плазма

ПЛАЗМА (от греч. plasma, букв. — вылепленное, оформленное)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

^{Лит. см. при статьях плазмохимия, плазмохимическая технология.}

_{А. А. Овсянников}