არ აღემატება 10000°-ს და ამ ზონაშიც კი ისინი არ ამოწურავს ყველა შესაძლო სტრუქტურას ( მაგალითად, თხევადი კრისტალები). ადვილი დასაჯერებელი არ იქნება, რომ ისინი შეადგენენ ამჟამინდელი სამყაროს მთლიანი მასის არაუმეტეს 0,01%-ს. ახლა ჩვენ ვიცით, რომ მატერია ახორციელებს თავის თავს მრავალი ეგზოტიკური ფორმით. ზოგიერთი მათგანი (როგორიცაა დეგენერირებული ელექტრონული გაზი და ნეიტრონული მატერია) არსებობს მხოლოდ სუპერ მკვრივი კოსმოსური სხეულების შიგნით (თეთრი ჯუჯები და ნეიტრონული ვარსკვლავები), ზოგი კი (როგორიცაა კვარკ-გლუონის სითხე) დაიბადა და გაქრა მოკლე მომენტში, მას შემდეგ, რაც დიდი აფეთქება. თუმცა, საინტერესოა, რომ ვარაუდი პირველი სახელმწიფოს არსებობის შესახებ, რომელიც სცილდება კლასიკურ ტრიადას, გაკეთდა იმავე მეცხრამეტე საუკუნეში და მის დასაწყისში. იგი სამეცნიერო კვლევის საგანი გახდა ბევრად მოგვიანებით, 1920-იან წლებში. სწორედ მაშინ მიიღო სახელი - პლაზმა.

XIX საუკუნის 70-იანი წლების მეორე ნახევარში უილიამ კრუკსი, ლონდონის სამეფო საზოგადოების წევრი, ძალიან წარმატებული მეტეოროლოგი და ქიმიკოსი (მან აღმოაჩინა ტალიუმი და უკიდურესად ზუსტად განსაზღვრა მისი ატომური წონა), დაინტერესდა ვაკუუმში გაზის გამონადენით. მილები. იმ დროისთვის ცნობილი იყო, რომ უარყოფითი ელექტროდი ასხივებს უცნობი ბუნების გამოსხივებას, რომელსაც გერმანელმა ფიზიკოსმა ევგენ გოლდშტეინმა 1876 წელს კათოდური სხივები უწოდა. მრავალი ექსპერიმენტის შემდეგ კრუკსმა გადაწყვიტა, რომ ეს სხივები სხვა არაფერი იყო, თუ არა გაზის ნაწილაკები, რომლებმაც კათოდთან შეჯახების შემდეგ შეიძინეს უარყოფითი მუხტი და დაიწყეს მოძრაობა ანოდისკენ. მან ამ დამუხტულ ნაწილაკებს "გასხივოსნებული მატერია" უწოდა. გასხივოსნებული მატერია.

უნდა ვაღიაროთ, რომ კრუკსი არ იყო ორიგინალური კათოდური სხივების ბუნების ამ განმარტებაში. ჯერ კიდევ 1871 წელს მსგავსი ჰიპოთეზა გამოთქვა გამოჩენილმა ბრიტანელმა ელექტრო ინჟინერმა კრომველ ფლიტვუდ ვარლიმ, პირველი ტრანსატლანტიკური ტელეგრაფის კაბელის გაყვანის სამუშაოების ერთ-ერთმა ლიდერმა. თუმცა, კათოდური სხივების ექსპერიმენტების შედეგებმა კრუქსი ძალიან ღრმა აზრამდე მიიყვანა: საშუალება, რომელშიც ისინი მრავლდებიან, აღარ არის გაზი, არამედ რაღაც სრულიად განსხვავებული. 1879 წლის 22 აგვისტოს მეცნიერების წინსვლის ბრიტანული ასოციაციის სხდომაზე კრუკსმა განაცხადა, რომ იშვიათ აირებში გამონადენი „ისე არ ჰგავს იმას, რაც ხდება ჰაერში ან ნებისმიერ გაზში ჩვეულებრივი წნევის ქვეშ, რომ ამ შემთხვევაში საქმე გვაქვს. მეოთხე მდგომარეობაში მყოფი ნივთიერება, რომელიც თვისებებით განსხვავდება ჩვეულებრივი აირისგან ისევე, როგორც აირი თხევადისაგან“.

ხშირად წერენ, რომ კრუკსმა პირველად მოიფიქრა მატერიის მეოთხე მდგომარეობა. სინამდვილეში, ეს იდეა მაიკლ ფარადეის უფრო ადრე გაუჩნდა. 1819 წელს, კრუკსამდე 60 წლით ადრე, ფარადეიმ გამოთქვა წინადადება, რომ მატერია შეიძლება არსებობდეს მყარ, თხევად, აირისებრ და გასხივოსნებულ მდგომარეობებში. მატერიის გასხივოსნებული მდგომარეობა. თავის მოხსენებაში კრუკსმა პირდაპირ თქვა, რომ იყენებდა ფარადეიდან ნასესხები ტერმინებს, მაგრამ რატომღაც მის შთამომავლებს ეს დაავიწყდათ. თუმცა ფარადეის იდეა ჯერ კიდევ სპეკულაციური ჰიპოთეზა იყო და კროუკსმა ის ექსპერიმენტული მონაცემებით დაასაბუთა.

კათოდური სხივები ინტენსიურად შეისწავლეს კრუკსის შემდეგაც. 1895 წელს ამ ექსპერიმენტებმა უილიამ რენტგენმა მიიყვანა ახალი ტიპის ელექტრომაგნიტური გამოსხივების აღმოჩენამდე და მეოცე საუკუნის დასაწყისში პირველი რადიო მილების გამოგონება მოჰყვა. მაგრამ კრუქსის ჰიპოთეზა მატერიის მეოთხე მდგომარეობის შესახებ არ გამოიწვია ფიზიკოსებში - სავარაუდოდ იმიტომ, რომ 1897 წელს ჯოზეფ ჯონ ტომსონმა დაამტკიცა, რომ კათოდური სხივები არ იყო დამუხტული გაზის ატომები, არამედ ძალიან მსუბუქი ნაწილაკები, რომლებსაც მან ელექტრონები უწოდა. როგორც ჩანს, ამ აღმოჩენამ კრუქსის ჰიპოთეზა არასაჭირო გახადა.

თუმცა ფერფლიდან ფენიქსივით ხელახლა დაიბადა. 1920-იანი წლების მეორე ნახევარში მომავალი ნობელის პრემიის ლაურეატი ქიმიის დარგში ირვინგ ლანგმუირი, რომელიც მუშაობდა კორპორაციის ლაბორატორიაში. ჯენერალ ელექტრიკიდაიწყო გაზის გამონადენის სერიოზულად შესწავლა. მაშინ მათ უკვე იცოდნენ, რომ ანოდსა და კათოდს შორის სივრცეში გაზის ატომები კარგავენ ელექტრონებს და გადაიქცევიან დადებითად დამუხტულ იონებად. გააცნობიერა, რომ ასეთ გაზს ბევრი განსაკუთრებული თვისება ჰქონდა, ლანგმუირმა გადაწყვიტა მისთვის საკუთარი სახელი დაერქვა. რაღაც უცნაური ასოციაციის შედეგად მან აირჩია სიტყვა „პლაზმა“, რომელიც ადრე მხოლოდ მინერალოგიაში (მწვანე ქალკედონის სხვა სახელი) და ბიოლოგიაში (სისხლის, ისევე როგორც შრატის თხევადი საფუძველი) იყო გამოყენებული. ტერმინი „პლაზმა“ თავისი ახალი მნიშვნელობით პირველად გამოჩნდა ლანგმუირის სტატიაში „რხევები იონიზებულ გაზებში“, რომელიც გამოქვეყნდა 1928 წელს. დაახლოებით ოცდაათი წლის განმავლობაში, რამდენიმე ადამიანი იყენებდა ამ ტერმინს, მაგრამ შემდეგ იგი მტკიცედ შევიდა სამეცნიერო გამოყენებაში.

კლასიკური პლაზმა არის იონ-ელექტრონული გაზი, რომელიც შესაძლოა განზავდეს ნეიტრალური ნაწილაკებით (მკაცრად რომ ვთქვათ, ფოტონები ყოველთვის არის იქ, მაგრამ ზომიერ ტემპერატურაზე მათი იგნორირება შესაძლებელია). თუ იონიზაციის ხარისხი არ არის ძალიან დაბალი (ჩვეულებრივ ერთი პროცენტი საკმარისია), ეს აირი ავლენს ბევრ სპეციფიკურ თვისებას, რაც ჩვეულებრივ გაზებს არ გააჩნია. თუმცა, შესაძლებელია ისეთი პლაზმის წარმოება, რომელშიც საერთოდ არ იქნება თავისუფალი ელექტრონები და მათ პასუხისმგებლობას უარყოფითი იონები აიღებენ.

სიმარტივისთვის განვიხილავთ მხოლოდ ელექტრონ-იონ პლაზმას. მისი ნაწილაკები კულონის კანონის შესაბამისად იზიდავს ან მოიგერიებს და ეს ურთიერთქმედება დიდ დისტანციებზე ვლინდება. სწორედ ამიტომ განსხვავდებიან ისინი ნეიტრალური აირის ატომებისა და მოლეკულებისგან, რომლებიც ერთმანეთს მხოლოდ ძალიან მცირე მანძილზე გრძნობენ. ვინაიდან პლაზმის ნაწილაკები თავისუფალ ფრენაში არიან, ისინი ადვილად გადაადგილდებიან ელექტრული ძალებით. იმისათვის, რომ პლაზმა იყოს წონასწორობის მდგომარეობაში, აუცილებელია, რომ ელექტრონებისა და იონების სივრცის მუხტებმა სრულად ანაზღაურონ ერთმანეთი. თუ ეს პირობა არ დაკმაყოფილდება, პლაზმაში წარმოიქმნება ელექტრული დენები, რომლებიც აღადგენს წონასწორობას (მაგალითად, თუ რაიმე უბანში ჭარბი დადებითი იონები წარმოიქმნება, ელექტრონები მყისიერად შევარდებიან იქ). ამიტომ წონასწორობის პლაზმაში სხვადასხვა ნიშნის ნაწილაკების სიმკვრივე პრაქტიკულად ერთნაირია. ამ ყველაზე მნიშვნელოვან თვისებას კვაზინეიტრალობა ეწოდება.

თითქმის ყოველთვის, ჩვეულებრივი აირის ატომები ან მოლეკულები მონაწილეობენ მხოლოდ წყვილთა ურთიერთქმედებაში - ისინი ერთმანეთს ეჯახებიან და შორდებიან. პლაზმა სულ სხვა საკითხია. ვინაიდან მისი ნაწილაკები დაკავშირებულია კულონური ძალებით, თითოეული მათგანი ახლო და შორეული მეზობლების ველშია. ეს ნიშნავს, რომ პლაზმის ნაწილაკებს შორის ურთიერთქმედება არ არის დაწყვილებული, არამედ მრავალჯერადი - როგორც ფიზიკოსები ამბობენ, კოლექტიური. ეს იწვევს პლაზმის სტანდარტულ განმარტებას - კვაზინეიტრალური სისტემა დიდი რაოდენობით განსხვავებით დამუხტული ნაწილაკებისგან, რომლებიც აჩვენებენ კოლექტიური ქცევას.

პლაზმა ნეიტრალური აირისგან განსხვავდება გარე ელექტრულ და მაგნიტურ ველებზე რეაქციით (ჩვეულებრივი გაზი პრაქტიკულად არ ამჩნევს მათ). პლაზმის ნაწილაკები, პირიქით, გრძნობენ თვითნებურად სუსტ ველებს და მაშინვე იწყებენ მოძრაობას, წარმოქმნიან კოსმოსურ მუხტს და ელექტრო დენებს. წონასწორული პლაზმის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი მახასიათებელია მუხტის დაცვა. ავიღოთ პლაზმის ნაწილაკი, ვთქვათ დადებითი იონი. ის იზიდავს ელექტრონებს, რომლებიც ქმნიან უარყოფითი მუხტის ღრუბელს. ასეთი იონის ველი კულონის კანონის შესაბამისად იქცევა მხოლოდ მის სიახლოვეს, ხოლო დისტანციებზე, რომლებიც აღემატება გარკვეულ კრიტიკულ მნიშვნელობას, ის ძალიან სწრაფად მიისწრაფვის ნულისკენ. ამ პარამეტრს ეწოდება Debye სკრინინგის რადიუსი, ჰოლანდიელი ფიზიკოსის პიტერ დებიის სახელით, რომელმაც აღწერა ეს მექანიზმი 1923 წელს.

ადვილი გასაგებია, რომ პლაზმა ინარჩუნებს კვაზინეიტრალურობას მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მისი ხაზოვანი ზომები ყველა განზომილებაში მნიშვნელოვნად აღემატება დების რადიუსს. აღსანიშნავია, რომ ეს პარამეტრი იზრდება პლაზმის გაცხელებისას და მცირდება მისი სიმკვრივის მატებასთან ერთად. გაზის გამონადენის პლაზმაში სიდიდის რიგია 0,1 მმ, დედამიწის იონოსფეროში - 1 მმ, მზის ბირთვში - 0,01 ნმ.

პლაზმა დღეს გამოიყენება მრავალფეროვან ტექნოლოგიებში. ზოგიერთი მათგანი ყველასთვის ცნობილია (გაზის ნათურები, პლაზმური დისპლეები), სხვები დაინტერესებულია სპეციალიზირებული სპეციალისტებისთვის (მძიმე დამცავი ფირის საფარის წარმოება, მიკროჩიპების წარმოება, დეზინფექცია). თუმცა, პლაზმაზე ყველაზე დიდი იმედები ემყარება კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციების განხორციელებაზე მუშაობას. ეს გასაგებია. იმისთვის, რომ წყალბადის ბირთვები გაერთიანდეს ჰელიუმის ბირთვებში, ისინი უნდა შეიკრიბონ დაახლოებით ას მილიარდი სანტიმეტრის მანძილზე - შემდეგ კი ბირთვული ძალები დაიწყებენ მუშაობას. ასეთი დაახლოება შესაძლებელია მხოლოდ ათობით და ასეულობით მილიონი გრადუსის ტემპერატურაზე – ამ შემთხვევაში ელექტროსტატიკური მოგერიების დასაძლევად დადებითად დამუხტული ბირთვების კინეტიკური ენერგია საკმარისია. ამიტომ, კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმა მოითხოვს მაღალი ტემპერატურის წყალბადის პლაზმას.

მართალია, ჩვეულებრივ წყალბადზე დაფუძნებული პლაზმა აქ არ დაეხმარება. ასეთი რეაქციები ხდება ვარსკვლავების სიღრმეში, მაგრამ ისინი გამოუსადეგარია ხმელეთის ენერგიისთვის, რადგან ენერგიის გათავისუფლების ინტენსივობა ძალიან დაბალია. უმჯობესია გამოიყენოთ პლაზმა მძიმე წყალბადის იზოტოპების დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ნარევიდან 1:1 თანაფარდობით (სუფთა დეიტერიუმის პლაზმა ასევე მისაღებია, თუმცა ის უზრუნველყოფს ნაკლებ ენერგიას და მოითხოვს უფრო მაღალ ტემპერატურას აალებაზე).

თუმცა, რეაქციის დასაწყებად მხოლოდ გათბობა საკმარისი არ არის. პირველ რიგში, პლაზმა უნდა იყოს საკმარისად მკვრივი; მეორეც, რეაქციის ზონაში შემავალი ნაწილაკები არ უნდა დატოვონ იგი ძალიან სწრაფად - წინააღმდეგ შემთხვევაში ენერგიის დაკარგვა გადააჭარბებს მის გათავისუფლებას. ეს მოთხოვნები შეიძლება წარმოდგენილი იყოს კრიტერიუმის სახით, რომელიც შემოგვთავაზა ინგლისელმა ფიზიკოსმა ჯონ ლოუსონმა 1955 წელს. ამ ფორმულის მიხედვით, პლაზმის სიმკვრივის პროდუქტი და ნაწილაკების შეზღუდვის საშუალო დრო უნდა იყოს უფრო მაღალი, ვიდრე გარკვეული მნიშვნელობა, რომელიც განსაზღვრულია ტემპერატურის, თერმობირთვული საწვავის შემადგენლობისა და რეაქტორის მოსალოდნელი ეფექტურობით.

ადვილი მისახვედრია, რომ ლოუსონის კრიტერიუმის დაკმაყოფილების ორი გზა არსებობს. თქვენ შეგიძლიათ შეზღუდვის დრო ნანოწამმდე შეამციროთ პლაზმის შეკუმშვით, ვთქვათ, 100-200 გ/სმ 3-მდე (რადგან პლაზმას არ აქვს დრო დაშორებისთვის, ამ შეზღუდვის მეთოდს ინერციული ეწოდება). ამ სტრატეგიაზე ფიზიკოსები 1960-იანი წლების შუა პერიოდიდან მუშაობდნენ; ახლა მისი ყველაზე მოწინავე ვერსია მუშავდება ლივერმორის ეროვნული ლაბორატორიის მიერ. წელს ისინი დაიწყებენ ექსპერიმენტებს ბერილიუმის მინიატურული კაფსულების შეკუმშვაზე (დიამეტრი 1,8 მმ), სავსე დეიტერიუმ-ტრიტიუმის ნარევით, 192 ულტრაიისფერი ლაზერის სხივების გამოყენებით. პროექტის ლიდერები თვლიან, რომ არაუგვიანეს 2012 წლისა შეძლებენ არა მხოლოდ თერმობირთვული რეაქციის აალებას, არამედ დადებითი ენერგიის გამომუშავების მიღებასაც. შესაძლოა მსგავსი პროგრამა HiPER პროექტის ფარგლებში ( მაღალი სიმძლავრის ლაზერული ენერგიის კვლევა) ევროპაში უახლოეს წლებში გამოვა. თუმცა, იმ შემთხვევაშიც კი, თუ ლივერმორში ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა სრულად გაამართლოს მათი მოლოდინი, ინერციული პლაზმური შეზღუდვით რეალური თერმობირთვული რეაქტორის შექმნამდე მანძილი მაინც ძალიან დიდი დარჩება. ფაქტია, რომ ელექტროსადგურის პროტოტიპის შესაქმნელად საჭიროა სუპერმძლავრი ლაზერების ძალიან სწრაფი სროლის სისტემა. მან უნდა უზრუნველყოს ციმციმის სიხშირე, რომელიც ანთებს დეიტერიუმ-ტრიტიუმის სამიზნეებს, რომელიც ათასობითჯერ აღემატება ლივერმორის სისტემის შესაძლებლობებს, რომელიც ისვრის არაუმეტეს 5-10 გასროლას წამში. ახლა აქტიურად განიხილება ასეთი ლაზერული იარაღის შექმნის სხვადასხვა შესაძლებლობა, მაგრამ მათი პრაქტიკული განხორციელება ჯერ კიდევ ძალიან შორსაა.

ალტერნატიულად, შეიძლება ვიმუშაოთ იშვიათ პლაზმასთან (ნანოგრამების სიმკვრივე კუბურ სანტიმეტრზე), შენახვა რეაქციის ზონაში სულ მცირე რამდენიმე წამის განმავლობაში. ასეთ ექსპერიმენტებში ნახევარ საუკუნეზე მეტია გამოიყენება სხვადასხვა მაგნიტური ხაფანგები, რომლებიც ინარჩუნებენ პლაზმას მოცემულ მოცულობაში რამდენიმე მაგნიტური ველის გამოყენებით. ტოკამაკები ითვლება ყველაზე პერსპექტიულ - დახურულ მაგნიტურ ხაფანგებად ტორუსის სახით, პირველად შემოთავაზებული A.D. Sakharov-ისა და I.E.-ის მიერ 1950 წელს. ამჟამად, სხვადასხვა ქვეყანაში ფუნქციონირებს ათეული ასეთი ინსტალაცია, რომელთაგან ყველაზე დიდმა ისინი დააახლოვა ლოუსონის კრიტერიუმთან. ტოკამაკია ასევე საერთაშორისო ექსპერიმენტული თერმობირთვული რეაქტორი, ცნობილი ITER, რომელიც აშენდება საფრანგეთის ქალაქ ექს-ან-პროვანსის მახლობლად მდებარე სოფელ კადარაში. თუ ყველაფერი გეგმის მიხედვით წარიმართება, ITER პირველად გახდის შესაძლებელი პლაზმის წარმოებას, რომელიც აკმაყოფილებს ლოუსონის კრიტერიუმს და მასში თერმობირთვული რეაქციის აალებას.

”ბოლო ორი ათწლეულის განმავლობაში, ჩვენ მივაღწიეთ უზარმაზარ პროგრესს იმ პროცესების გაგებაში, რომლებიც ხდება მაგნიტური პლაზმური ხაფანგების შიგნით, განსაკუთრებით ტოკამაკებში. ზოგადად, ჩვენ უკვე ვიცით, როგორ მოძრაობენ პლაზმის ნაწილაკები, როგორ წარმოიქმნება პლაზმური ნაკადების არასტაბილური მდგომარეობები და რამდენად შეიძლება გაიზარდოს პლაზმური წნევა ისე, რომ იგი კვლავ შეიკავოს მაგნიტურ ველში. ასევე შეიქმნა პლაზმური დიაგნოსტიკის ახალი მაღალი სიზუსტის მეთოდები, ანუ პლაზმური სხვადასხვა პარამეტრის გაზომვა,“ - იან ჰაჩინსონი, ბირთვული ფიზიკისა და ბირთვული ტექნოლოგიის პროფესორი მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიის ინსტიტუტში, რომელიც 30 წელზე მეტია მუშაობს ტოკამაკებზე. უთხრა პრემიერმა. - დღემდე, უმსხვილესმა ტოკამაკებმა მიაღწიეს თერმული ენერგიის გამოყოფის სიმძლავრეს დეიტერიუმ-ტრიტიუმის პლაზმაში 10 მეგავატის რიგის ერთ-ორ წამში. ITER გადააჭარბებს ამ მაჩვენებლებს სიდიდის რამდენიმე ბრძანებით. თუ ჩვენს გამოთვლებში არ ვცდებით, რამდენიმე წუთში მინიმუმ 500 მეგავატის გამომუშავებას შეძლებს. თუ ნამდვილად გაგიმართლათ, ენერგია გამოიმუშავებს დროის ყოველგვარი შეზღუდვის გარეშე, სტაბილურ რეჟიმში. ”

ტალღები პლაზმაში

ინტრაპლაზმური ფენომენების კოლექტიური ბუნება იწვევს იმ ფაქტს, რომ ეს გარემო ბევრად უფრო მიდრეკილია სხვადასხვა ტალღების აგზნებისკენ, ვიდრე ნეიტრალური აირი. მათგან უმარტივესი შეისწავლეს ლანგმუირმა და მისმა კოლეგამ ლევი ტონკსმა (უფრო მეტიც, ამ რხევების ანალიზმა მნიშვნელოვნად გააძლიერა ლანგმუირს აზრი, რომ მას საქმე ჰქონდა მატერიის ახალ მდგომარეობასთან). მოდით, წონასწორული პლაზმის ზოგიერთ ნაწილში ელექტრონის სიმკვრივე ოდნავ შეიცვალოს - სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მეზობელი ელექტრონების ჯგუფი გადავიდა წინა პოზიციიდან. მაშინვე წარმოიქმნება ელექტრული ძალები, რომლებიც აბრუნებენ გაქცეულ ელექტრონებს თავდაპირველ პოზიციაზე, რომელსაც ისინი ოდნავ გადააჭარბებენ ინერციით. შედეგად, გამოჩნდება რხევების წყარო, რომელიც დაიწყებს გავრცელებას პლაზმაში გრძივი ტალღების სახით (ძალიან ცივ პლაზმაში ისინიც შეიძლება დგანან). ამ ტალღებს ლანგმუირის ტალღებს უწოდებენ.

ლანგმუირის მიერ რხევების აღმოჩენა ზღუდავს ელექტრომაგნიტური ტალღების სიხშირეს, რომლებსაც შეუძლიათ პლაზმაში გავლა. ის უნდა აღემატებოდეს Langmuir სიხშირეს, წინააღმდეგ შემთხვევაში ელექტრომაგნიტური ტალღა დასუსტდება პლაზმაში ან აირეკლება როგორც სარკედან გამოსული შუქი. ასე ხდება რადიოტალღებთან, რომელთა ტალღის სიგრძე დაახლოებით 20 მ-ზე მეტია, რომელიც არ გადის დედამიწის იონოსფეროში.

განივი ტალღები ასევე შეიძლება წარმოიქმნას მაგნიტიზებულ პლაზმაში. მათი არსებობა პირველად 1942 წელს იწინასწარმეტყველა შვედმა ასტროფიზიკოსმა ჰანეს ალფვენმა (ისინი აღმოაჩინეს ექსპერიმენტში 17 წლის შემდეგ). ალფვენის ტალღები ვრცელდება გარე მაგნიტური ველის ხაზების გასწვრივ, რომლებიც ვიბრირებენ დაჭიმული სიმებივით (პლაზმის ნაწილაკები, იონები და ელექტრონები, მოძრაობენ ამ ხაზების პერპენდიკულარულად). საინტერესოა, რომ ასეთი ტალღების სიჩქარე განისაზღვრება მხოლოდ პლაზმური სიმკვრივით და მაგნიტური ველის სიძლიერით, მაგრამ არ არის დამოკიდებული სიხშირეზე. ალფვენის ტალღები მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ კოსმოსური პლაზმის პროცესებში - ითვლება, რომ, მაგალითად, ისინი უზრუნველყოფენ მზის გვირგვინის ანომალიურ გათბობას, რომელიც ასჯერ უფრო ცხელია, ვიდრე მზის ატმოსფერო. ისინი ასევე ჰგავს სტვენის ატმოსფეროს, ელვისებური გამონადენის ტალღის კუდებს, რომლებიც ქმნიან რადიო ჩარევას. უფრო რთული სტრუქტურის ტალღები, რომლებსაც აქვთ როგორც გრძივი, ასევე განივი კომპონენტები, ასევე წარმოიქმნება პლაზმაში.

პროფესორმა ჰაჩინსონმა ასევე ხაზგასმით აღნიშნა, რომ მეცნიერებს ახლა კარგად ესმით იმ პროცესების ბუნება, რომელიც უნდა მოხდეს ამ უზარმაზარი ტოკამაკის შიგნით: „ჩვენ კი ვიცით პირობები, რომლებშიც პლაზმა თრგუნავს საკუთარ ტურბულენტობას და ეს ძალიან მნიშვნელოვანია ფუნქციონირების კონტროლისთვის. რეაქტორი. რა თქმა უნდა, აუცილებელია მრავალი ტექნიკური პრობლემის გადაჭრა - კერძოდ, დასრულდეს კამერის შიდა საფარის მასალების შემუშავება, რომელიც გაუძლებს ინტენსიურ ნეიტრონულ დაბომბვას. მაგრამ პლაზმის ფიზიკის თვალსაზრისით, სურათი საკმაოდ ნათელია - ყოველ შემთხვევაში ჩვენ ასე ვფიქრობთ. ITER უნდა დაადასტუროს, რომ ჩვენ არ ვცდებით. თუ ყველაფერი კარგად წავა, დადგება რიგი ტოკამაკის შემდეგი თაობის, რომელიც გახდება სამრეწველო თერმობირთვული რეაქტორების პროტოტიპი. მაგრამ ახლა ნაადრევია ამაზე საუბარი. იმავდროულად, ჩვენ ველით, რომ ITER ამოქმედდება ამ ათწლეულის ბოლოს. დიდი ალბათობით, ის შეძლებს ცხელი პლაზმის გენერირებას არა უადრეს 2018 წლისა – ყოველ შემთხვევაში ჩვენი მოლოდინების შესაბამისად“. ასე რომ, მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების თვალსაზრისით, ITER პროექტს კარგი პერსპექტივები აქვს.

პლაზმური სასწაულები

პლაზმა ყველგან გამოიყენება სამეცნიერო ფანტასტიკურ რომანებში - იარაღიდან და ძრავებიდან დაწყებული პლაზმური სიცოცხლის ფორმებამდე. თუმცა, ნამდვილი პლაზმური პროფესიები არანაკლებ ფანტასტიურად გამოიყურება.

პლაზმური იარაღი პლაზმის ყველაზე გავრცელებული გამოყენებაა სამეცნიერო ფანტასტიკაში. სამოქალაქო აპლიკაციები ბევრად უფრო მოკრძალებულია: ჩვეულებრივ, ჩვენ ვსაუბრობთ პლაზმურ ძრავებზე. ასეთი ძრავები არსებობს რეალურად მათ შესახებ PM-მა არაერთხელ დაწერა (No2, 2010, No. 12, 2005). იმავდროულად, პლაზმის გამოყენების სხვა შესაძლებლობები, რომლებზეც ფილადელფიის დრეკსელის პლაზმური ინსტიტუტის ხელმძღვანელმა ალექსანდრე ფრიდმანმა გვითხრა, ყოველდღიურ ცხოვრებაში არანაკლებ, თუ არა უფრო ფანტასტიურად გამოიყურება.

პლაზმის გამოყენება შესაძლებელს ხდის იმ პრობლემების გადაჭრას, რომლებიც არც ისე დიდი ხნის წინ ვერ გადაიჭრა. მაგალითად, ავიღოთ ქვანახშირის ან ბიომასის დამუშავება წყალბადით მდიდარ წვად გაზად. გერმანელმა ქიმიკოსებმა ეს ჯერ კიდევ გასული საუკუნის 30-იანი წლების შუა ხანებში შეიტყვეს, რამაც გერმანიას საშუალება მისცა მეორე მსოფლიო ომის დროს სინთეზური საწვავის წარმოებისთვის ძლიერი ინდუსტრია შეექმნა. თუმცა, ეს არის ძალიან ძვირი ტექნოლოგია და არ არის კონკურენტუნარიანი მშვიდობის დროს.

ალექსანდრე ფრიდმანის თქმით, უკვე შეიქმნა ინსტალაციები ცივი პლაზმის მძლავრი გამონადენის შესაქმნელად, რომელშიც იონების ტემპერატურა ასეულ გრადუსს არ აღემატება. ისინი შესაძლებელს ხდიან წყალბადის იაფად და ეფექტურად მიღებას ქვანახშირისა და ბიომასისგან სინთეზური საწვავის ან საწვავის უჯრედების შესავსებად. უფრო მეტიც, ეს დანადგარები საკმარისად კომპაქტურია მანქანაზე დასაყენებლად (პარკინგზე, მაგალითად, კონდიციონერის მუშაობისთვის, არ დაგჭირდებათ ძრავის ჩართვა - ენერგიას უზრუნველყოფენ საწვავის უჯრედები). ასევე კარგად მუშაობს ნახევრად ინდუსტრიული საპილოტე ქარხნები ცივი პლაზმის გამოყენებით ნახშირის სინთეზურ გაზად გადამუშავებისთვის.

„აღნიშნულ პროცესებში ნახშირბადი ადრე თუ გვიან იჟანგება დიოქსიდად და მონოქსიდად“, განაგრძობს პროფესორი ფრიდმანი. - მაგრამ ცხენები ენერგიას იღებენ შვრიის და თივის სასუქად გარდაქმნით და ნახშირორჟანგის მხოლოდ მცირე რაოდენობით გამოყოფით. მათ საჭმლის მომნელებელ სისტემაში ნახშირბადი მთლიანად არ იჟანგება, არამედ მხოლოდ სუბოქსიდებში, ძირითადად C 3 O 2-მდე. ეს ნივთიერებები ქმნიან პოლიმერების საფუძველს, რომლებიც ქმნიან ნაკელს. რა თქმა უნდა, ეს პროცესი გამოყოფს დაახლოებით 20%-ით ნაკლებ ქიმიურ ენერგიას, ვიდრე სრული დაჟანგვა, მაგრამ პრაქტიკულად არ არსებობს სათბურის აირები. ჩვენს ინსტიტუტში შევქმენით ექსპერიმენტული ინსტალაცია, რომელსაც ცივი პლაზმის გამოყენებით შეუძლია ბენზინის გადამუშავება ასეთ პროდუქტად. ამან იმდენად დიდი შთაბეჭდილება მოახდინა მანქანის დიდ გულშემატკივარზე, მონაკოს პრინც ალბერ II-ზე, რომ ასეთი ელექტროსადგურის მქონე მანქანა დაგვიკვეთა. მართალია, ჯერჯერობით მხოლოდ სათამაშოა, რომელსაც ასევე სჭირდება დამატებითი ენერგია - ბატარეები კონვერტორისთვის. ასეთი მანქანა ამოძრავებს, ამოაგდებს მშრალი ნარჩენების მარცვლებს. მართალია, გადამყვანმა რომ იმუშაოს, საჭიროა ბატარეა, რომელიც თავისთავად ოდნავ უფრო სწრაფად ამოძრავებს სათამაშოს, მაგრამ, როგორც ამბობენ, ყველაზე რთული დასაწყისია. წარმომიდგენია, რომ ათი წლის შემდეგ იქნება ნამდვილი მანქანები პლაზმური ბენზინის გადამყვანებით, რომლებიც იმოძრავებენ ატმოსფეროს დაბინძურების გარეშე“.

ცივი პლაზმის ერთ-ერთი უაღრესად პერსპექტიული გამოყენება მედიცინაშია. დიდი ხანია ცნობილია, რომ ცივი პლაზმა წარმოქმნის ძლიერ ჟანგვის აგენტებს და, შესაბამისად, შესანიშნავია დეზინფექციისთვის. მაგრამ მის მისაღებად საჭიროა ათეულობით კილოვოლტის ძაბვები და მათთან ერთად ადამიანის ორგანიზმში შეღწევა საშიშია. თუმცა, თუ ეს პოტენციალი წარმოქმნის მცირე დენებს, ზიანი არ იქნება. „ჩვენ ვისწავლეთ ძალიან სუსტი, ერთგვაროვანი გამონადენის დენებისაგან ცივ პლაზმაში 40 კილოვოლტიანი ძაბვის ქვეშ“, — ამბობს პროფესორი ფრიდმანი, „აღმოჩნდა, რომ ასეთი პლაზმა სწრაფად კურნავს ჭრილობებს და წყლულებსაც კი. ამ ეფექტს ახლა სხვადასხვა ქვეყნის ათობით სამედიცინო ცენტრი სწავლობს. უკვე ცხადი გახდა, რომ ცივი პლაზმა შეიძლება გახდეს იარაღი კიბოსთან - კერძოდ, კანისა და თავის ტვინის სიმსივნეებთან ბრძოლაში. რა თქმა უნდა, ჯერჯერობით ექსპერიმენტები ტარდება ექსკლუზიურად ცხოველებზე, მაგრამ გერმანიასა და რუსეთში უკვე მიიღეს ნებართვა ახალი მკურნალობის მეთოდის კლინიკურ კვლევებზე, ჰოლანდიაში კი ძალიან საინტერესო ექსპერიმენტებს აკეთებენ ღრძილების ანთების პლაზმური მკურნალობის შესახებ. გარდა ამისა, დაახლოებით ერთი წლის წინ ჩვენ შევძელით ცივი შოკის ანთება პირდაპირ ცოცხალი თაგვის კუჭში! აღმოჩნდა, რომ ის კარგად მუშაობს საჭმლის მომნელებელი ტრაქტის ერთ-ერთი უმძიმესი პათოლოგიის – კრონის დაავადების სამკურნალოდ. ასე რომ, ახლა, ჩვენს თვალწინ, პლაზმური მედიცინა იბადება - სრულიად ახალი სამედიცინო მიმართულება.