Plazma nədir - qeyri-adi qaz

Uşaqlıqdan bəri maddələrin birləşməsinin bir neçə vəziyyətini bilirik. Məsələn, suyu götürək. Onun adi vəziyyəti hər kəsə məlumdur - mayedir, hər yerdə yayılmışdır: çaylar, göllər, dənizlər, okeanlar. İkinci birləşmə vəziyyəti qazdır. Onu tez-tez görmürük. Suda qaz halına gəlməyin ən asan yolu onu qaynatmaqdır. Buxar suyun qaz halından başqa bir şey deyil. Üçüncü birləşmə vəziyyəti bərk cisimdir. Oxşar halı, məsələn, qış aylarında da müşahidə edə bilərik. Buz donmuş sudur və üçüncü aqreqasiya vəziyyəti var.
Bu nümunə aydın şəkildə göstərir ki, demək olar ki, hər hansı bir maddə üç aqreqasiya vəziyyətinə malikdir. Bəziləri üçün buna nail olmaq asandır, digərləri üçün daha çətindir (xüsusi şərtlər tələb olunur).

Lakin müasir fizika maddənin başqa, müstəqil vəziyyətini - plazmanı müəyyən edir.

Plazma həm müsbət, həm də mənfi yüklərin bərabər sıxlığına malik ionlaşmış qazdır. Bildiyiniz kimi, güclü qızdırıldıqda istənilən maddə üçüncü birləşmə vəziyyətinə - qaza keçir. Yaranan qazlı maddəni qızdırmağa davam etsək, nəticə kəskin artan istilik ionlaşması prosesi olan bir maddə olacaq; qazı təşkil edən atomlar parçalanaraq ionlar əmələ gətirir. Bu vəziyyəti çılpaq gözlə müşahidə etmək olar. Günəşimiz bir ulduzdur, kainatdakı milyonlarla digər ulduz və qalaktika kimi, yüksək temperaturlu plazmadan başqa bir şey yoxdur. Təəssüf ki, Yer kürəsində plazma təbii şəraitdə mövcud deyil. Amma biz bunu hələ də müşahidə edə bilərik, məsələn, şimşək çaxmasını. Laboratoriya şəraitində plazma əvvəlcə qazdan yüksək gərginlik keçirərək əldə edilmişdir. Bu gün bir çoxumuz gündəlik həyatda plazmadan istifadə edirik - bunlar adi qaz boşalma flüoresan lampalarıdır. Küçələrdə tez-tez neon reklamlara rast gəlmək olar ki, bu da şüşə borulardakı aşağı temperaturlu plazmadan başqa bir şey deyil.

Qaz halından plazmaya keçmək üçün qazın ionlaşması lazımdır. İonlaşma dərəcəsi birbaşa atomların sayından asılıdır. Başqa bir şərt temperaturdur.

1879-cu ilə qədər fizika maddənin yalnız üç vəziyyətini təsvir etdi və rəhbər tutdu. Ta ki, ingilis alimi, kimyaçı və fiziki Uilyam Kruks qazlarda elektrik cərəyanının keçiriciliyini öyrənmək üçün təcrübələr aparmağa başlayana qədər. Onun kəşflərinə Talium elementinin kəşfi, Heliumun laboratoriya şəraitində istehsalı və təbii ki, qaz-boşaltma borularında soyuq plazmanın istehsalı ilə bağlı ilk təcrübələr daxildir. Tanış olan “plazma” termini ilk dəfə 1923-cü ildə amerikalı alim Lenqmuir, daha sonra isə Tonkson tərəfindən istifadə edilmişdir. Bu vaxta qədər "plazma" yalnız qan və ya südün rəngsiz komponentini nəzərdə tuturdu.

Bugünkü araşdırmalar göstərir ki, məşhur inancın əksinə olaraq, kainatdakı bütün maddələrin təxminən 99%-i plazma halındadır. Bütün ulduzlar, bütün ulduzlararası fəza, qalaktikalar, dumanlıqlar, günəş fanatı plazmanın tipik nümayəndələridir.
Yer üzündə biz şimşək, şimal işıqları, “Müqəddəs Elmo atəşi”, Yerin ionosferi və təbii ki, yanğın kimi təbiət hadisələrini müşahidə edə bilərik.
İnsan plazmadan öz xeyrinə istifadə etməyi də öyrəndi. Maddənin dördüncü vəziyyəti sayəsində qaz boşalma lampaları, plazma televizorları, elektrik qövs qaynağı və lazerlərdən istifadə edə bilərik. Nüvə partlayışı və ya kosmik raketlərin buraxılması zamanı plazma hadisələrini də müşahidə edə bilərik.

Plazma istiqamətində prioritet tədqiqatlardan biri nüvə enerjisini təhlükəsiz əvəz etməli olan termonüvə birləşməsinin reaksiyası hesab edilə bilər.

Təsnifatına görə plazma aşağı temperaturlu və yüksək temperaturlu, tarazlıq və qeyri-tarazlıq, ideal və qeyri-ideal bölünür.
Aşağı temperaturlu plazma aşağı ionlaşma dərəcəsi (təxminən 1%) və 100 min dərəcəyə qədər olan temperatur ilə xarakterizə olunur. Məhz buna görə də bu növ plazmadan tez-tez müxtəlif texnoloji proseslərdə (səthə almaz plyonkasının vurulması, maddənin nəmləndirilməsinin dəyişdirilməsi, suyun ozonlanması və s.) istifadə olunur.

Yüksək temperatur və ya "isti" plazma demək olar ki, 100% ionlaşmaya malikdir (bu, dördüncü birləşmə vəziyyəti ilə nəzərdə tutulmuş vəziyyətdir) və 100 milyon dərəcəyə qədər bir temperatura malikdir. Təbiətdə bunlar ulduzlardır. Yer şəraitində termonüvə sintezi təcrübələri üçün istifadə olunan yüksək temperaturlu plazmadır. İdarə olunan reaksiya kifayət qədər mürəkkəb və enerji sərf edəndir, lakin idarə olunmayan reaksiya özünü nəhəng gücə malik silah - 1953-cü il avqustun 12-də SSRİ tərəfindən sınaqdan keçirilmiş termonüvə bombası kimi sübut etdi.
Ancaq bunlar həddindən artıqdır. Soyuq plazma insan həyatında öz yerini möhkəm tutdu; faydalı idarə olunan termonüvə birləşmə hələ də xəyaldır; silahlar əslində tətbiq olunmur.

Ancaq gündəlik həyatda plazma həmişə eyni dərəcədə faydalı deyil. Bəzən plazma boşalmalarının qarşısını almaq lazım olan vəziyyətlər var. Məsələn, hər hansı keçid prosesləri zamanı kontaktlar arasında plazma qövsünü müşahidə edirik ki, bu da təcili olaraq söndürülməlidir.

Plazmanın vəziyyəti elmi ictimaiyyət tərəfindən demək olar ki, yekdilliklə maddənin dördüncü vəziyyəti kimi tanınır. Bu dövlətin ətrafında hətta bu fenomeni öyrənən ayrıca bir elm - plazma fizikası formalaşmışdır. Plazma və ya ionlaşmış qazın vəziyyəti, sistemin istənilən həcmində ümumi yükü sıfır olan bir kvazineytral qaz olan yüklü hissəciklər dəsti kimi təmsil olunur.

Qaz boşalması zamanı meydana gələn qaz boşalma plazması da var. Elektrik cərəyanı qazdan keçdikdə, birincisi qazı ionlaşdırır, onun ionlaşmış hissəcikləri cərəyanı daşıyır. Laboratoriya şəraitində plazma belə alınır, onun ionlaşma dərəcəsi cari parametrlərin dəyişdirilməsi ilə idarə oluna bilər. Bununla belə, yüksək temperaturlu plazmadan fərqli olaraq, qaz boşalma plazması cərəyanla qızdırılır və buna görə də ətrafdakı qazın yüksüz hissəcikləri ilə qarşılıqlı əlaqədə olduqda tez soyuyur.

Elektrik qövsü - ionlaşmış kvazi-neytral qaz

Plazmanın xüsusiyyətləri və parametrləri

Qazdan fərqli olaraq, plazma vəziyyətində olan bir maddə çox yüksək elektrik keçiriciliyinə malikdir. Plazmanın ümumi elektrik yükü adətən sıfır olsa da, ona maqnit sahəsi əhəmiyyətli dərəcədə təsir edir ki, bu da Günəşdə müşahidə olunduğu kimi bu cür maddənin jetlərinin axmasına və onu təbəqələrə ayırmasına səbəb ola bilər.

Spikullar günəş plazmasının axınlarıdır

Plazmanı qazdan fərqləndirən başqa bir xüsusiyyət kollektiv qarşılıqlı təsirdir. Əgər qaz hissəcikləri adətən iki-iki toqquşursa və bəzən yalnız üç hissəciyin toqquşması müşahidə olunursa, plazma hissəcikləri elektromaqnit yüklərinin olması səbəbindən bir neçə hissəciklə eyni vaxtda qarşılıqlı təsir göstərir.

Parametrlərindən asılı olaraq plazma aşağıdakı siniflərə bölünür:

• Temperaturla: aşağı temperatur - bir milyon kelvindən az və yüksək temperatur - bir milyon kelvin və ya daha çox. Belə bir ayrılığın mövcud olmasının səbəblərindən biri yalnız yüksək temperaturlu plazmanın termonüvə birləşməsində iştirak etmək qabiliyyətinə malik olmasıdır.
• Tarazlıq və qeyri-tarazlıq. Elektronların temperaturu ionların temperaturundan əhəmiyyətli dərəcədə yüksək olan plazma vəziyyətində olan maddə qeyri-tarazlıq adlanır. Elektronların və ionların temperaturu eyni olduqda, tarazlıq plazmasından danışırıq.
• İonlaşma dərəcəsinə görə: yüksək ionlaşmış və aşağı ionlaşma dərəcəsinə malik plazma. Fakt budur ki, hətta 1% hissəcikləri ionlaşan ionlaşmış qaz da plazmanın bəzi xüsusiyyətlərini nümayiş etdirir. Lakin plazma adətən tam ionlaşmış qaz adlanır (100%). Bu vəziyyətdə olan bir maddənin nümunəsi günəş maddəsidir. İonlaşma dərəcəsi birbaşa temperaturdan asılıdır.

Ərizə

Plazma işıqlandırma texnologiyasında ən böyük tətbiqini tapdı: qaz boşalma lampalarında, ekranlarda və gərginlik stabilizatoru və ya mikrodalğalı radiasiya generatoru kimi müxtəlif qaz boşaltma cihazlarında. İşıqlandırmaya qayıtmaq - bütün qaz boşaltma lampaları qazdan keçən cərəyanın axınına əsaslanır, bu da sonuncunun ionlaşmasına səbəb olur. Texnologiyada məşhur olan plazma ekran yüksək ionlaşmış qazla doldurulmuş qaz boşalma kameralarının dəstidir. Bu qazda baş verən elektrik boşalması ultrabənövşəyi radiasiya yaradır, bu da fosfor tərəfindən udulur və sonra onun görünən diapazonda parlamasına səbəb olur.

Plazmanın ikinci tətbiq sahəsi astronavtika, daha dəqiq desək, plazma mühərrikləridir. Belə mühərriklər qaz, adətən, qaz-boşalma kamerasında yüksək ionlaşmış ksenon əsasında işləyir. Bu proses nəticəsində maqnit sahəsi tərəfindən də sürətləndirilən ağır ksenon ionları mühərrikin təkanını yaradan güclü bir axın əmələ gətirir.

Ən böyük ümidlər plazmaya - termonüvə reaktoru üçün "yanacaq" kimi verilir. Günəşdə baş verən atom nüvələrinin birləşmə proseslərini təkrarlamaq istəyən alimlər plazmadan sintez enerjisi almaq üzərində işləyirlər. Belə bir reaktorun içərisində yüksək qızdırılan maddə (deyterium, tritium və ya hətta) plazma vəziyyətindədir və elektromaqnit xüsusiyyətlərinə görə maqnit sahəsi tərəfindən saxlanılır. İlkin plazmadan daha ağır elementlərin əmələ gəlməsi enerjinin ayrılması ilə baş verir.

Plazma sürətləndiriciləri yüksək enerjili fizika təcrübələrində də istifadə olunur.

Təbiətdəki plazma

Plazma vəziyyəti maddənin ən ümumi formasıdır və bütün Kainatın kütləsinin təxminən 99%-ni təşkil edir. Hər hansı bir ulduzun maddəsi yüksək temperaturlu plazma laxtasıdır. Ulduzlarla yanaşı, kosmosu dolduran ulduzlararası aşağı temperaturlu plazma da var.

Ən bariz nümunə neytral qazların (oksigen və azot), eləcə də yüksək ionlaşmış qazların qarışığı olan Yerin ionosferidir. İonosfer günəş radiasiyası ilə qazın şüalanması nəticəsində əmələ gəlir. Kosmik radiasiyanın ionosferlə qarşılıqlı təsiri aurora gətirib çıxarır.

Yer kürəsində plazmanı ildırım çaxması anında müşahidə etmək olar. Atmosferdə axan elektrik qığılcım yükü öz yolu boyunca qazı güclü şəkildə ionlaşdırır və bununla da plazma əmələ gətirir. Qeyd etmək lazımdır ki, "dolu" plazma, fərdi yüklü hissəciklər dəsti kimi, 8000 dərəcədən yuxarı temperaturda əmələ gəlir. Bu səbəbdən yanğının (temperaturu 4000 dərəcədən çox olmayan) plazma olması iddiası sadəcə olaraq məşhur yanlış fikirdir.

Plazmanın qeyri-real, anlaşılmaz, fantastik bir şeylə əlaqələndirildiyi dövrlər çoxdan geridə qalıb. Bu günlərdə bu konsepsiya fəal şəkildə istifadə olunur. Plazma sənayedə istifadə olunur. Ən çox işıqlandırma texnologiyasında istifadə olunur. Buna misal olaraq küçələri işıqlandıran qaz boşaldıcı lampaları göstərmək olar. Ancaq flüoresan lampalarda da mövcuddur. Elektrik qaynaqında da mövcuddur. Axı, bir qaynaq qövsü plazma məşəli tərəfindən yaradılan bir plazmadır. Çoxlu başqa misallar çəkmək olar.

Plazma fizikası mühüm elm sahəsidir. Buna görə də onunla əlaqəli əsas anlayışları başa düşməyə dəyər. Məqaləmiz buna həsr edilmişdir.

Plazmanın tərifi və növləri

Fizikada verilən şey olduqca aydındır. Plazma, maddənin içərisində daha çox və ya daha az sərbəst hərəkət edə bilən əhəmiyyətli miqdarda (hissəciklərin ümumi sayı ilə müqayisə edilə bilən) yüklü hissəciklərin (daşıyıcıların) olması halında maddənin vəziyyətidir. Fizikada plazmanın aşağıdakı əsas növlərini ayırd etmək olar. Əgər daşıyıcılar eyni tipli hissəciklərə aiddirsə (və sistemi neytrallaşdıran əks yük işarəli hissəciklər hərəkət azadlığına malik deyillərsə) ona birkomponentli deyilir. Əks halda, o, iki və ya çox komponentlidir.

Plazma Xüsusiyyətləri

Beləliklə, plazma anlayışını qısaca təsvir etdik. Fizika dəqiq bir elmdir, ona görə də təriflər olmadan edə bilməzsiniz. İndi isə maddənin bu halının əsas xüsusiyyətlərindən danışaq.

Fizikada aşağıdakılar. Əvvəla, bu vəziyyətdə, onsuz da kiçik elektromaqnit qüvvələrinin təsiri altında, daşıyıcıların hərəkəti baş verir - bu qüvvələr mənbələrinin süzülməsi səbəbindən yox olana qədər bu şəkildə axan bir cərəyan. Buna görə də, plazma sonda kvazi neytral olduğu bir vəziyyətə keçir. Başqa sözlə, onun müəyyən bir mikroskopik dəyərdən böyük həcmləri sıfır yükə malikdir. Plazmanın ikinci xüsusiyyəti Kulon və Amper qüvvələrinin uzun məsafəli təbiəti ilə bağlıdır. Bu, bu vəziyyətdəki hərəkətlərin, bir qayda olaraq, çox sayda yüklü hissəcikləri əhatə edən kollektiv xarakter daşımasıdır. Bunlar fizikada plazmanın əsas xüsusiyyətləridir. Onları xatırlamaq faydalı olardı.

Bu xüsusiyyətlərin hər ikisi plazma fizikasının qeyri-adi dərəcədə zəngin və müxtəlif olmasına gətirib çıxarır. Onun ən parlaq təzahürü müxtəlif növ qeyri-sabitliyin baş verməsinin asanlığıdır. Onlar plazmanın praktik istifadəsini çətinləşdirən ciddi maneədir. Fizika daim inkişaf edən bir elmdir. Ona görə də ümid etmək olar ki, zaman keçdikcə bu maneələr aradan qalxacaq.

Mayelərdə plazma

Quruluşların konkret nümunələrinə keçərək, biz qatılaşdırılmış maddədə plazma alt sistemlərini nəzərdən keçirərək başlayırıq. Mayelər arasında ilk növbədə qeyd etmək lazımdır - plazma alt sisteminə uyğun gələn nümunə - elektron daşıyıcılarının bir komponentli plazması. Düzünü desək, bizi maraqlandıran kateqoriyaya hər iki işarənin daşıyıcıları - ionları olan elektrolit mayeləri daxil edilməlidir. Lakin müxtəlif səbəblərdən elektrolitlər bu kateqoriyaya daxil edilmir. Onlardan biri elektrolitin elektron kimi yüngül, mobil daşıyıcıların olmamasıdır. Buna görə yuxarıda göstərilən plazma xassələri daha az ifadə edilir.

Kristallarda plazma

Kristallardakı plazmanın xüsusi adı var - bərk plazma. İon kristallarının yükləri olsa da, onlar hərəkətsizdirlər. Ona görə də orada plazma yoxdur. Metallarda birkomponentli plazmanı təşkil edən keçiriciliklər var. Onun yükü hərəkətsiz (daha doğrusu, uzun məsafələrdə hərəkət edə bilməyən) ionların yükü ilə kompensasiya olunur.

Yarımkeçiricilərdə plazma

Plazma fizikasının əsaslarını nəzərə alaraq qeyd etmək lazımdır ki, yarımkeçiricilərdə vəziyyət daha müxtəlifdir. Onu qısaca təsvir edək. Bu maddələrdə birkomponentli plazma, onlara uyğun çirklər daxil olduqda yarana bilər. Əgər çirklər asanlıqla elektronlardan (donorlardan) imtina edərsə, onda n tipli daşıyıcılar - elektronlar meydana çıxır. Əgər çirklər, əksinə, elektronları (qəbulediciləri) asanlıqla seçirsə, onda p tipli daşıyıcılar - müsbət yüklü hissəciklər kimi davranan deşiklər (elektron paylanmasında boş yerlər) görünür. Yarımkeçiricilərdə elektronlar və dəliklərdən əmələ gələn iki komponentli plazma daha da sadə şəkildə yaranır. Məsələn, valentlik zolağından elektronları keçiricilik zolağına atan işıq nasosunun təsiri altında görünür. Nəzərə alın ki, müəyyən şərtlərdə bir-birinə cəlb olunan elektronlar və dəliklər hidrogen atomuna bənzər bağlı bir vəziyyət - eksiton yarada bilər və əgər nasos intensivdirsə və eksitonların sıxlığı yüksəkdirsə, onda onlar birləşərək bir damcı əmələ gətirirlər. elektron deşikli maye. Bəzən bu vəziyyət maddənin yeni vəziyyəti hesab olunur.

Qazın ionlaşması

Verilmiş nümunələr plazma vəziyyətinin xüsusi hallarına istinad edilir və plazma onun təmiz formada adlanır. Bir çox amillər onun ionlaşmasına səbəb ola bilər: elektrik sahəsi (qaz boşalması, tufan), işıq axını (fotoionlaşma), sürətli hissəciklər (radiaktiv mənbələrdən şüalanma). , kəşf edilmiş ionlaşma dərəcəsi hündürlüklə artır). Bununla belə, əsas amil qazın qızdırılmasıdır (termal ionlaşma). Bu halda, elektron yüksək temperatura görə kifayət qədər kinetik enerjiyə malik olan başqa bir qaz hissəciyi ilə sonuncu ilə toqquşmadan ayrılır.

Yüksək və aşağı temperaturlu plazma

Aşağı temperaturlu plazmanın fizikası demək olar ki, hər gün təmasda olduğumuz bir şeydir. Belə vəziyyətə misal olaraq alov, qaz boşalmasında maddə və şimşək, müxtəlif növ soyuq kosmik plazma (planetlərin və ulduzların iono- və maqnitosferləri), müxtəlif texniki cihazlarda işləyən maddə (MHD generatorları, ocaqlar və s.) ola bilər. Erkən uşaqlıq və qocalıq dövrü istisna olmaqla, ulduzların təkamülünün bütün mərhələlərində olan maddəni, idarə olunan termonüvə birləşmə qurğularında (tokamaklar, lazer cihazları, şüa cihazları və s.) işləyən maddəni yüksək temperaturlu plazmaya misal göstərmək olar.

Maddənin dördüncü vəziyyəti

Əsr yarım əvvəl bir çox fizik və kimyaçı maddənin yalnız molekul və atomlardan ibarət olduğuna inanırdılar. Onlar ya tamamilə nizamsız, ya da daha çox və ya daha az nizamlanmış birləşmələrə birləşdirilir. Üç faza olduğuna inanılırdı - qaz, maye və bərk. Maddələr onları xarici şəraitin təsiri altında qəbul edir.

Halbuki hal-hazırda maddənin 4 halının olduğunu deyə bilərik. Yeni hesab edilə bilən plazmadır, dördüncü. Onun qatılaşdırılmış (bərk və maye) hallardan fərqi ondan ibarətdir ki, o, qaz kimi təkcə kəsilmə elastikliyinə deyil, həm də sabit daxili həcmə malikdir. Digər tərəfdən, plazma kondensasiya vəziyyəti ilə qısa məsafəli nizamın mövcudluğu ilə əlaqələndirilir, yəni müəyyən bir plazma yükünə bitişik hissəciklərin mövqelərinin və tərkibinin korrelyasiyası. Bu halda belə bir əlaqə molekullararası qüvvələr tərəfindən deyil, Kulon qüvvələri tərəfindən yaradılır: verilmiş yük özü ilə eyni adlı yükləri dəf edir və eyni adlı yükləri cəlb edir.

Plazma fizikası bizim tərəfimizdən qısaca nəzərdən keçirildi. Bu mövzu kifayət qədər genişdir, ona görə də yalnız onun əsaslarını əhatə etdiyimizi deyə bilərik. Plazma fizikası, şübhəsiz ki, daha çox diqqətə layiqdir.

Qədim yunanlar bizə möhtəşəm sənət əsərlərindən əlavə, sadəlövh sadəliyi ilə gözəl olan dünyanın quruluşu haqqında bir fikir verdilər. Onlar inanırdılar ki, hər şey dörd “prinsip” və ya “ünsür”ə əsaslanır: torpaq, su, hava və od. Artıq Lomonosovun dövründə məlum oldu ki, onlardan ilk üçü müvafiq olaraq bərk, maye və qaz adlanan maddənin müxtəlif hallarıdır. Bəs yanğın? Uzun müddət elm adamları onu maddənin mövcudluğunun müstəqil forması kimi fərqləndirmədilər. Və yalnız son onilliklərdə plazma adlanan maddənin odlu vəziyyətinin sirlərinə nüfuz etmək mümkün olmuşdur.

ÜÇ ŞƏRTDƏN - DÖRDÜNCÜ ŞƏRTDƏN

Dördüncü vəziyyətin digərlərindən necə fərqləndiyini başa düşmək üçün hər hansı bir maddənin "tikinti bloklarına" baxaq - . Hər bir maddənin atomu müsbət yüklü nüvədən və müxtəlif orbitlərdə hərəkət edən mənfi yüklü elektronların qabığından ibarətdir. Bu qabığı məhv etmək asan deyil: elektrik qarşılıqlı təsir qüvvələri elektronları öz orbitlərində saxlayır.

...Günəşli bir yaz günündə səkidə buz parçasının əriməsini seyr etmək olar. Buz qaraldı, boşaldı və altında su göründü. Sonra suyun üzərindən nazik duman axınları tüstülənməyə başladı və qısa müddətdən sonra su da yox oldu: o... Bu çevrilmələrin hər ikisində suya daxil olan atomların elektron qabığı çox az iştirak edir. Buzu qızdıran günəş şüaları əvvəlcə onun molekullarına buzu məhv etmək üçün kifayət qədər istilik enerjisi verir. Sonra su molekullarına ötürülən istilik enerjisi onların arasındakı bağları pozur - nəticədə buxar yaranır. Gəlin onu bir qaba qoyub qızdırmağa başlayaq.

Səbirli olmalıyıq. Cihaz beş yüz, min, iki min dərəcə göstərir. Hələ heç nə hiss etmirik. Ancaq bir neçə min dərəcə temperaturda gəmidə zəif bir parıltı görünür, temperatur daha da artdıqca getdikcə daha parlaq olur.

Fizik deyəcək ki, indi su buxarı plazma vəziyyətinə keçib. Amma biz bunu hiss etmədik. Ancaq insan gözü üçün görünməyən şey həssas fiziki alətlər üçün sirr deyil. Bizə "görməyi" bacardıqları barədə danışacaqlar.

PLAZMA DOĞULUR

Qazla gəmiyə verilən istilik enerjisi nəyə sərf olunur? Molekulyar hərəkət sürətini artırmaq üçün. Gəmidə daha sürətli və daha sürətli qaçırlar, bir-biri ilə daha tez-tez və daha enerjili toqquşurlar. Eyni zamanda, atomlarının elektron qabıqları nüvə ilə ən zəif şəkildə əlaqəli olan xarici elektronlar onlardan qopmağa başlayana qədər daha güclü "silkələnir". Atomlar müsbət yük alır və ionlara çevrilir.

Cihaz bizə xəbər verir: ionlaşma başlayıb - qazda sərbəst elektronlar və ionlaşmış atomlar peyda olub. Temperatur yüksəlir və atomların qabıqları “tikişlərdə partlayır”. Daxili elektronlar atomdan qaçmağa çalışır. Ancaq yeni bir toqquşma onlara "çıxışda" kömək etməsə, nüvə onları geri çəkəcəkdir. Qayıdanda elektronlar öz enerjilərini cihaz tərəfindən qeydə alınan elektromaqnit şüalanma şəklində verirlər. Bəli, özümüz görə bilərik: qaz parlamağa başladı.

Temperaturun daha da artması ilə qabdakı parıltı tədricən göz qamaşdıracaq dərəcədə parlaq olur, gözlər üçün dözülməz olur. Plazma, belə demək mümkünsə, ideal vəziyyətə çatır: qabda yalnız sərbəst elektronlar və tamamilə çılpaq atom nüvələri qalır. Xəyali termometr, bir qaba qoyulsa, bir neçə milyon dərəcə temperatur göstərəcək.

BU KƏDƏR SADƏ DEYİL

Biz rezervasiya etməmişik. Xəyali olan təkcə termometr deyil, həm də təcrübənin özüdür. Qazı belə bir temperatura qədər qızdırmaq, məsələn, çaydanda qaynar su qədər sadə deyil.

Qaza verilən enerjinin çıxdığı ilk boşluq, qızdırılan gəminin divarlarıdır. Onlar istilik izolyasiya edən materialdan hazırlansa belə, hətta bu halda temperatur yalnız qaz parıldamağa başlayana qədər artırıla bilər. Enerji indi qazdan elektromaqnit şüalanma şəklində çıxır. Güzgü divarları da kömək etmir.

Aydın məsələdir ki, qaza enerji termal yolla deyil, verilməlidir. Nə cür? Plazma istehsal etməyin ən yaxşı yolu elektrik boşalmasıdır. Onun üstünlükləri nələrdir? Birincisi, bütün proseslər kimyəvi yanma reaksiyasından daha sürətli gedir. Bundan əlavə, boşalma müddəti saniyənin milyonda biri ilə məhdudlaşdırıla bilər və güc milyonlarla kilovatta qədər artırıla bilər. Bu vacibdir: boşalma enerjinin qazdan çıxmasından daha tez qaza verilməsinə imkan verir.

Təbiətdə və gündəlik həyatda qazlarda elektrik boşalmasının bir çox nümunəsi ilə qarşılaşırıq. Bu ildırım və voltaik qövs, yüksək gərginlikli naqillərin parıltısı və elektrik dövrəsində qığılcımlar. Bəs niyə elektrik cərəyanı ümumiyyətlə izolyator kimi tanınan qazlardan keçir? Bu sualla yanaşı, eyni dərəcədə maraqlı olan bir çox başqaları ortaya çıxır.

OTAQDA İONLAR. SOYUQ PLAZMA

Belə çıxır ki, qaz yalnız nəzəri cəhətdən belə desək, izolyatordur. Təcrübədə zəif olsa da, həmişə elektrik cərəyanını keçirir. Bəzi insanlar, yəqin ki, nəfəs aldığımız havada ionların olduğunu belə dərk etmirlər. Göründüyü kimi, eyni ionlar yalnız çox yüksək temperaturda əmələ gələ bilər. Onların görünüşü kosmik şüaların, eləcə də yer qabığında yerləşən radioaktiv maddələrin təsiri nəticəsində yaranır. Düzdür, bu ionlar çox azdır, lakin onlar cərəyanın qaza daxil olduğu “yoldur”.

Ancaq başqasının evində qonaq başqa cür davrana bilər. Elektrodlardakı gərginlik aşağı olarsa, boşalma yalnız həssas cihazların köməyi ilə aşkar edilə bilər - zəif cərəyan axır və qaz atomları əksər hallarda neytral qalır. Gərginliyi artıraq. Cərəyan artacaq. İonlaşma prosesində getdikcə daha çox qaz atomu iştirak edir, nəhayət uçqun boşalması baş verənə qədər və bununla da maddənin plazma vəziyyəti.

Biz artıq bilirik ki, plazma əldə etmək üçün qazı yüksək temperatura qədər qızdırmaq lazımdır. Ancaq flüoresan lampaya toxunun. Yanmaqdan qorxma: onun divarları tamamilə soyuqdur. Bu vaxt içindəki civə buxarı parlayır və bu plazmanın əlamətidir. Necə? Fakt budur ki, eyni plazmada eyni vaxtda bir neçə fərqli temperatur ola bilər.

Bunu başa düşmək üçün temperaturun tərifini xatırlayaq - gündəlik deyil, elmi. Temperatur maddə hissəciklərinin xaotik hərəkətinin orta enerjisinin ölçüsüdür. Bu enerji nə qədər çox olarsa, temperatur bir o qədər yüksək olar. İonlaşmış qazda ən azı üç növ hissəcik var: elektronlar, ionlar və neytral atomlar. Əgər qazların qarışığı varsa, onda müxtəlif növ hissəciklərin sayı daha da çoxdur. Qaz qızdırıldıqda onun hissəcikləri arasında toqquşmalar son nəticədə içindəki bütün növ hissəciklərin hərəkət enerjilərinin bərabərləşməsinə, yəni temperaturun bərabərləşməsinə gətirib çıxarır. Plazmada müəyyən bir orta temperatur müəyyən edilir. Belə plazma izotermik adlanır.

Başqa bir şey qazın elektrik boşalması ilə ionlaşmasıdır. Burada enerjilərin uyğunlaşdırılması yoxdur. Bir qazdan cərəyan keçəndə neytral atomlara dəyən elektronlar atomlarla müqayisədə çox yüngül olduqları üçün hərəkət enerjisini demək olar ki, dəyişmir. Lakin elektronlar atomları ionlaşdıra və həyəcanlandıra bilər və sonra parıltı yaranır. Başqa sözlə, elektronların orta enerjisi ionların orta enerjisindən yüksəkdir və buna görə də elektronların temperaturu ionlardan yüksəkdir.

Bu qeyri-izotermik plazmadır. Elektron temperaturu on minlərlə dərəcəyə çata bilən flüoresan lampalarda mövcuddur - qaz parlayır. İyon temperaturu otaq temperaturunu keçmir - lampanın divarları soyuqdur. Bu temperaturlar yalnız çox yüksək təzyiqdə bərabərləşdirilə bilər.

Ardı var.

Düşünürəm ki, hər kəs maddənin 3 əsas vəziyyətini bilir: maye, bərk və qaz. Maddənin bu halları ilə hər gün və hər yerdə qarşılaşırıq. Çox vaxt onlar su nümunəsindən istifadə edilir. Suyun maye halı bizə ən çox tanışdır. Biz daim maye su içirik, kranımızdan axır, özümüz isə 70% maye suyuq. Suyun ikinci fiziki vəziyyəti qışda küçədə gördüyümüz adi buzdur. Gündəlik həyatda su qaz halında da tapmaq asandır. Qaz halında su, hamımızın bildiyimiz kimi, buxardır. Bunu, məsələn, çaydanı qaynatdığımız zaman görmək olar. Bəli, 100 dərəcədə su maye haldan qaz halına keçir.

Bunlar bizə tanış olan maddənin üç vəziyyətidir. Bəs siz bilirdinizmi ki, əslində onlardan 4-ü var? Düşünürəm ki, hər kəs ən azı bir dəfə “plazma” sözünü eşitmişdir. Və bu gün sizdən plazma - maddənin dördüncü vəziyyəti haqqında daha çox öyrənmək istəyirəm.

Plazma həm müsbət, həm də mənfi yüklərin bərabər sıxlığına malik qismən və ya tam ionlaşmış qazdır. Plazma qazdan əldə edilə bilər - güclü qızdırma ilə maddənin 3-cü aqreqasiya vəziyyətindən. Ümumilikdə yığılma vəziyyəti, əslində, tamamilə temperaturdan asılıdır. Birinci aqreqasiya vəziyyəti bədənin bərk qaldığı ən aşağı temperaturdur, ikinci birləşmə vəziyyəti bədənin əriyib maye olmağa başladığı temperaturdur, üçüncü aqreqasiya vəziyyəti ən yüksək temperaturdur ki, bu zaman maddə olur. qaz. Hər bir bədən, maddə üçün bir birləşmə vəziyyətindən digərinə keçid temperaturu tamamilə fərqlidir, bəziləri üçün aşağı, bəziləri üçün daha yüksəkdir, lakin hamı üçün bu ardıcıllıqla ciddi şəkildə olur. Hansı temperaturda maddə plazmaya çevrilir? Bu dördüncü vəziyyət olduğundan, ona keçid temperaturunun hər bir əvvəlki vəziyyətindən daha yüksək olması deməkdir. Və həqiqətən də belədir. Qazı ionlaşdırmaq üçün çox yüksək temperatur tələb olunur. Ən aşağı temperatur və aşağı ionlaşmış (təxminən 1%) plazma 100 min dərəcəyə qədər temperaturla xarakterizə olunur. Yer şəraitində belə plazma ildırım şəklində müşahidə oluna bilər. İldırım kanalının temperaturu 30 min dərəcəni keçə bilər ki, bu da Günəşin səthinin temperaturundan 6 dəfə yüksəkdir. Yeri gəlmişkən, Günəş və bütün digər ulduzlar da plazmadır, əksər hallarda yüksək temperaturdur. Elm sübut edir ki, Kainatdakı bütün maddələrin təxminən 99%-i plazmadır.

Aşağı temperaturlu plazmadan fərqli olaraq, yüksək temperaturlu plazma demək olar ki, 100% ionlaşmaya və 100 milyon dərəcəyə qədər temperatura malikdir. Bu, həqiqətən bir ulduz temperaturudur. Yer üzündə belə plazma yalnız bir halda - termonüvə sintezi təcrübələri üçün tapılır. İdarə olunan reaksiya kifayət qədər mürəkkəb və enerji sərf edəndir, lakin idarə olunmayan reaksiya özünü nəhəng gücə malik silah - 1953-cü il avqustun 12-də SSRİ tərəfindən sınaqdan keçirilmiş termonüvə bombası kimi sübut etdi.

Plazma təkcə temperatura və ionlaşma dərəcəsinə görə deyil, həm də sıxlığa və kvazi neytrallığa görə təsnif edilir. Kolleksiya plazma sıxlığı adətən deməkdir elektron sıxlığı, yəni həcm vahidinə düşən sərbəst elektronların sayı. Yaxşı, bununla da hər şeyin aydın olduğunu düşünürəm. Amma hər kəs kvazi neytrallığın nə olduğunu bilmir. Plazmanın kvazineytrallığı onun ən vacib xüsusiyyətlərindən biridir ki, bu da onun tərkibinə daxil olan müsbət ionların və elektronların sıxlıqlarının demək olar ki, dəqiq bərabərliyindən ibarətdir. Plazmanın yaxşı elektrik keçiriciliyinə görə, müsbət və mənfi yüklərin ayrılması Debay uzunluğundan daha böyük məsafələrdə və bəzən plazma salınımları dövründən daha çox olan müddətdə mümkün deyil. Demək olar ki, bütün plazma kvazi neytraldır. Qeyri-neytral plazma nümunəsi elektron şüadır. Bununla belə, neytral olmayan plazmaların sıxlığı çox kiçik olmalıdır, əks halda onlar Coulomb itələməsi səbəbindən tez çürüyəcəklər.

Biz plazmanın çox az yerüstü nümunəsinə baxmışıq. Ancaq onların kifayət qədər çoxu var. İnsan plazmadan öz xeyrinə istifadə etməyi öyrənib. Maddənin dördüncü vəziyyəti sayəsində qaz boşalma lampaları, plazma televizorları, elektrik qövs qaynağı və lazerlərdən istifadə edə bilərik. Adi flüoresan boşalma lampaları da plazmadır. Dünyamızda plazma lampası da var. Əsasən elmdə filamentləşmə də daxil olmaqla ən mürəkkəb plazma hadisələrini öyrənmək və ən əsası görmək üçün istifadə olunur. Belə bir lampanın fotoşəkilini aşağıdakı şəkildə görmək olar:

Məişət plazma cihazları ilə yanaşı, təbii plazmanı da Yer kürəsində tez-tez görmək olar. Onun nümunələrindən biri haqqında artıq danışdıq. Bu ildırımdır. Ancaq ildırımdan əlavə, plazma hadisələrini şimal işıqları, "Müqəddəs Elmo atəşi", Yerin ionosferi və əlbəttə ki, atəş adlandırmaq olar.

Diqqət yetirin ki, od, ildırım və plazmanın digər təzahürləri, bizim adlandırdığımız kimi, yanır. Plazmadan belə parlaq işıq emissiyasının səbəbi nədir? Plazma parıltısı elektronların ionlarla rekombinasiya edildikdən sonra yüksək enerjili vəziyyətdən aşağı enerjili vəziyyətə keçməsi nəticəsində yaranır. Bu proses həyəcanlanmış qaza uyğun spektrə malik şüalanma ilə nəticələnir. Buna görə plazma parlayır.

Plazmanın tarixindən də bir az danışmaq istərdim. Axı, bir vaxtlar yalnız südün maye komponenti və qanın rəngsiz komponenti kimi maddələr plazma adlanırdı. 1879-cu ildə hər şey dəyişdi. Məhz həmin il məşhur ingilis alimi Uilyam Kruks qazlarda elektrik keçiriciliyini öyrənərkən plazma fenomenini kəşf etdi. Düzdür, maddənin bu vəziyyəti yalnız 1928-ci ildə plazma adlanırdı. Və bunu İrvinq Lenqmuir etdi.

Sonda demək istəyirəm ki, bu saytda dəfələrlə haqqında yazdığım top ildırımı kimi maraqlı və sirli hadisə, təbii ki, həm də adi ildırım kimi plazmoiddir. Bu, bəlkə də bütün yer plazması hadisələrinin ən qeyri-adi plazmoididir. Axı, top şimşəkləri haqqında təxminən 400 müxtəlif nəzəriyyə var, lakin onlardan heç biri həqiqətən doğru olaraq tanınmayıb. Laboratoriya şəraitində oxşar, lakin qısamüddətli hadisələr bir neçə fərqli yolla əldə edilmişdir, buna görə də top ildırımının təbiəti məsələsi açıq qalır.

Adi plazma, təbii ki, laboratoriyalarda da yaradılmışdır. Bu, bir vaxtlar çətin idi, amma indi belə bir təcrübə xüsusilə çətin deyil. Plazma gündəlik arsenalımıza möhkəm daxil olduğundan, laboratoriyalarda onun üzərində çoxlu təcrübələr aparırlar.

Plazma sahəsində ən maraqlı kəşf sıfır cazibə qüvvəsində plazma ilə təcrübələr oldu. Məlum olub ki, plazma vakuumda kristallaşır. Bu belə olur: yüklü plazma hissəcikləri bir-birini dəf etməyə başlayır və məhdud həcmə malik olduqda, müxtəlif istiqamətlərə səpələnərək, onlara ayrılan yeri tuturlar. Bu kristal qəfəsə çox bənzəyir. Bu o demək deyilmi ki, plazma maddənin birinci vəziyyəti ilə üçüncü hal arasındakı bağlayıcı halqadır? Axı o, qazın ionlaşması səbəbindən plazmaya çevrilir və vakuumda plazma yenidən bərk olur. Amma bu sadəcə mənim təxminimdir.

Kosmosdakı plazma kristalları da olduqca qəribə bir quruluşa malikdir. Bu quruluşu ancaq kosmosda, kosmosun real vakuumunda müşahidə etmək və öyrənmək olar. Yer üzündə vakuum yaratsanız və ora plazma yerləşdirsəniz belə, cazibə qüvvəsi sadəcə olaraq içəridə əmələ gələn bütün “şəkil”i sıxacaq. Kosmosda plazma kristalları sadəcə olaraq havaya qalxaraq qəribə formanın üçölçülü üçölçülü strukturunu əmələ gətirirlər. Orbitdə plazmanın müşahidəsinin nəticələrini Yerdəki alimlərə göndərdikdən sonra məlum olub ki, plazmadakı burulğanlar bizim qalaktikamızın quruluşunu qəribə şəkildə təkrarlayır. Bu o deməkdir ki, gələcəkdə plazmanı öyrənməklə qalaktikamızın necə yarandığını anlamaq mümkün olacaq. Aşağıdakı fotoşəkillər eyni kristallaşmış plazmanı göstərir.