Плазма крови: составные элементы (вещества, белки), функции в организме, использование. Что такое плазма? Для тех, кто не понимает физику

Ленгмюр писал:

Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит ионы и электроны практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», чтобы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов.

Формы плазмы

Фазовым состоянием большей части вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной является плазма. Все звёзды состоят из плазмы, и даже пространство между ними заполнено плазмой, хотя и очень разреженной (см. межзвездное пространство). К примеру, планета Юпитер сосредоточила в себе практически все вещество Солнечной системы , находящееся в «неплазменном» состоянии (жидком , твердом и газообразном). При этом масса Юпитера составляет всего лишь около 0,1 % массы Солнечной системы, а объем и того меньше - всего 10 −15 %. При этом мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое пространство и несущие на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых заряженных ионов (см. пылевая плазма (англ.)).

Свойства и параметры плазмы

Определение плазмы

Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами:

Достаточная плотность : заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных частиц, состоящей из многих ионов . Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления - типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:

, где - концентрация заряженных частиц.

Приоритет внутренних взаимодействий : радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на ее поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

Классификация

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

Температура

При чтении научно-популярной литературы, читатель зачастую видит значения температуры плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов градусов. Для описания плазмы в физике удобно использовать не температуру, а энергию, выраженную в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1эВ = 11600 градусов Кельвина. Таким образом становится понятно, что температура в «десятки тысяч градусов» достаточно легко достижима.

В неравновесной плазме 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 равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч градусов).

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

Степень ионизации

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать . Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры . Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяетя как α = n i /(n i + n a), где n i - концентрация ионов, а n a - концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме n e определяется очевидным соотношением: n e =<Z > n i , где <Z > - среднее значение заряда ионов плазмы.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы 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).

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается 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 : . 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. Плотность в физике плазмы описывается безразмерным параметром плазмы r s , который определяется как отношение среднего межчастичного состояния к радиусу бора.

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 (). 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 счёт кулоновского отталкивания.

Отличия от газообразного состояния

Плазму часто называют четвертым состоянием вещества . Она отличается от трёх менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определённой формы или объема. До сих пор идёт 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 К примеру, воздух является превосходным изолятором до тех пор, пока не переходит в плазменное состояние под действием внешнего электрического поля напряженностью в 30 киловольт на сантиметр .	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 Газы состоят из подобных друг другу частиц, которые движутся под действием гравитации , а друг с другом взаимодействуют только на сравнительно небольших расстояниях.	Два, или три, или более 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 Столкновения частиц друг с другом приводит к максвелловскому распределению скоростей , согласно которому очень малая часть молекул газа имеют относительно большие скорости движения.	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, трёхчастичные крайне редки.	Коллективные Каждая частица взаимодействует сразу со многими. Эти коллективные взаимодействия имеют гораздо большее влияние чем двухчастичные.

Сложные плазменные явления

Хотя основные уравнения, описывающие состояния плазмы, относительно просты, в некоторых ситуациях они не могут адекватно отражать поведение реальной плазмы: возникновение таких эффектов - типичное свойство сложных систем , если использовать для их описания простые модели . Наиболее сильное различие между реальным состоянием плазмы и ее математическим описанием наблюдается в так называемых пограничных зонах, где плазма переходит из одного физического состояния в другое (например, из состояния с низкой степенью ионизации в высокоионизационное). Здесь плазма не может быть описана с использованием простых гладких математических функций или, применяя вероятностный подход. Такие эффекты как спонтанное изменение формы плазмы являются следствием сложности взаимодействия заряженных частиц , из которых состоит плазма. Подобные явления интересны тем, что проявляются резко и не являются устойчивыми. Многие из них были изначально изучены в лабораториях, а затем были обнаружены во Вселенной.

Математическое описание

Плазму можно описывать на различных уровнях детализации. Обычно плазма описывается отдельно от электромагнитных полей. Совместное описание проводящей жидкости и электромагнитных полей даётся 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 даёт кинетическая модель, в которой плазма описывается в терминах функции распределения электронов по координатам и импульсам. В основе модели лежит уравнение Больцмана . Уравнение Больцмана неприменимо для описания плазмы заряженных частиц с кулоновским взаимодействием вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил. Поэтому для описания плазмы с кулоновским взаимодействием используется уравнение Власова с самосогласованным электромагнитным полем, созданным заряженными частицами плазмы. 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 путём слежения за траекториями большого числа отдельных частиц. Плотности эл. заряда и тока определяются путём 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 μ = 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:

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

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

ионная плазменная частота:

частота столкновений электронов

частота столкновений ионов

Длины

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

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:

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

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

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

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

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:

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

скорость ионного звука , скорость продольных ионно-звуковых волн:

Альфвеновская скорость , скорость Альфвеновских волн:

Безразмерные величины

квадратный корень из отношения масс электрона и протона :

Число частиц в сфере Дебая:

Отношение Альфвеновской скорости к скорости света

отношение плазменной и ларморовской частот для электрона

отношение плазменной и ларморовской частот для иона

отношение тепловой и магнитной энергий

отношение магнитной энергии к энергии покоя ионов

Прочее

Бомовский коэффициент диффузии

Поперечное сопротивление Спитцера

частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной.

Между газом и плазмой нет резкой границы. Любое вещество, находящееся первоначально в твердом состоянии, по мере возрастания температуры начинает плавиться, а при дальнейшем нагревании испаряется, т.е. превращается в газ. Если это молекулярный газ (например, водород или азот), то с последующим повышением температуры происходит распад молекул газа на отдельные атомы (диссоциация). При еще более высокой температуре газ ионизуется, в нем появляются положительные ионы и свободные электроны. Свободно движущиеся электроны и ионы могут переносить электрический ток, поэтому одно из определений плазмы гласит: плазма это проводящий газ. Нагревание вещества не является единственным способом получения плазмы.

Плазма четвертое состояние вещества, она подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества. В 1879 английский физик В.Крукс, изучавший электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвертом состоянии». Древние философы считали, что основу мироздания составляют четыре стихии: земля, вода, воздух и огонь. В известном смысле это отвечает принятому ныне делению на агрегатные состояния вещества, причем четвертой стихии огню и соответствует, очевидно, плазма.

Сам термин «плазма» применительно к квазинейтральному ионизованному газу был введен американскими физиками Лэнгмюроми Тонксом в 1923 при описании явлений в газовом разряде. До той поры слово «плазма» использовалось лишь физиологами и обозначало бесцветный жидкий компонент крови, молока или живых тканей, однако вскоре понятие «плазма» прочно вошло в международный физический словарь, получив самое широкое распространение.

Франк-Каменецкий Д.А. Плазма четвертое состояние вещества . М., Атомиздат, 1963
Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы . М., Атомиздат, 1969
Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы . М., Наука, 1975
Милантьев В.П., Темко С.В. Физика плазмы . М., Просвещение, 1983
Чен Ф. Введение в физику плазмы . М., Мир, 1987

Найти "ПЛАЗМА " на

Слово "плазма" имеет много значений, в их числе и физический термин. Итак, что такое плазма в физике?

Плазма - это ионизированный газ, который образуют нейтральные молекулы и заряженные частицы. Этот газ является ионизированным - от оболочки его атомов отделен минимум один электрон. Отличительной особенностью данной среды можно назвать ее квазинейтральность. Квазинейтральность означает, что среди всех зарядов в единице объема плазмы число положительных равно числу отрицательных.

Мы знаем, что вещество может быть газообразным, жидким или твердым - и эти состояния, именуемые агрегатными, способны перетекать одно в другое. Так вот, плазма считается четвертым агрегатным состоянием, в котором может пребывать вещество.

Итак, плазму отличают два основных свойства - ионизированность и квазинейтральность. О других ее особенностях мы поговорим далее, а вначале обратим внимание на происхождение термина.

Плазма: история определения

Проводить исследования разрядов начал Отто фон Герике с 1972 года, однако в течение двух с половиной следующих столетий ученые не могли выявить особые свойства и отличительные черты ионизированного газа.

Автором термина "плазма" как физического и химического определения считают Ирвинга Лэнгмюра. Ученый проводил опыты с частично ионизированной плазмой. В 1923 он и другой американский физик Тонкс предложили сам термин.

Физика плазмы зародилась в период между 1922-1929 годами.

Слово "плазма" по происхождению греческое, означает пластичную вылепленную фигуру.

Что такое плазма: свойства, формы, классификация

Если вещество нагревать, по достижении определенного значения температуры оно станет газообразным. Если продолжить нагревание, то газ начнет распадаться на составляющие его атомы. Потом они превращаются в ионы: это и есть плазма.

Есть разные формы этого состояния вещества. Плазма проявляется в земных условиях в разрядах молний. Также она образует ионосферу - это слой в верхнем слое атмосферы. Ионосфера появляется под действием ультрафиолета и делает возможным передачу радиосигналов на дальние расстояния.

Во Вселенной плазмы намного больше. Барионное вещество Вселенной почти полностью находится в состоянии плазмы. Плазма образует звезды, включая Солнце. Другие формы плазмы, встречающиеся в космосе - межзвездные туманности, солнечный ветер (поток ионизированных частиц, идущий от Солнца).

В природе, помимо молний и ионосферы, плазма существует в форме таких интересных явлений, как огни Святого Эльма, Северное сияние.

Есть искусственная плазма - например, в люминисцентных и плазменных лампах, в электрических дугах дуговых ламп и т.д.

Классификация плазм

Плазмы бывают:

идеальные, неидеальные;
высоко- , низкотемпературные;
неравновесные и равновесные.

Плазма и газ: сравнение

Плазма и газ во многом схожи, однако есть существенные отличия в их свойствах. Например, по электрической проводимости газ и плазма различны - у газа низкие значения по данному параметру, у плазмы, напротив, высокие. Газ состоит из подобных частиц, плазма - из разных по свойствам - заряду, скорости движения и т.п.

На фото - полное солнечное затмение, наблюдавшееся во Франции в 1999 году. Остроконечное гало света - это плазма из короны Солнца

Материя существует в четырех возможных состояниях: твердом, жидком, газообразном и в виде плазмы, представляющей собой электрифицированный газ. Мы редко сталкиваемся с естественной плазмой - ее можно увидеть при грозе и северном сиянии или если смотреть на Солнце через специальный фильтр. Тем не менее, плазма, при всей ее скудности в нашей повседневной жизни, составляет более 99% наблюдаемой материи во Вселенной (то есть если не учитывать темную материю).

Как образуется плазма

Представьте себе, что вы нагреваете контейнер, полный льда, и наблюдаете, как он переходит из твердого состояния в жидкое и затем в газ. По мере того как температура поднимается, молекулы воды становятся более энергичными и возбудимыми и перемещаются все более и более свободно. Если вы продолжите нагрев, то при температуре около 12 тысяч градусов по Цельсию атомы сами начнут распадаться. Электроны убегут из ядер, оставляя позади заряженные частицы, известные как ионы, которые, в итоге, оказываются в супе электронов. Это и есть состояние плазмы.

Плазма в физике и в крови

Связь между кровью и «физической» плазмой - это больше, чем просто совпадение. В 1927 году американский химик Ирвинг Ленгмюр заметил, что, как плазма переносит электроны, ионы, молекулы и другие примеси, так и плазма крови переносит красные и белые кровяные тела и микробы. Ленгмюр стал пионером в изучении плазмы. Вместе со своим коллегой Леви Тонксом он также обнаружил, что плазма характеризуется быстрыми колебаниями электронов из-за коллективного поведения частиц.

Еще одним интересным свойством плазмы является ее способность поддерживать так называемые гидромагнитные волны-выпуклости, которые движутся через плазму вдоль линий магнитного поля, подобно тому, как колебания распространяются вдоль гитарной струны. Когда в 1942 году шведский ученый Ханнес Альфвен, который впоследствии стал лауреатом Нобелевской премии, впервые предположил существование этих волн, сообщество физиков отнеслось к этому скептически. Но после того, как Альфвен прочитал лекцию в Чикагском университете, известный физик и преподаватель Энрико Ферми подошел к нему, чтобы обсудить теорию, признав, что такие волны могут существовать.

Термоядерный синтез

Одним из самых больших стимулов развития современной плазменной науки является перспектива управляемого термоядерного синтеза, при котором атомы сливаются вместе и выделяют интенсивные, но управляемые всплески энергии. Это обеспечило бы почти безграничный источник безопасной, экологически чистой энергии, но это не такая простая задача. Прежде чем на Земле произойдет такое слияние, плазма должна быть нагрета до более чем 100 миллионов градусов по Цельсию, что примерно в 10 раз горячее, чем центр Солнца. Но и это не самое сложное, поскольку ученым удалось достичь такой температуры в 1990-е годы. Однако горячая плазма очень нестабильна, поэтому ее трудно хранить и ею трудно управлять.

Попытки достичь управляемого термоядерного синтеза датируются началом 1950-х годов. В то время исследования проводились тайно Соединенными Штатами, а также Советским Союзом и Великобританией. В США, Принстонский Университет был точкой опоры для этого исследования. Там физик Лайман Спитцер начал проект Matterhorn, в рамках которого секретная группа ученых пыталась достичь управляемого термоядерного синтеза с помощью устройства под названием «стелларатор». У них не было компьютеров, и приходилось полагаться только на собственные расчеты. Хотя они не решили головоломку, они в конечном итоге разработали «энергетический принцип», который и сегодня остается мощным методом проверки идеальной стабильности плазмы.

Токамак

Между тем, ученые Советского Союза создали другое устройство - токамак. Эта машина, разработанная физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, использовала сильное магнитное поле, чтобы загнать горячую плазму в форму пончика. Токамак лучше удерживал плазму в горячем и стабильном состоянии, и по сей день большинство исследовательских программ по термоядерному синтезу опираются на дизайн токамака. Сегодня Китай, Европейский Союз, Индия, Япония, Корея, Россия и США объединились для строительства крупнейшего в мире реактора на токамаке, открытие которого ожидается в 2025 году. Тем не менее, в последние годы также возродился энтузиазм в отношении стеллараторов, и крупнейший в мире открылся в Германии в 2015 году. Инвестирование в оба метода, вероятно, дает нам лучший шанс в конечном итоге добиться успеха.

Плазма в околоземном пространстве

Плазма также связана с физикой пространства вокруг Земли, где вещества переносятся с помощью ветров, генерируемых в верхней атмосфере Солнца. Нам повезло, что магнитное поле Земли защищает нас от заряженных плазменных частиц и разрушительного излучения такого солнечного ветра, однако все наши спутники, космические корабли и астронавты подвергаются этому воздействию. Их способность выжить в этой враждебной среде зависит от понимания и приспособления к причудам плазмы.

В новой области, известной как «космическая погода», физика плазмы играет роль, аналогичную динамике жидкости в наземных атмосферных условиях. Есть такое явление, как магнитное пересоединение, при котором линии магнитного поля в плазме могут разрываться и пересоединяться, что приводит к быстрому высвобождению энергии. Считается, что этот процесс питает солнечные вспышки, хотя детальное понимание остается труднодостижимым. Но в будущем мы сможем предсказывать солнечные бури так же, как и плохую погоду на Земле.

В чем плазма помогает нам сегодня

Возможно, однажды физика плазмы даст нам представление о том, как впервые сформировались звезды, галактики и скопления галактик. Согласно стандартной космологической модели, плазма была распространена в ранней Вселенной, затем все стало остывать и заряженные электроны и протоны связывались вместе, чтобы сделать атомы водорода электрически нейтральными. Это состояние продолжалось до тех пор, пока не образовались первые звезды и черные дыры, которые начали излучать радиацию, после чего Вселенная «реионизировалась» и вернулась в состояние плазмы.

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

Плазма все еще кажется нам довольно экзотичным состоянием вещества, но по мере того, как мы будем учиться использовать ее потенциал и расширять наш взгляд на космос, она в один прекрасны день может стать для нас такой же обычной, как лед и вода. А если мы когда-нибудь достигнем контролируемого ядерного синтеза, то без плазмы мы больше просто не сможем жить.

Что такое четвертое состояние вещества, чем оно отличается от трех других и как заставить его служить человеку.

Предположение о существовании первого из состояний вещества, выходящих за рамки классической триады, было высказано в начале ХIХ века, а в 1920-х оно получило свое название – плазма

Полтораста лет назад почти все химики и многие физики считали, что материя состоит лишь из атомов и молекул, которые объединяются в более-менее упорядоченные или же совсем неупорядоченные комбинации. Мало кто сомневался, что все или почти все вещества способны существовать в трех разных фазах — твердой, жидкой и газообразной, которые они принимают в зависимости от внешних условий. Но гипотезы о возможности других состояний вещества уже высказывались.

Эту универсальную модель подтверждали и научные наблюдения, и тысячелетия опыта обыденной жизни. В конце концов, каждый знает, что вода при охлаждении превращается в лед, а при нагревании закипает и испаряется. Свинец и железо тоже можно перевести и в жидкость, и в газ, их надо лишь нагреть посильнее. С конца XVIII века исследователи замораживали газы в жидкости, и выглядело вполне правдоподобным, что любой сжиженный газ в принципе можно заставить затвердеть. В общем, простая и понятная картина трех состояний вещества вроде бы не требовала ни поправок, ни дополнений.

В 70 км от Марселя, в Сен-Поль-ле-Дюранс, по соседству с французским исследовательским центром атомной энергии Кадараш, будет построен исследовательский термоядерный реактор ITER (от лат. iter — путь). Основная официальная задача этого реактора — «продемонстрировать научную и технологическую возможность получения энергии термоядерного синтеза для мирных целей». В долговременной перспективе (30−35 лет) на основе данных, полученных во время экспериментов на реакторе ITER, могут быть созданы прототипы безопасных, экологически чистых и экономически прибыльных электростанций.

Ученые того времени немало удивились бы, узнав, что твердое, жидкое и газообразное состояния атомно-молекулярного вещества сохраняются лишь при относительно низких температурах, не превышающих 10 000°, да и в этой зоне не исчерпывают всех возможных структур (пример — жидкие кристаллы). Нелегко было бы и поверить, что на их долю приходится не больше 0,01% от общей массы нынешней Вселенной. Сейчас-то мы знаем, что материя реализует себя во множестве экзотических форм. Некоторые из них (например, вырожденный электронный газ и нейтронное вещество) существуют лишь внутри сверхплотных космических тел (белых карликов и нейтронных звезд), а некоторые (такие как кварк-глюонная жидкость) родились и исчезли в краткий миг вскоре после Большого взрыва. Однако интересно, что предположение о существовании первого из состояний, выходящих за рамки классической триады, было высказано все в том же ХIХ столетии, причем в самом его начале. В предмет научного исследования оно превратилось много позже, в 1920-х. Тогда же и получило свое название — плазма.

От Фарадея до Ленгмюра

Во второй половине 70-х годов XIX века член Лондонского королевского общества Уильям Крукс, весьма успешный метеоролог и химик (он открыл таллий и чрезвычайно точно определил его атомный вес), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках. К тому времени было известно, что отрицательный электрод испускает эманацию неизвестной природы, которую немецкий физик Ойген Голдштейн в 1876 году назвал катодными лучами. После множества опытов Крукс решил, что эти лучи есть не что иное, как частицы газа, которые после столкновения с катодом приобрели отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти заряженные частицы он назвал «лучистой материей», radiant matter.

Токамак — установка тороидальной формы для удержания плазмы с помощью магнитного поля. Плазма, разогретая до очень высоких температур, не касается стенок камеры, а удерживается магнитными полями — тороидальным, созданным катушками, и полоидальным, которое образуется при протекании тока в плазме. Сама плазма выполняет роль вторичной обмотки трансформатора (первичная — катушки для создания тороидального поля), что обеспечивает предварительный нагрев при протекании электрического тока.

Следует признать, что в таком объяснении природы катодных лучей Крукс не был оригинален. Еще в 1871 году сходную гипотезу высказал крупный британский инженер-электротехник Кромвелл Флитвуд Варли, один из руководителей работ по прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, — это уже не газ, а нечто совершенно иное. 22 августа 1879 года на сессии Британской ассоциации в поддержку науки Крукс заявил, что разряды в разреженных газах «так непохожи на все происходящее в воздухе или любом газе при обычном давлении, что в этом случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое по свойствам отличается от обычного газа в такой же степени, что и газ от жидкости».

Нередко пишут, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В действительности эта мысль гораздо раньше осенила Майкла Фарадея. В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что вещество может пребывать в твердом, жидком, газообразном и лучистом состояниях, radiant state of matter. В своем докладе Крукс прямо сказал, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Однако фарадеевская идея была все-таки умозрительной гипотезой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными.

Катодные лучи интенсивно изучали и после Крукса. В 1895 году эти эксперименты привели Вильяма Рёнтгена к открытию нового вида электромагнитного излучения, а в начале ХХ века обернулись изобретением первых радиоламп. Но круксовская гипотеза четвертого состояния вещества не вызвала интереса у физиков — скорее всего потому, что в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой не заряженные атомы газа, а очень легкие частицы, которые он назвал электронами. Это открытие, казалось, сделало гипотезу Крукса ненужной.

Снимок испытательного запуска корейского токамака KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) с получением «первой плазмы» 15 июля 2008 г. KSTAR, научно-исследовательский проект по изучению возможности термоядерного синтеза для получения энергии, использует 30 сверхпроводящих магнитов, охлаждаемых жидким гелием.

Однако она возродилась, как феникс из пепла. Во второй половине 1920-х будущий нобелевский лауреат по химии Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории корпорации General Electric, вплотную занялся исследованием газовых разрядов. Тогда уже знали, что в пространстве между анодом и катодом атомы газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Осознав, что подобный газ имеет множество особых свойств, Ленгмюр решил наделить его собственным именем. По какой-то странной ассоциации он выбрал слово «плазма», которое до этого использовали лишь в минералогии (это еще одно название зеленого халцедона) и в биологии (жидкая основа крови, а также молочная сыворотка). В своем новом качестве термин «плазма» впервые появился в статье Ленгмюра «Колебания в ионизованных газах», опубликованной в 1928 году. Лет тридцать этим термином мало кто пользовался, но потом он прочно вошел в научный обиход.

Физика плазмы

Классическая плазма — это ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами (строго говоря, там всегда присутствуют фотоны, но при умеренных температурах их можно не учитывать). Если степень ионизации не слишком мала (как правило, вполне достаточно одного процента), этот газ демонстрирует множество специфических качеств, которыми не обладают обычные газы. Впрочем, можно изготовить плазму, в которой свободных электронов не будет вовсе, а их обязанности возьмут на себя отрицательные ионы.

Для простоты рассмотрим лишь электронно-ионную плазму. Ее частицы притягиваются или отталкиваются в соответствии с законом Кулона, причем это взаимодействие проявляется на больших расстояниях. Именно этим они отличаются от атомов и молекул нейтрального газа, которые чувствуют друг друга лишь на очень малых дистанциях. Поскольку плазменные частицы пребывают в свободном полете, они легко смещаются под действием электрических сил. Для того чтобы плазма находилась в состоянии равновесия, необходимо, чтобы пространственные заряды электронов и ионов полностью компенсировали друг друга. Если это условие не выполняется, в плазме возникают электрические токи, которые восстанавливают равновесие (например, если в какой-то области образуется избыток положительных ионов, туда мгновенно устремятся электроны). Поэтому в равновесной плазме плотности частиц разных знаков практически одинаковы. Это важнейшее свойство называется квазинейтральностью.

Практически всегда атомы или молекулы обычного газа участвуют только в парных взаимодействиях — сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны. Иное дело плазма. Поскольку ее частицы связаны дальнодействующими кулоновскими силами, каждая из них находится в поле ближних и дальних соседей. Это означает, что взаимодействие между частицами плазмы не парное, а множественное — как говорят физики, коллективное. Отсюда следует стандартное определение плазмы — квазинейтральная система большого числа разноименных заряженных частиц, демонстрирующих коллективное поведение.

Мощные ускорители электронов имеют характерную длину в сотни метров и даже километры. Их размеры можно значительно уменьшить, если ускорять электроны не в вакууме, а в плазме — «на гребне» быстро распространяющихся возмущений плотности плазменных зарядов, так называемых кильватерных волн, возбуждаемых с помощью импульсов лазерного излучения.

Плазма отличается от нейтрального газа и реакцией на внешние электрические и магнитные поля (обычный газ их практически не замечает). Частицы плазмы, напротив, чувствуют сколь угодно слабые поля и немедленно приходят в движение, порождая объемные заряды и электрические токи. Еще одна важнейшая особенность равновесной плазмы — зарядовое экранирование. Возьмем частицу плазмы, скажем, положительный ион. Он притягивает электроны, которые формируют облако отрицательного заряда. Поле такого иона ведет себя в соответствии с законом Кулона лишь в его окрестности, а на расстояниях, превышающих определенную критическую величину, очень быстро стремится к нулю. Этот параметр называется дебаевским радиусом экранирования — в честь голландского физика Питера Дебая, который описал этот механизм в 1923 году.

Легко понять, что плазма сохраняет квазинейтральность, лишь если ее линейные размеры по всем измерениям сильно превышают дебаевский радиус. Стоит отметить, что этот параметр возрастает при нагреве плазмы и падает по мере увеличения ее плотности. В плазме газовых разрядов по порядку величины он равен 0,1 мм, в земной ионосфере — 1 мм, в солнечном ядре — 0,01 нм.

Управляемый термояд

В наши дни плазма используется в великом множестве технологий. Одни из них известны каждому (газосветные лампы, плазменные дисплеи), другие представляют интерес для узких специалистов (производство сверхпрочных защитных пленочных покрытий, изготовление микрочипов, дезинфекция). Однако наибольшие надежды на плазму возлагают в связи с работами по осуществлению управляемых термоядерных реакций. Это и понятно. Чтобы ядра водорода слились в ядра гелия, их надо сблизить на расстояние порядка одной стомиллиардной доли сантиметра — а там уже заработают ядерные силы. Такое сближение возможно лишь при температурах в десятки и сотни миллионов градусов — в этом случае кинетической энергии положительно заряженных ядер хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.

Плазма в окружающем мире почти вездесуща — ее можно найти не только в газовых разрядах, но и в ионосфере планет, в поверхностных и глубинных слоях активных звезд. Это и среда для осуществления управляемых термоядерных реакций, и рабочее тело для космических электрореактивных двигателей, и многое, многое другое.

Правда, плазма на основе обычного водорода здесь не поможет. Такие реакции происходят в недрах звезд, но для земной энергетики они бесполезны, поскольку слишком мала интенсивность энерговыделения. Лучше всего использовать плазму из смеси тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития в пропорции 1:1 (чисто дейтериевая плазма тоже приемлема, хотя даст меньше энергии и потребует более высоких температур для поджига).

Однако для запуска реакции одного нагрева маловато. Во‑первых, плазма обязана быть достаточно плотной; во‑вторых, попавшие в зону реакции частицы не должны покидать ее слишком быстро — иначе потеря энергии превысит ее выделение. Эти требования можно представить в виде критерия, который в 1955 году предложил английский физик Джон Лоусон. В соответствии с этой формулой произведение плотности плазмы на среднее время удержания частиц должно быть выше некоторой величины, определяемой температурой, составом термоядерного топлива и ожидаемым коэффициентом полезного действия реактора.

Легко увидеть, что существуют два пути выполнения критерия Лоусона. Можно сократить время удержания до наносекунд за счет сжатия плазмы, скажем, до 100−200 г/см3 (поскольку плазма при этом не успевает разлететься, этот метод удержания называют инерционным). Физики отрабатывают эту стратегию с середины 1960-х годов; сейчас ее наиболее совершенной версией занимается Ливерморская национальная лаборатория. В этом году там начнут эксперименты по компрессии миниатюрных капсул из бериллия (диаметр 1,8 мм), заполненных дейтериево-тритиевой смесью, с помощью 192 ультрафиолетовых лазерных пучков. Руководители проекта полагают, что не позднее 2012 года они смогут не только поджечь термоядерную реакцию, но и получить положительный выход энергии. Возможно, аналогичная программа в рамках проекта HiPER (High Power Laser Energy Research) в ближайшие годы будет запущена и в Европе. Однако даже если эксперименты в Ливерморе полностью оправдают возлагаемые на них ожидания, дистанция до создания настоящего термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы все равно останется очень большой. Дело в том, что для создания прототипа электростанции необходима очень скорострельная система сверхмощных лазеров. Она должна обеспечить такую частоту вспышек, зажигающих дейтериево-тритиевые мишени, которая в тысячи раз превысит возможности ливерморской системы, делающей не более 5−10 выстрелов в секунду. Сейчас активно обсуждаются различные возможности создания таких лазерных пушек, но до их практической реализации еще очень далеко.

Токамаки: старая гвардия

Альтернативно можно работать с разреженной плазмой (плотностью в нанограммы на кубический сантиметр), удерживая ее в зоне реакции не менее нескольких секунд. В таких экспериментах вот уже более полувека применяют различные магнитные ловушки, которые удерживают плазму в заданном объеме за счет наложения нескольких магнитных полей. Самыми перспективными считают токамаки — замкнутые магнитные ловушки в форме тора, впервые предложенные А.Д.Сахаровым и И.Е. Таммом в 1950 году. В настоящее время в различных странах работает с дюжину таких установок, крупнейшие из которых позволили приблизиться к выполнению критерия Лоусона. Международный экспериментальный термоядерный реактор, знаменитый ITER, который построят в поселке Кадараш неподалеку от французского города Экс-ан-Прованс, — тоже токамак. Если все пойдет по плану, ITER позволит впервые получить плазму, удовлетворяющую лоусоновскому критерию, и поджечь в ней термоядерную реакцию.

«За последние два десятка лет мы добились огромного прогресса в понимании процессов, которые происходят внутри магнитных плазменных ловушек, в частности — токамаков. В целом мы уже знаем, как движутся частицы плазмы, как возникают неустойчивые состояния плазменных потоков и до какой степени увеличивать давление плазмы, чтобы ее все-таки можно было удержать магнитным полем. Были также созданы новые высокоточные методы плазменной диагностики, то есть измерения различных параметров плазмы, — рассказал «ПМ» профессор ядерной физики и ядерных технологий Массачусетского технологического института Йен Хатчинсон, который свыше 30 лет занимается токамаками. — К настоящему времени в крупнейших токамаках достигнуты мощности выделения тепловой энергии в дейтериево-тритиевой плазме порядка 10 мегаватт на протяжении одной-двух секунд. ITER превзойдет эти показатели на пару порядков. Если мы не ошибаемся в расчетах, он сможет выдавать не менее 500 мегаватт в течение нескольких минут. Если уж совсем повезет, энергия будет генерироваться вообще без ограничения времени, в стабильном режиме».

Профессор Хатчинсон также подчеркнул, что ученые сейчас хорошо понимают характер процессов, которые должны происходить внутри этого огромного токамака: «Мы даже знаем условия, при которых плазма подавляет свои собственные турбулентности, а это очень важно для управления работой реактора. Конечно, необходимо решить множество технических задач — в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, способных выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку. Но с точки зрения физики плазмы картина достаточно ясна — во всяком случае мы так считаем. ITER должен подтвердить, что мы не ошибаемся. Если все так и будет, придет черед и токамаку следующего поколения, который станет прототипом промышленных термоядерных реакторов. Но сейчас об этом говорить еще рано. А пока мы рассчитываем, что ITER начнет работать в конце этого десятилетия. Скорее всего, он сможет генерировать горячую плазму никак не раньше 2018 года — во всяком случае по нашим ожиданиям». Так что с точки зрения науки и техники у проекта ITER неплохие перспективы.