Ķīmija
Kristāli putekļainā plazmā. Plazmas kristāli: no kosmosa izpētes līdz medicīniskiem lietojumiem uz Zemes un atpakaļ uz kosmosu Plazma kosmosā

Kristāli putekļainā plazmā. Plazmas kristāli: no kosmosa izpētes līdz medicīniskiem lietojumiem uz Zemes un atpakaļ uz kosmosu Plazma kosmosā

Akadēmiķis V. FORTOVS, Ekstrēmo valstu termiskās fizikas institūta direktors Krievijas akadēmija Zinātnes.

2005. gada aprīlī akadēmiķis Vladimirs Jevgeņevičs Fortovs saņēma prestižu starptautisku apbalvojumu - Alberta Einšteina zelta medaļu, kas viņam piešķirta par izcilu ieguldījumu fiziskās zinātnes un starptautiskās zinātniskās sadarbības attīstībā. Zinātniskās intereses Akadēmiķis Fortovs atrodas matērijas ekstremālo stāvokļu, tostarp plazmas, fizikas jomā. Izņemot tumšo vielu, plazma ir visizplatītākais matērijas stāvoklis dabā, un šajā stāvoklī ir aptuveni 95% no parastās vielas Visumā. Zvaigznes ir plazmas gabaliņi, jonizēta gāze, kuras temperatūra ir desmitiem un simtiem miljonu grādu. Plazmas īpašības veido pamatu modernās tehnoloģijas, kuras darbības joma ir plaša. Plazma izstaro gaismu elektriskās gāzizlādes lampās, rada krāsainu attēlu plazmas paneļos. Plazmas reaktoros plazmas plūsmas izmanto mikroshēmu ražošanai, metālu sacietēšanai un virsmu tīrīšanai. Plazmas rūpnīcas apstrādā atkritumus un ražo enerģiju. Plazmas fizika ir aktīvi attīstās zinātnes nozare, kurā līdz pat mūsdienām tiek veikti pārsteidzoši atklājumi, tiek novērotas neparastas parādības, kas prasa izpratni un skaidrojumu. Viena no interesantākajām parādībām, kas pēdējā laikā atklāta zemas temperatūras plazmā, ir "plazmas kristāla" veidošanās, tas ir, telpiski sakārtota smalki izkliedētu daļiņu struktūra - plazmas putekļi.

Zinātne un dzīve // Ilustrācijas

Kosmonauti S. Krikaļevs un Ju. Gidzenko uzstāda SKS iekārtu "Plasma Crystal" (2001).

KAS IR PUTEKĻA PLAZMA?

Putekļainā plazma ir jonizēta gāze, kas satur putekļu daļiņas – cietās daļiņas. Šāda plazma bieži sastopama kosmosā: planētu gredzenos, komētu astēs, starpplanētu un starpzvaigžņu mākoņi. Tas tika atklāts netālu no Zemes mākslīgajiem pavadoņiem un netālu no sienas kodoltermiskās iekārtas ar magnētisko norobežojumu, kā arī plazmas reaktoros, lokos, izlādes.

AT laboratorijas apstākļi putekļaino plazmu 20. gadsimta 20. gados pirmo reizi ieguva amerikānis Ērvings Langmuirs. Tomēr tas ir aktīvi pētīts tikai pēdējā desmitgadē. Palielināta interese par putekļainās plazmas īpašībām radās līdz ar plazmas izsmidzināšanas un kodināšanas tehnoloģiju attīstību mikroelektronikā, kā arī ražošanā. plānās plēves un nanodaļiņas. Cieto daļiņu klātbūtne, kas nonāk plazmā izlādes kameras elektrodu un sienu iznīcināšanas rezultātā, ne tikai izraisa pusvadītāju mikroshēmu virsmas piesārņojumu, bet arī traucē plazmu, bieži vien neparedzamā veidā. Lai samazinātu vai novērstu šīs negatīvās parādības, ir jāsaprot, kā notiek kondensēto daļiņu veidošanās un augšanas procesi gāzizlādes plazmā un kā plazmas putekļu daļiņas ietekmē izlādes īpašības.

PLAZMAS KRISTĀLS

Putekļu daļiņu izmēri ir salīdzinoši lieli - no mikrona frakcijām līdz vairākiem desmitiem, dažreiz simtiem mikronu. To lādiņš var būt ārkārtīgi liels un simtiem un pat simtiem tūkstošu reižu pārsniegt elektrona lādiņu. Tā rezultātā daļiņu vidējā Kulona mijiedarbības enerģija, proporcionāls kvadrātam var ievērojami pārsniegt vidējo siltumenerģiju. Izrādās, plazma, ko sauc par izteikti neideālu, jo tās uzvedība nepakļaujas ideālās gāzes likumiem. (Atgādināt, ka plazmu var uzskatīt par ideālu gāzi, ja daļiņu mijiedarbības enerģija ir daudz mazāka par to siltumenerģiju).

Putekļainas plazmas līdzsvara īpašību teorētiskie aprēķini liecina, ka noteiktos apstākļos spēcīga elektrostatiskā mijiedarbība"pārņem" zemo siltumenerģiju un liek lādētām daļiņām noteiktā veidā sakārtoties telpā. Izveidojas sakārtota struktūra, ko sauc par Kulona jeb plazmas kristālu. Plazmas kristāli ir līdzīgi telpiskām struktūrām šķidrā vai cietā vielā. Šeit var notikt fāzu pārejas, piemēram, kušana un iztvaikošana.

Ja putekļainās plazmas daļiņas ir pietiekami lielas, plazmas kristālu var novērot ar neapbruņotu aci. Agrīnajos eksperimentos kristālisko struktūru veidošanās tika reģistrēta mikronu izmēra uzlādētu dzelzs un alumīnija daļiņu sistēmā, ko tur mainīgi un statiski elektriskie lauki. Vēlākajos darbos tika veikti novērojumi par Kulona makrodaļiņu kristalizāciju vāji jonizētā augstfrekvences izlādes plazmā zemā spiedienā. Elektronu enerģija šādā plazmā ir daži elektronu volti (eV), un jonu enerģija ir tuva to atomu siltumenerģijai, kuriem ir istabas temperatūra (~ 0,03 eV). Tas ir saistīts ar faktu, ka elektroni ir kustīgāki un to plūsma, kas vērsta uz neitrālu putekļu daļiņu, ievērojami pārsniedz jonu plūsmu. Daļiņa "noķer" elektronus un sāk negatīvi uzlādēt. Šis uzkrājošais negatīvais lādiņš savukārt izraisa elektronu atgrūšanos un jonu piesaisti. Daļiņas lādiņš mainās, līdz elektronu un jonu plūsmas uz tās virsmas kļūst vienādas. Eksperimentos ar augstfrekvences izlādi putekļu daļiņu lādiņš bija negatīvs un diezgan liels (apmēram 10 4 - 10 5 elektronu lādiņi). Pie apakšējā elektroda virsmas lidinājās uzlādētu putekļu daļiņu mākonis, jo tur tika izveidots līdzsvars starp gravitācijas un elektrostatiskajiem spēkiem. Ar vairāku centimetru mākoņa diametru vertikālā virzienā daļiņu slāņu skaits bija vairāki desmiti, un attālums starp daļiņām bija vairāki simti mikrometru.

PASŪTĪTĀS STRUKTŪRAS TERMĀLĀ PLAZMĀ...

Kopš 1991. gada Krievijas Zinātņu akadēmijas Ekstrēmo valstu Termiskās fizikas institūts (ITES RAS) pēta putekļaino plazmu un izstrādā dažādas metodes tās diagnostikai. Pētītas dažāda veida putekļainās plazmas: termiskā plazma, gāzizlādes mirdzošā un augstfrekvences izlādes plazma, fotoemisijas un kodolierīces plazmas.

Termiskās plazmas, kas veidojas gāzes degļa liesmā pie atmosfēras spiediena, temperatūra ir no 1700 līdz 2200 K, un elektronu, jonu un neitrālas daļiņas ir vienādi tajā. Tika pētīta cērija dioksīda (CeO 2) daļiņu uzvedība šādas plazmas plūsmā. Šīs vielas īpatnība ir tāda, ka elektroni diezgan viegli aizlido no tās virsmas - elektrona darba funkcija ir tikai aptuveni 2,75 eV. Līdz ar to putekļu daļiņas tiek uzlādētas gan ar elektronu un jonu plūsmām no plazmas, gan termoizstarošanas dēļ - elektronu emisija ar sakarsētas daļiņas palīdzību, kas rada pozitīvs lādiņš.

Makrodaļiņu telpiskās struktūras tika analizētas, izmantojot lāzera starojumu, kas dod korelācijas funkciju g(r), kuras nozīme ir šāda. Ja mēs fiksējam vienas daļiņas atrašanās vietu telpā, tad funkcija parāda iespējamību atrast kādu citu daļiņu attālumā r no šī. Un tas ļauj izdarīt secinājumu par daļiņu telpisko izvietojumu - haotisku vai sakārtotu, raksturīgu šķidrām un kristāliskām struktūrām.

Tipiskas korelācijas funkcijas g(r) CeO 2 daļiņām aerosola strūklā plkst telpas temperatūra un plazmā ir parādīti attēlā. 1. Augstā plazmas temperatūrā (2170 K) un zemā makrodaļiņu koncentrācijā (b) korelācijas funkcijai ir gandrīz tāda pati forma kā parastajai aerosola strūklai istabas temperatūrā (a). Tas nozīmē, ka daļiņas plazmā mijiedarbojas vāji un neveidojas sakārtotas struktūras. Pie zemākas plazmas temperatūras (1700 K) un lielākas daļiņu koncentrācijas korelācijas funkcija iegūst šķidrumam raksturīgu formu: ir izteikts maksimums, kas norāda uz neliela attāluma secību daļiņu izkārtojumā (c ). Šajā eksperimentā daļiņu pozitīvais lādiņš bija aptuveni 1000 elektronu lādiņu. Salīdzinoši vājā struktūras sakārtotība skaidrojama ar īso plazmas pastāvēšanas laiku (apmēram 20 sekundes tūkstošdaļas), kura laikā plazmas kristālu veidošanās procesam nav laika pabeigties.

... UN GLOW IZLĀDE

Termiskajā plazmā visu daļiņu temperatūra ir vienāda, bet kvēlgāzes izlādes plazmā situācija ir atšķirīga - elektronu temperatūra ir daudz augstāka par jonu temperatūru. Tas rada priekšnoteikumus sakārtotu putekļainas plazmas struktūru - plazmas kristālu - rašanās.

Kvēlojošā gāzizlādē noteiktos apstākļos rodas stāvas svītras - stacionāras nevienmērīga spilgtuma zonas, kas regulāri mijas ar tumšām spraugām. Elektronu blīvums un elektriskais lauks ir stipri neviendabīgi visā slāņa garumā. Tāpēc katras svītras galvā veidojas elektrostatiskais slazds, kas izlādes caurules vertikālā stāvoklī spēj noturēt smalkās daļiņas izlādes pozitīvās kolonnas rajonā.

Struktūras veidošanās process ir šāds: mikronu daļiņas, kas izlietas no trauka izplūdē, tiek uzlādētas plazmā un sarindojas struktūrā, kas pastāv patvaļīgi ilgu laiku pie nemainīgiem izlādes parametriem. Lāzera stars izgaismo daļiņas horizontālā vai vertikālā plaknē (2. att.). Telpiskās struktūras veidošanos fiksē videokamera. Atsevišķas daļiņas var redzēt ar neapbruņotu aci. Eksperimentā tika izmantotas vairāku veidu daļiņas - dobas borsilikāta stikla mikrosfēras un melamīna-formaldehīda daļiņas ar diametru no viena līdz simts mikrometriem.

Slāņa centrā veidojas putekļu mākonis līdz pat vairākiem desmitiem milimetru diametrā. Daļiņas ir sakārtotas horizontālos slāņos, veidojot sešstūra struktūras (3.a attēls). Attālumi starp slāņiem ir no 250 līdz 400 mikroniem, attālumi starp daļiņām horizontālajā plaknē ir no 350 līdz 600 mikroniem. Daļiņu sadalījuma funkcija g(r) ir vairāki izteikti maksimumi, kas apliecina liela attāluma kārtības esamību daļiņu izkārtojumā un nozīmē kristāliskas struktūras veidošanos, lai gan putekļaini plazmas kristāli ir skaidri redzami ar neapbruņotu aci.

Mainot izlādes parametrus, var ietekmēt daļiņu mākoņa formu un pat novērot pāreju no kristāliskā stāvokļa uz šķidrumu (kristāla "kušana") un pēc tam uz gāzi. Izmantojot nesfēriskas daļiņas - neilona cilindrus ar garumu 200-300 mikroni -, bija iespējams iegūt arī šķidrajam kristālam līdzīgu struktūru (4. att.).

PUTEKĻA PLAZMA KOSMOSĀ

Uz Zemes turpmāku plazmas kristālu izpēti kavē gravitācija. Tāpēc tika nolemts sākt eksperimentus kosmosā, mikrogravitācijā.

Pirmo eksperimentu veica kosmonauti A. Ja. Solovjevs un P. V. Vinogradovs Krievijas orbitālajā kompleksā "Mir" 1998. gada janvārī. Viņiem bija jāizpēta sakārtotu plazmas putekļu struktūru veidošanās bezsvara stāvoklī saules gaisma.

Ar neonu pildītas stikla ampulas saturēja ar cēziju pārklātas bronzas sfēriskas daļiņas ar spiedienu 0,01 un 40 Torr. Ampula tika uzstādīta pie iluminatora, sakrata, un ar videokameru fiksēta lāzera izgaismoto daļiņu kustība. Novērojumi liecina, ka sākumā daļiņas pārvietojas nejauši, un pēc tam parādās virzīta kustība, kas saistīta ar plazmas difūziju uz ampulas sieniņām.

Atrada citu interesants fakts: dažas sekundes pēc ampulas sakratīšanas daļiņas sāka salipt kopā, veidojot aglomerātus. Saules gaismas ietekmē aglomerāti sadalījās. Aglomerāciju var saistīt ar to, ka sākotnējos apgaismojuma momentos daļiņas iegūst pretējus lādiņus: pozitīvos - fotoelektronu emisijas dēļ, negatīvos - lādējoties ar plazmas elektronu plūsmām, kas izstaro no citām daļiņām - un pretēji lādētas daļiņas salīp kopā. viens ar otru.

Analizējot makrodaļiņu uzvedību, var novērtēt to lādiņa vērtību (apmēram 1000 elektronu lādiņu). Vairumā gadījumu daļiņas veidoja tikai šķidru struktūru, lai gan dažreiz parādījās kristāli.

1998. gada sākumā tika pieņemts lēmums veikt kopīgu Krievijas un Vācijas eksperimentu "Plazmas kristāls" uz Starptautiskās lidmašīnas Krievijas segmenta. kosmosa stacija(PC MKC). Eksperimentu izveidoja un sagatavoja zinātnieki no Krievijas Zinātņu akadēmijas Ekstrēmo valstu Termiskās fizikas institūta, piedaloties Maksa Planka Ārpuszemes fizikas institūtam (Vācija) un raķešu un kosmosa korporācijai Energia.

Aparāta galvenais elements ir vakuuma plazmas kamera (5. att.), kas sastāv no divām kvadrātveida tērauda plāksnēm un kvadrātveida stikla ieliktņiem. Disku elektrodi ir uzstādīti uz katras no plāksnēm, lai radītu augstfrekvences izlādi. Elektrodos ir iebūvētas ierīces putekļu daļiņu ievadīšanai plazmā. Visa optiskā sistēma, ieskaitot divas digitālās kameras un divus pusvadītāju lāzerus, lai apgaismotu daļiņu mākoni, ir uzstādīta uz kustīgas plāksnes, kuru var pārvietot, lai skenētu plazmas putekļu struktūru.

Tika izstrādāti un izgatavoti divi aprīkojuma komplekti: tehnoloģiskais (pazīstams arī kā apmācība) un lidojums. 2001. gada februārī pēc pārbaudes un pirmslidojuma sagatavošanas Baikonurā lidojuma komplekts tika nogādāts SKS Krievijas segmenta servisa modulī.

Pirmais eksperiments ar melamīna formaldehīda daļiņām tika veikts 2001. gadā. Zinātnieku cerības bija pamatotas: pirmo reizi tika atklāta trīsdimensiju sakārtotu augsti lādētu mikronu izmēra daļiņu veidošanās ar lielu neidealitātes parametru - trīsdimensiju plazmas kristāli ar seju un ķermeni centrētu režģi (att. 7).

Iespēja iegūt un pētīt dažādas konfigurācijas un garuma plazmas veidojumus palielinās, ja tiek izmantota augstfrekvences indukcijas izlāde. Reģionā starp viendabīgu plazmu un sienu, kas to ierobežo vai apkārtējo neitrālu gāzi, var sagaidīt gan atsevišķu lādētu makrodaļiņu, gan to ansambļu levitāciju (karāšanos). Cilindriskās stikla caurulēs, kur izlādi ierosina gredzena elektrods, virs plazmas veidošanās karājas liels skaitlis daļiņas. Atkarībā no spiediena un jaudas rodas vai nu stabilas kristāliskas struktūras, vai struktūras ar oscilējošām daļiņām, vai konvektīvas daļiņu plūsmas. Izmantojot plakanu elektrodu, daļiņas karājas virs spuldzes dibena, kas piepildīta ar neonu un veido sakārtotu struktūru - plazmas kristālu. Pagaidām šādi eksperimenti tiek veikti laboratorijās uz Zemes un paraboliska lidojuma apstākļos, taču nākotnē šo iekārtu plānots uzstādīt uz SKS.

Plazmas kristālu unikālās īpašības (parametru iegūšanas, novērošanas un kontroles vienkāršība, kā arī īss relaksācijas laiks līdzsvaram un reakcija uz ārējiem traucējumiem) padara tos par lielisku objektu, lai pētītu gan ļoti neideālas plazmas īpašības, gan kristālu fundamentālās īpašības. . Rezultātus var izmantot reālu atomu vai molekulāro kristālu modelēšanai un ar tiem saistīto fizisko procesu pētīšanai.

Makrodaļiņu struktūras plazmā ir arī labs instruments lietišķām problēmām, kas saistītas ar mikroelektroniku, jo īpaši ar nevēlamu putekļu daļiņu noņemšanu mikroshēmu ražošanā, ar neliela kristāla - nanokristāla, nanoklastera, ar plazmu projektēšanu un sintēzi. izsmidzināšana, ar daļiņu atdalīšanu pēc izmēra, jaunu augstas efektivitātes gaismas avotu izstrāde, elektrisko kodolakumulatoru un lāzeru radīšana, kuros darba šķidrums ir radioaktīvās vielas daļiņas.

Visbeidzot, ir diezgan reāli radīt tehnoloģijas, kas ļaus kontrolēti plazmā suspendētu daļiņu nogulsnēšanos uz substrāta un tādējādi izveidot pārklājumus ar īpašām īpašībām, tostarp porainus un kompozītus, kā arī veidot daļiņas ar daudzslāņu pārklājumu no materiāliem ar dažādiem materiāliem. īpašības.

Celies interesanti uzdevumi mikrobioloģijā, medicīnā, ekoloģijā. Putekļainās plazmas iespējamo pielietojumu saraksts nepārtraukti paplašinās.

Paraksti ilustrācijām

slim. 1. Korelācijas funkcija g(r) parāda, ar kādu varbūtību ir iespējams atrast citu daļiņu attālumā r no dotās. CeO 2 daļiņām iekšā gaisa strūklu istabas temperatūrā 300 K (a) un plazmā pie 2170 K (b) funkcija norāda nejaušu daļiņu sadalījumu. Plazmā 1700 K (c) temperatūrā funkcijai ir maksimums, tas ir, parādās šķidrumam līdzīga struktūra.

slim. 2. Uzstādīšana putekļainās plazmas izpētei kvēlojošā izlādē līdzstrāva ir vertikāli orientēta caurule, kas piepildīta ar neonu zemā spiedienā, kurā tiek radīta mirdzuma izlāde. Noteiktos apstākļos izplūdē tiek novērotas stāvošas svītras - nekustīgas nevienmērīga spilgtuma zonas. Putekļu daļiņas atrodas traukā ar sieta dibenu virs izplūdes zonas. Kad tvertne tiek sakrata, daļiņas nokrīt un karājas slāņos, veidojot sakārtotas struktūras. Lai putekļi būtu redzami, tie tiek izgaismoti ar plakanu lāzera staru. Izkliedēto gaismu fiksē videokamera. Monitora ekrānā ir redzams plazmas putekļu struktūru video attēls, kas iegūts, apgaismojot putekļu daļiņas ar lāzera staru spektra zaļajā apgabalā.

slim. 3. Kvēlizlādei rodas sakārtota putekļu struktūra (a), kas atbilst korelācijas funkcijai g(r) ar vairākiem izteiktiem kristālam raksturīgiem maksimumiem (b).

slim. 4. Iegarenas putekļu daļiņas (kam ir cilindra forma) rindojas paralēli kādai kopējai asij. Šādu stāvokli sauc par plazmas šķidrajiem kristāliem pēc analoģijas ar molekulārajiem šķidrajiem kristāliem, kur garo molekulu orientācijā ir vēlamais virziens.

slim. 5. Vakuuma plazmas kamera putekļainās plazmas izpētei Starptautiskajā kosmosa stacijā (SKS).

slim. 6. Krievijas Zinātņu akadēmijas Ekstrēmo valstu Termofizikas institūtā ir izveidota speciāla iekārta plazmas kristālu pētīšanai zema spiediena augstfrekvences izlādē. Kristāla struktūra ir skaidri redzama, kad putekļu daļiņas tiek izgaismotas ar lāzera stariem spektra zaļajā un sarkanajā apgabalā.

slim. 7. att. Putekļu daļiņu struktūras trīs horizontālos plazmas putekļu veidošanās slāņos: ar korpusu centrētu režģi (augšpusē), uz sejas centrētu režģi (centrā) un ar sešstūra blīvējumu (apakšā).

KOSMOSA PLAZMA

- plazma kosmosā telpa un telpa objektus. Kosmisko telpu var nosacīti iedalīt pēc pētījuma objektiem: apļveida, starpplanētu, zvaigžņu un zvaigžņu atmosfēru plazma, kvazāru un galaktiku plazma. kodoli, starpzvaigžņu un starpgalaktikas. plazma. Norādītie veidi K. p. atšķiras pēc to parametriem (sal. blīvumu P, sk. daļiņu enerģijas utt.), kā arī stāvokļi: termodinamiski līdzsvarots, daļēji vai pilnīgi nelīdzsvarots.

Starpplanētu kosmosa kuģis Apļveida plazmas stāvoklis, kā arī telpas struktūra, ko tā aizņem, ir atkarīga no tās paša magnētiskā lauka klātbūtnes. planētas lauki un attālums no Saules. Magn. planētas ievērojami palielina apkārtējās planētas plazmas aiztures laukumu, veidojot dabisku magnētiskie slazdi. Tāpēc apkārtējās planētas plazmas norobežojuma reģions ir neviendabīgs. Liela loma apļveida plazmas veidošanā ir saules plazmas plūsmām, kas pārvietojas gandrīz radiāli no Saules (tā sauktā. saulains vējš), blīvums līdz rykh samazinās ar attālumu no Saules. Saules vēja daļiņu blīvuma tiešie mērījumi Zemes tuvumā, izmantojot kosmosa kuģus. ierīces dod vērtības P(1-10) cm -3 . Zemei tuvās telpas plazma. telpa parasti tiek sadalīta plazmā jonosfēra, kam P līdz 10 5 cm -3 350 km augstumā, plazma radiācijas jostas Zeme ( P 10 7 cm -3) un Zemes magnetosfēra līdz pat vairākiem Zemes rādiusos paplašina t.s. plazmasfēra, blīvums P 10 2 cm -3.

Plazmas augšdaļas iezīme. jonosfēra, starojums joslas un magnetosfēra, jo tā ir bez sadursmēm, t.i., viļņa un svārstību telpiskās un laika skalas. procesi tajā ir daudz mazāk kolīzijas. Relaksācija enerģijās un momentos notiek nevis sadursmju dēļ, bet gan caur plazmas kolektīvajām brīvības pakāpēm – svārstībām un viļņiem. Šāda veida plazmā, kā likums, nav termodinamikas līdzsvars, jo īpaši starp elektroniskajiem un jonu komponentiem. Ātri plūstot tajās, piemēram. triecienu, nosaka arī neliela mēroga svārstību un viļņu ierosme. Raksturīgs piemērs ir bezsadursmes, kas veidojas saules vējam plūstot ap Zemes magnetosfēru.

Zvaigzne K. lpp. Sauli var uzskatīt arī par milzīgiem K. p. klučiem, kuru blīvums pastāvīgi palielinās no ārējās daļas. daļas uz centru: korona, hromosfēra, fotosfēra, konvektīvā zona, kodols. Tā sauktajā. parastās zvaigznes augstas temperatūras nodrošina termisko. matērijas jonizācija un tās pāreja uz plazmas stāvokli. Augsta plazma atbalsta hidrostatisko. līdzsvars. Maks. aprēķinātais K. p. blīvums normālu zvaigžņu centrā P 10 24 cm -3, temp-pa līdz 10 9 K. Neskatoties uz augsts blīvums, plazma šeit parasti ir ideāla augstās temperatūras dēļ; tikai zvaigznēs ar mazu masu (0,5 saules masas) parādās efekti, kas saistīti ar neideālu plazmu. Uz centru. normālu zvaigžņu reģionos daļiņu brīvā ceļa garumi ir nelieli, tāpēc plazma tajās ir sadursmes, līdzsvara; uz augšu. slāņi, īpaši hromosfēra un korona, plazma ir bez sadursmes. (Šie aprēķinu modeļi ir balstīti uz vienādojumiem magnētiskā hidrodinamika.)

Masīvās un kompaktās zvaigznēs C. p. blīvums var būt vairākas reizes. par kārtām augstāks nekā parasto zvaigžņu centrā. Jā, iekšā baltie punduri blīvums ir tik liels, ka elektroni izrādās deģenerēti (sk. deģenerēta gāze). Vielas jonizācija tiek nodrošināta lielās kinētikas vērtības dēļ. daļiņu enerģija, noteikta fermi-enerģija;. tas arī ir balto punduru KP idealitātes cēlonis. Statisks līdzsvaru nodrošina deģenerēto plazmas elektronu Fermi spiediens. Pat lielāks vielu blīvums, kas rodas neitronu zvaigznēs, izraisa ne tikai elektronu, bet arī nukleonu deģenerāciju. Neitronu zvaigznes ir kompaktas zvaigznes ar diametru 20 km un masu 1 M. Pulsārus raksturo strauja rotācija (kam ir svarīga loma zvaigznes mehāniskajā līdzsvarā) un magnētiskais. dipola tipa lauks (10 12 G uz virsmas), un magn. ass ne vienmēr ir tāda pati kā rotācijas ass. Pulsariem ir magnetosfēra, kas piepildīta ar relativistisku plazmu, kas ir elektromagnētiskā starojuma avots. viļņi.

Temperatūras un blīvumu diapazons K. p. ir milzīgs. Uz att. shematiski parāda plazmas tipu daudzveidību un to aptuveno atrašanās vietu temperatūras blīvuma diagrammā. Kā redzams diagrammā, kosmisko staru blīvuma samazināšanas secība ir aptuveni šāda: zvaigžņu plazma, apļveida plazma, kvazārs un galaktikas plazma. kodoli, starpplanētu plazma, starpzvaigžņu un starpgalaktikas. plazma. Izņemot zvaigžņu un zemāko zvaigžņu kodolu plazmu. apļveida plazmas slāņi, C. p. ir bez sadursmēm. Tāpēc tas bieži vien ir termodinamiski nelīdzsvarots un to veidojošo lādiņu sadalījuma funkcijas. daļiņas ātruma un enerģijas ziņā ir tālu no Maksvela. Jo īpaši tie var saturēt pīķus, kas atbilst lādiņa stari. daļiņas, jābūt anizotropai, īpaši magn. telpa lauki utt. Tāda plazma no nelīdzsvara "atbrīvojas" nevis caur sadursmēm, bet visvairāk. ātrs ceļš - caur e-mag ierosināšanu. vibrācijas un viļņi (sk triecienviļņi bez sadursmēm). Tas noved pie tā, ka kosmiskais starojums. objekti, kas satur bezsadursmes plazmu, ievērojami pārsniedz līdzsvara starojuma jaudu un ievērojami atšķiras no Planka starojuma. Piemērs ir kvazāri, to-ikri un radio un optiskajā. diapazons ir nelīdzsvarots. Un, neskatoties uz teorētiskā neskaidrību Novērotā starojuma interpretācijā visas teorijas norāda uz relativistisku elektronu plūsmu, kas izplatās uz galvenās plazmas fona, nozīmi.

Dr. nelīdzsvara radio emisijas avots - radio galaktikas, līdz rudzu izmērs ir daudz lielāks nekā galaktikām, kas redzamas optiskajā. diapazons. Šeit svarīga loma ir arī no galaktikām izmestajiem relatīvistiskajiem elektroniem, kas izplatās uz galaktiku ieskaujošās plazmas fona. Magnetosfēras plazmas nelīdzsvarotība, kas izpaužas arī lādiņu staru klātbūtnē. daļiņas, noved pie Zemes radioizstarošanas kilometru attālumā.

Plazmas tipu klasifikācija: GR - gāzizlādes plazma; MHD - plazma magnetohidrodinamiskajos ģeneratoros; TYAP-M - plazma kodoltermiskajos magnētiskajos slazdos; ТYAP-L - plazma lāzera kodolsintēzes apstākļos: EGM - metālos; EHP - elektronu caurumu plazma pusvadītājos; BK - deģenerēts elektrons baltajos punduros; I - jonosfēras plazma; SW - saules vēja plazma; SC - saules korona plazma; C - plazma Saules centrā; MP - plazma pulsāru magnetosfērās.

Nelīdzsvara plazmas parādības arī noved pie tā, ka plazma ne tikai spēcīgi izstaro, bet arī kļūst nemierīga, jo noteikta ierosināto viļņu un svārstību veidi plazmā vai nu "aizkavējas" uz ilgu laiku, vai arī vispār nevar "atstāt" no plazmas (piemēram, Langmuir viļņi). Tas ļauj jums atrast veidu, kā atrisināt ts problēmu. "apazītie" elementi teorijā par elementu izcelsmi Visumā. Naib. izplatīta elementu izcelsmes teorija liecina, ka no sākotnējiem protoni un neitroni veidojas pēctecības ceļā. uztver neitronus, un, kad jauns izotops tiek pārslogots ar neitroniem, tad tā radioaktīvās sabrukšanas rezultātā ar elektrona emisiju rodas jauns elements. Taču ir "apietie" elementi (piemēram, litijs, bors u.c.), kuru veidošanos nevar izskaidrot ar neitronu uztveršanu; to izcelsme, iespējams, ir saistīta ar lādiņa paātrinājumu. daļiņas apgabalos ar augstu plazmas turbulences pakāpi un pēc tam kodolreakcijas paātrinātas daļiņas.

Attālināto objektu efektivitāte tiek pētīta ar attālinātām spektrālām metodēm, izmantojot optiskās metodes. teleskopi, radioteleskopi, ārpusatmosfēras satelītteleskopi rentgena un g-starojuma diapazonā. Ar instrumentu palīdzību, kas uzstādīti uz raķetēm, satelītiem un kosmosa kuģiem. ierīcēm, K. p. parametru tiešo mērījumu diapazons strauji paplašinās Saules sistēma. Šīs metodes ietver zondes, zemas un augstas frekvences spektrometrijas izmantošanu. mērījumi, magnētiskie mērījumi. un elektriskā lauki (sk Plazmas diagnostika). Tādējādi tika atklāts starojums. Zemes jostas, bezsadursmes triecienvilnis Zemes magnetosfērai priekšā, magnetosfēra, Zemes kilometru starojums, planētu magnetosfēras no Merkura līdz Saturnam utt.

Mūsdienīgs telpa tehnoloģija ļauj veikt t.s. aktīvi eksperimenti kosmosā - aktīvi ietekmēt kosmosa kuģi, galvenokārt tuvu Zemei, ar radio emisijām, lādiņu stariem. daļiņas, plazmas ķekarus uc Šīs metodes izmanto diagnostikai, dabas modelēšanai. procesi reālos apstākļos, dabu iniciācija. parādības (piemēram, polārās gaismas).

K. p. veidi kosmoloģijā. Saskaņā ar covp. idejas, Visums radās t.s. lielais sprādziens(lielais sprādziens). Matērijas (izplešanās Visuma) izplešanās laikā papildus gravitācijai, kas nosaka izplešanos, pārējie trīs mijiedarbības veidi (spēcīgā, vājā un el.-magnētiskā) veicina plazmas parādības dažādās izplešanās stadijās. Ārkārtīgi lielos ātrumos, kas raksturīgi izplešanās sākuma stadijām, tādas daļiņas kā, piemēram, W + - un Z 0 -bozoni, kas atbild par vāja mijiedarbība, bija bezmasas, piemēram, fotoni (el.-magnēts. un vāja mijiedarbība). Tas nozīmē, ka tas bija liela attāluma, Kromas analogs paškonsekventam el.-magnētam. lauks bija Young - Mills lauks. Tādējādi visa matērijas leptona sastāvdaļa bija plazmas stāvoklī. Ņemot vērā standarta modelī pieejamā izplešanās laika attiecību t un termodinamiski līdzsvara vielas temperatūras T:t(c)1/T 2 . (rate-pa MeV), var novērtēt laiku k-poro laikā, kad pastāvēja šāda leptona plazma. Temp-pax T, tuvojas Z 0 bozona miera enerģijai mz no 2 100 GeV (atbilstošs laiks t 10 -10 s), notiek ar spontāna simetrijas pārrāvums vājš un el.-mag. mijiedarbība, kas izraisa masu parādīšanos attiecībā uz W + - un Z 0 -bozoni, pēc kuriem tikai uzlādētie mijiedarbojas tikai ar liela attāluma spēku palīdzību - elektromagnētisko.

Matērijas hadroniskā (spēcīgi mijiedarbojošā) sastāvdaļa tik augstās temperatūrās ir arī tādā kā plazmas stāvoklī, ko sauc. kvargluona plazma.Šeit starp kvarkiem veic arī bezmasas gluona lauki. Pie karstā kvarka-gluona plazmas blīvuma ( PT 3) no sk. attālums starp elementārdaļiņām 10 -13 cm - nukleona rādiuss (tajā pašā laikā T 100 MeV) kvarka-gluona plazma ir ideāla un var būt bez sadursmēm. Ar tālāku Visuma atdzišanu, kad laikā t 10 -4 s temp-pa samazinās līdz T 100 MeV (atpūtas enerģija -mezoni), notiek jauna fāzes pāreja: kvarka-gluona plazma - hadrona (ko raksturo maza diapazona mijiedarbība ar mijiedarbības rādiusu 10 -13 cm). Šī viela sastāv no stabiliem nukleoniem un ātri bojājošiem hadroniem. K. p. vispārējo stāvokli turpmākajā periodā nosaka apsūdzība. leptona (galvenokārt elektronu-pozitrona) komponents, jo Visumā tiek saglabāta kopējā bariona lādiņa attiecība pret leptonu, un pati šī attiecība ir ļoti maza (10 -9). Tā rezultātā uz maziem laikiem ( t 1 c) K. p. ir ultrarelativistisks un galvenokārt elektronpozitrons. Laika brīdī t 1 ar elektronu-pozitronu plazmas temp-pa nokrītas līdz 1 MeV un zemāk, savukārt sākas intensīva elektronu-pozitrona iznīcināšana, pēc kuras K. p. lēnām tuvojās mūsdienu. stāvoklis, nelielas izmaiņas sastāvā elementārdaļiņas.

Lit.: Pikelner S. B., Kosmosa elektrodinamikas pamati, 2. izd., M., 1966; Akasofu S.I., Chapman S., Saules un zemes

Vai esat kādreiz domājuši par to, kas atrodas starpzvaigžņu vai starpgalaktiskajā telpā? Kosmosā ir absolūts fiziskais vakuums, un tāpēc nekas nav ietverts. Un jums būs taisnība, jo vidēji starpzvaigžņu telpā ir aptuveni 1000 atomu kubikcentimetrs un ļoti lielos attālumos matērijas blīvums ir niecīgs. Bet šeit viss nav tik vienkārši un nepārprotami. Starpzvaigžņu vides telpiskais sadalījums nav triviāls. Papildus vispārējām galaktikas struktūrām, piemēram, stieņa (stieņa) un galaktiku spirālveida atzariem, ir atsevišķi auksti un silti mākoņi, kurus ieskauj karstāka gāze. Starpzvaigžņu vidē (ISM) ir milzīgs skaits struktūru: milzīgi molekulārie mākoņi, atstarošanas miglāji, protoplanetāri miglāji, planētu miglāji, globulas utt. Tas noved pie plaša spektra novērojumu izpausmēm un procesiem, kas notiek vidē. Šajā sarakstā ir uzskaitītas ISM esošās struktūras:

koronālā gāze
Spilgtas HII zonas
Zema blīvuma HII zonas
Starpmākoņu vide
Siltie HI reģioni
Masera kondensāts
HI mākoņi
Milzu molekulārie mākoņi
molekulārie mākoņi
Globuli

Mēs tagad neiedziļināsimies sīkāk par to, kas ir katra struktūra, jo šīs publikācijas tēma ir plazma. Plazmas struktūrās ietilpst: koronālā gāze, spilgti HII apgabali, siltie HI reģioni, HI mākoņi, t.i. gandrīz visu sarakstu var saukt par plazmu. Bet, jūs iebilstat, telpa ir fizisks vakuums, un kā var būt plazma ar tādu daļiņu koncentrāciju?

Lai atbildētu uz šo jautājumu, ir jāsniedz definīcija: kas ir plazma un pēc kādiem parametriem fiziķi uzskata šo vielas stāvokli par plazmu?
Saskaņā ar mūsdienu plazmas koncepcijām šis ir ceturtais vielas stāvoklis, kas ir gāzveida stāvoklī, ļoti jonizēts (pirmais stāvoklis ir ciets ķermenis, otrais ir šķidrs stāvoklis un visbeidzot trešais - gāzveida). Bet ne katra gāze, pat jonizēta, ir plazma.

Plazma sastāv no lādētām un neitrālām daļiņām. Pozitīvi lādētas daļiņas ir pozitīvie joni un caurumi (cietā plazma), bet negatīvi lādētās daļiņas ir elektroni un negatīvie joni. Pirmkārt, ir jāzina viena vai cita veida daļiņu koncentrācija. Plazma tiek uzskatīta par vāji jonizētu, ja tā sauktā jonizācijas pakāpe ir vienāda ar

$$displejs$$r = N_e/N_n$$displejs$$

$inline$N_e$inline$

elektronu koncentrācija,

$inline$N_n$inline$

Visu neitrālo daļiņu koncentrācija plazmā atrodas diapazonā

$inline$(r . Un pilnībā jonizētai plazmai ir jonizācijas pakāpe no $inline$r līdz infty$inline$

Bet, kā minēts iepriekš, ne katra jonizētā gāze ir plazma. Plazmai ir jābūt īpašībai gandrīz neitralitāte, t.i. vidēji pietiekami ilgos laika intervālos un pietiekami lielos attālumos plazma kopumā bija neitrāla. Bet kādi ir šie laika intervāli un attālumi, kuros gāzi var uzskatīt par plazmu?

Tātad kvazineitritātes prasība ir šāda:

$$displejs$$sum_(alpha)e_(alpha)N_(alpha) = 0$$displejs$$

$inline$F aptuveni e^2/(r^2)_(cp)$inline$

$inline$r_(cp)$inline$

Vidējais attālums starp elektroniem. Šis attālums ir aptuveni aprēķināts šādi. Pieņemsim, ka elektronu koncentrācija (t.i., elektronu skaits tilpuma vienībā) ir

$inline$N_e$inline$

Elektroni atrodas vidēji attālumā viens no otra

$inline$r_(cp)$inline$

Tātad tie aizņem vidējo tilpumu

$inline$V = frac(4)(3)pi r_(cp)^3$inline$

Tātad, ja šajā tilpumā ir 1 elektrons,

$inline$r_(cp) = (frac(3)(4pi N_e))^(1/3)$inline$

Rezultātā elektrons ar frekvenci sāks svārstīties ap līdzsvara stāvokli

$$displejs$$omega apm. sqrt(frac(F)(mr_(av))) apm. kvadrāts(frac(4pi e^2 N_e)(3m))$$displejs$$

Precīzāka formula

$$displejs$$omega_(Le) = sqrt(frac(4pi e^2 N_e)(m))$$displejs$$

Šo frekvenci sauc elektroniskā Langmuir frekvence. To izstrādāja amerikāņu ķīmiķis Irvins Langmuirs, Nobela prēmijas ieguvējs ķīmijā "par atklājumiem un pētījumiem virsmas parādību ķīmijas jomā".

Tādējādi lādiņa atdalīšanas laika skalai ir dabiski ņemt Langmuir frekvences apgriezto vērtību

$$displejs$$tau = 2pi / omega_(Le)$$displejs$$

Telpā, milzīgā mērogā, laika sprīdī

$inline$t >> tau$inline$

daļiņas izdara daudzas svārstības ap līdzsvara stāvokli un plazma kopumā būs kvazineitrāla, t.i. Laika mērogā starpzvaigžņu vidi var sajaukt ar plazmu.

Bet ir nepieciešams arī novērtēt telpiskos mērogus, lai precīzi parādītu, ka telpa ir plazma. No fiziskiem apsvērumiem ir skaidrs, ka šo telpisko mērogu nosaka garums, par kādu uzlādēto daļiņu blīvuma traucējumi var mainīties to termiskās kustības dēļ laikā, kas vienāds ar plazmas svārstību periodu. Tādējādi telpiskais mērogs ir

$$displejs$$r_(De) aptuveni frac(upsilon_(Te))(omega_(Le)) = sqrt(frac(kT_e)(4pi e^2 N_e))$$displejs$$

$inline$upsilon_(Te) = kvadrāts(frac(kT_e)(m))$inline$

No kurienes radās šī brīnišķīgā formula, jūs jautājat. Strīdēsimies šādi. Elektroni plazmā termostata līdzsvara temperatūrā pastāvīgi pārvietojas ar kinētisko enerģiju

$inline$E_k = frac(m upsilon^2)(2)$inline$

No otras puses, no statistiskās termodinamikas ir zināms vienmērīga enerģijas sadalījuma likums, un vidēji katrai daļiņai ir

$inline$E = frac(1)(2) kT_e$inline$

Ja salīdzinām šīs divas enerģijas, mēs iegūstam iepriekš sniegto ātruma formulu.

Tātad, mēs saņēmām garumu, ko fizikā sauc elektrons Debija rādiuss vai garums.

$inline$sum e_j n_j$inline$

$inline$e_j$inline$

Elektrona lādiņš

$inline$n_j$inline$

Elektronu koncentrācija. No elektrostatikas Puasona formula ir labi zināma

$$displejs$$lielais trīsstūris uz leju^2 phi((r)) = – frac(1)(epsilon epsilon_0) summa e_j n_j$$displejs$$

$inline$epsilon$inline$

Vides dielektriskā caurlaidība. No otras puses, elektroni pārvietojas termiskās kustības dēļ, un elektroni tiek sadalīti atbilstoši sadalījumam Bolcmans

$$displejs$$n_j ((r)) = n_0 exp(- frac(e_j phi((r)))(kT_e))$$displejs$$

Aizvietojot Bolcmana vienādojumu ar Puasona vienādojumu, mēs iegūstam

$$displejs$$lielais trīsstūris uz leju^2 phi((r)) = – frac(1)(epsilon epsilon_0) summa e_j n_0 exp(- frac(e_j phi((r)))(kT_e))$$displejs$$

Šis ir Puasona-Boltzmana vienādojums. Izvērsīsim eksponenciālu šajā vienādojumā Teilora sērijā un atmetīsim otrās kārtas un augstākas vērtības.

$$displejs$$exp(- frac(e_j phi((r)))(kT_e)) = 1 – frac(e_j phi((r)))(kT_e)$$displejs$$

Mēs aizstājam šo paplašinājumu ar Puasona-Bolcmaņa vienādojumu un iegūstam

$$displejs$$bigtriangledown^2 phi((r)) = (summa frac(n_(0j) e_(j)^2)(epsilon epsilon_0 kT_e)) phi((r)) – frac(1)(epsilon epsilon_0 ) summa n_(0j) e_(j)$$displejs$$

Šis ir Debija vienādojums. Precīzāks nosaukums ir Debija-Hīkela vienādojums. Kā mēs noskaidrojām iepriekš, plazmā, tāpat kā kvazineitrālā vidē, otrais termins šajā vienādojumā ir vienāds ar nulli. Pirmajā sasaukumā mums būtībā ir Debye garums.

Starpzvaigžņu vidē Debija garums ir aptuveni 10 metri; starpgalaktiskajā vidē aptuveni

$inline$10^5$inline$

metri. Mēs redzam, ka tās ir diezgan lielas vērtības, salīdzinot, piemēram, ar dielektriķiem. Tas nozīmē, ka elektriskais lauks šajos attālumos izplatās bez vājināšanās, sadalot lādiņus tilpuma lādētos slāņos, kuru daļiņas svārstās ap līdzsvara pozīcijām ar frekvenci, kas vienāda ar Langmuira frekvenci.

No šī raksta mēs uzzinājām divus pamatlielumus, kas nosaka, vai kosmosa vide ir plazma, neskatoties uz to, ka šīs vides blīvums ir ārkārtīgi mazs un telpa kopumā ir fizisks vakuums makroskopiskā mērogā. Vietējā mērogā mums ir gan gāze, gan putekļi, gan plazma

Vai esat kādreiz domājuši par to, kas atrodas starpzvaigžņu vai starpgalaktiskajā telpā? Telpā ir tehnisks vakuums, un tāpēc nekas nav ietverts (ne absolūtā nozīmē, ka nekas nav ietverts, bet gan relatīvā nozīmē). Un jums būs taisnība, jo vidēji starpzvaigžņu telpā ir aptuveni 1000 atomu uz kubikcentimetru un ļoti lielos attālumos matērijas blīvums ir niecīgs. Bet šeit viss nav tik vienkārši un nepārprotami. Starpzvaigžņu vides telpiskais sadalījums nav triviāls. Papildus vispārējām galaktikas struktūrām, piemēram, stieņa (stieņa) un galaktiku spirālveida atzariem, ir atsevišķi auksti un silti mākoņi, kurus ieskauj karstāka gāze. Starpzvaigžņu vidē (ISM) ir milzīgs skaits struktūru: milzīgi molekulārie mākoņi, atstarošanas miglāji, protoplanetāri miglāji, planētu miglāji, globulas utt. Tas noved pie plaša spektra novērojumu izpausmēm un procesiem, kas notiek vidē. Šajā sarakstā ir uzskaitītas ISM esošās struktūras:

koronālā gāze
Spilgtas HII zonas
Zema blīvuma HII zonas
Starpmākoņu vide
Siltie HI reģioni
Masera kondensāts
HI mākoņi
Milzu molekulārie mākoņi
molekulārie mākoņi
Globuli

Mēs tagad neiedziļināsimies sīkāk par to, kas ir katra struktūra, jo šīs publikācijas tēma ir plazma. Plazmas struktūrās ietilpst: koronālā gāze, spilgti HII apgabali, siltie HI reģioni, HI mākoņi, t.i. gandrīz visu sarakstu var saukt par plazmu. Bet, jūs iebilstat, telpa ir fizisks vakuums, un kā var būt plazma ar tādu daļiņu koncentrāciju?

Lai atbildētu uz šo jautājumu, ir jāsniedz definīcija: kas ir plazma un pēc kādiem parametriem fiziķi uzskata šo vielas stāvokli par plazmu?
Saskaņā ar mūsdienu priekšstatiem par plazmu šis ir ceturtais matērijas stāvoklis, kas ir gāzveida stāvoklī, ļoti jonizēts (pirmais stāvoklis ir ciets ķermenis, otrais ir šķidrs stāvoklis un visbeidzot trešais ir gāzveida). Bet ne katra gāze, pat jonizēta, ir plazma.

Kur ir elektronu koncentrācija, ir visu neitrālo daļiņu koncentrācija plazmā, atrodas diapazonā . Pilnībā jonizētai plazmai ir noteikta jonizācijas pakāpe

Tātad kvazineitritātes prasība ir šāda:

Vispirms noskaidrosim, kā fiziķi novērtē lādiņu atdalīšanas laika skalu. Iedomājieties, ka kāds elektrons plazmā novirzījās no sākotnējā līdzsvara stāvokļa telpā. Elektrons sāk darboties Kulona spēks, tiecoties atgriezt elektronu līdzsvara stāvoklī, t.i. , kur ir vidējais attālums starp elektroniem. Šis attālums ir aptuveni aprēķināts šādi. Pieņemsim, ka elektronu koncentrācija (t.i., elektronu skaits tilpuma vienībā) ir . Elektroni atrodas vidēji attālumā viens no otra, kas nozīmē, ka tie aizņem vidējo tilpumu. Tātad, ja šajā tilpumā ir 1 elektrons, . Rezultātā elektrons ar frekvenci sāks svārstīties ap līdzsvara stāvokli
Precīzāka formula
Šo frekvenci sauc elektroniskā Langmuir frekvence. To izstrādāja amerikāņu ķīmiķis Irvins Langmuirs, Nobela prēmijas ieguvējs ķīmijā "par atklājumiem un pētījumiem virsmas parādību ķīmijas jomā".

Tādējādi lādiņa atdalīšanas laika skalai ir dabiski ņemt Langmuir frekvences apgriezto vērtību

Kosmosā milzīgā mērogā laika intervālos daļiņas izdara daudzas svārstības ap līdzsvara stāvokli un plazma kopumā būs kvazineitrāla, t.i. Laika mērogā starpzvaigžņu vidi var sajaukt ar plazmu.

kur . No kurienes radās šī brīnišķīgā formula, jūs jautājat. Strīdēsimies šādi. Elektroni plazmā termostata līdzsvara temperatūrā pastāvīgi kustas ar kinētisko enerģiju. No otras puses, no statistiskās termodinamikas ir zināms vienmērīga enerģijas sadalījuma likums, un vidēji katrai daļiņai ir . Ja salīdzinām šīs divas enerģijas, mēs iegūstam iepriekš sniegto ātruma formulu.

Tātad, mēs saņēmām garumu, ko fizikā sauc elektrons Debija rādiuss vai garums.

Tagad es parādīšu stingrāku Debye vienādojuma atvasinājumu. Atkal iedomājieties N elektronus, kas elektriskā lauka ietekmē tiek pārvietoti par noteiktu daudzumu. Šajā gadījumā veidojas telpas lādiņa slānis, kura blīvums ir vienāds ar , kur ir elektrona lādiņš, ir elektronu koncentrācija. No elektrostatikas Puasona formula ir labi zināma

Šeit ir medija caurlaidība. No otras puses, elektroni pārvietojas termiskās kustības dēļ, un elektroni tiek sadalīti atbilstoši sadalījumam Bolcmans
Aizvietojot Bolcmana vienādojumu ar Puasona vienādojumu, mēs iegūstam
Šis ir Puasona-Boltzmana vienādojums. Izvērsīsim eksponenciālu šajā vienādojumā Teilora sērijā un atmetīsim otrās kārtas un augstākas vērtības.
Mēs aizstājam šo paplašinājumu ar Puasona-Bolcmaņa vienādojumu un iegūstam
Šis ir Debija vienādojums. Precīzāks nosaukums ir Debija-Hīkela vienādojums. Kā mēs noskaidrojām iepriekš, plazmā, tāpat kā kvazineitrālā vidē, otrais termins šajā vienādojumā ir vienāds ar nulli. Pirmajā sasaukumā mums būtībā ir Debye garums.

Starpzvaigžņu vidē Debija garums ir aptuveni 10 metri, starpgalaktiskajā vidē - apmēram metri. Mēs redzam, ka tās ir diezgan lielas vērtības, salīdzinot, piemēram, ar dielektriķiem. Tas nozīmē, ka elektriskais lauks šajos attālumos izplatās bez vājināšanās, sadalot lādiņus lādētos slāņos, kuru daļiņas svārstās ap līdzsvara pozīcijām ar frekvenci, kas vienāda ar Langmuira.

Birkas: pievienojiet atzīmes

Kopš 90. gadu sākuma tā dēvētā putekļainā plazma, kas no parastās plazmas atšķiras ar relatīvi lielu (salīdzinot ar jonu lielumu) mikrodaļiņu-putekļu graudu klātbūtni ar diametru no 10 līdz 100 nanometriem, sāka piesaistīt pastiprinātu. fiziķu interese. Zinātnieku interese radās neviļus, jo putekļi plazmā būtiski sabojāja smalkos plazmas kodināšanas tehnoloģiskos procesus, ko izmanto mikroshēmu ražošanā. Padziļināta problēmas izpēte parādīja, ka līdzīgi lādētas mikrodaļiņas plazmas plūsmā pretēji intuīcijai un fizikas likumiem neizkliedējas uz sāniem, bet tiek piesaistītas viena otrai, veidojot lielus kunkuļus un piesārņojot apstrādes tīrību. .

Rūpīgāka problēmas izpēte - eksperimenti uz zemes un mikrogravitācijas apstākļos uz Starptautiskās kosmosa stacijas, datormodelēšana- lika pētniekiem secināt, ka putekļainā plazma plazmas plūsmās ir ļoti īpašs vielas stāvoklis. Viena no svarīgākajām īpašībām dotais stāvoklis- tie ir spēcīgi izkliedēšanas procesi, kas tajā nepārtraukti norisinās, t.i. enerģijas apmaiņa ar ārējā vide, nodrošinot pašorganizējošu struktūru veidošanos. Tajā pašā laikā plazma plūst un elektriskie lauki radīt ļoti specifiskus apstākļus putekļiem, kas nodrošina līdzīgi uzlādētu putekļu daļiņu piesaisti lielos attālumos. Piemērotos apstākļos stabilu "putekļu kristālu" veidošanās plazmā var kļūt par šo procesu dabiskām sekām.

Šāda veida eksperimenti gravitācijas apstākļos parasti noved pie plakanu kristālu veidošanās virpuļkonvektīvo šūnu režģa formā ar regulāru struktūru. Tomēr eksperimentos ar datorsimulācijām, kas simulē gravitācijas neesamību, plakans virpulis iegūst cilindrisku formu, un putekļu daļiņas, kas to veido, var pašorganizēties vienas vai dubultās spirāles struktūrās. Šeit, protams, ir diezgan grūti nepamanīt līdzību ar DNS. Un 2007. gada vasarā New Journal of Physics, tiešsaistes starptautiskajā izdevumā, kas ātri ieguva popularitāti un autoritāti, tika publicēts ļoti diskutabls darbs par pašreizējiem rezultātiem putekļaino plazmas kristālu izpētē. Rakstu sagatavoja viens no plazmas fizikas patriarhiem, akadēmiķis Vadims N. Citovičs un viņa kolēģu grupa no Krievijas, Vācijas un Austrālijas institūtiem, un tā rezultāti ļāva secināt, ka neorganiskajai dzīvībai ļoti līdzīgas struktūras. atklāja.

Jo īpaši pētnieki atklāja, ka noteikti vides apstākļi, kas atrodami visur kosmosā, var izraisīt spirālveida struktūru pašizveidošanos no putekļainām plazmas daļiņām. Tajā pašā laikā dažās no šīm struktūrām tiek atzīmētas tā sauktās rādiusa bifurkācijas; pēkšņi mainās pārejas no viena skrūves rādiusa uz otru un atpakaļ, kas nodrošina informācijas glabāšanas mehānismu attiecībā uz spirāles posmu garumu un rādiusu. Turklāt dažās datorsimulācijās spirāle sadalījās divās daļās, efektīvi atkārtojot pati sevi. Citos eksperimentos izraisīja divas spirāles strukturālās izmaiņas viena otrai, un dažas spirāles pat parādīja evolūciju, laika gaitā pārvēršoties par stabilākām struktūrām ...