Методика формирования понятия Плазма в школьном курсе физики (стр. 3 из 6)

и , где

- заряд протона, - заряд электрона, N – количество протонов (электронов) в объёме V, n – концентрация положительных (отрицательных) зарядов. Представление о плазме, как о четвертом агрегатном состоянии вещества, можно сказать, как бы предвосхитили мыслители глубокой древности, которые считали, что мир состоит из четырех простых стихий: земли, воды, воздуха и огня (современная наука говорит о четырех состояниях вещества: твердом, жидком, газообразном и плазменном). Каждое состояние существует в определенном интервале температур. Например, при отрицательных (по Цельсию) температурах вода находится в твердом состоянии (лед), в интервале температур от 0 °С до 100 °С вода является жидкостью, выше 100 °С мы имеем водяной пар (газ), а при значительно более высоких температурах (10 000 °С и выше) атомы и молекулы нейтрального газа теряют часть своих электронов и становятся положительными ионами.

? Что такое плазма? Приведите примеры плазмы в природе.

? Расскажи о происхождении термина плазма. Что означает биологический термин плазма?

? Для чего нужно заниматься физикой плазмы?

§ 2. СТЕПЕНЬ ИОНИЗАЦИИ ПЛАЗМЫ

Итак, при сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т.е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана ударной ионизацией заряженными частицами (например, при электрическом разряде в газе), взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация).

Как было уже сказано свыше, 90 % вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы, т.е. в виде ионизованного газа, в котором атомы и молекулы диссоциированы на положительные и отрицательные ионы и отрицательные электроны. Эта оценка, возможно, и не является точной, но она, конечно, вполне обоснована, если учесть тот факт, что звезды и их атмосфера, газовые туманности и значительная часть межзвездного газа представляют собой плазму. Что касается непосредственно нашей Земли, то мы сталкиваемся с плазмой, как только выходим за пределы земной атмосферы, - это радиационные пояса и солнечный ветер. Однако в повседневной жизни наши встречи с плазмой ограничиваются всего лишь несколькими примерами: вспышки молнии, мягкое свечение северного сияния, проводящий газ внутри флуоресцентной трубки пли неоновой рекламы и слабоионизованная плазма ракетных факелов. Причину этого можно понять с помощью уравнения Саха, которое позволяет вычислить степень ионизации газа, находящегося в тепловом равновесии.

Степенью ионизации плазмы называют отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы:

.

В условиях теплового равновесия она определяется формулой Саха:

. (2.1)

Здесь

, и - концентрация (число частиц в 1 м³) ионизованных и нейтральных атомов соответственно, Г-температура газа в К, k - постоянная Больцмана, - энергия ионизации газа, т.е. энергия, необходимая для удаления электрона с внешней электронной оболочки атома. Обычно выражается в процентах, тогда результат, полученный из формулы Саха, необходимо умножить на 100 %. В воздухе при нормальных условиях для азота и эВ

(см. задачу 2.1). Относительная ионизация ничтожно мала:

С ростом температуры степень ионизации остается низкой до тех пор, пока средняя кинетическая энергия молекул газа не станет всего лишь в несколько раз меньше энергии ионизации

. После этого, резко возрастает и газ переходит в плазменное состояние. При дальнейшем возрастании температуры концентрация нейтральных частиц становится меньше концентрации ионизованных атомов, и плазма, в конечном счете, оказывается полностью ионизованной. Именно поэтому полностью ионизованная плазма составляет астрономические тела температурой несколько миллионов градусов и отсутствует на Земле.

Термоионизация газа происходит в тех случаях, когда средняя кинетическая энергия молекул газа превышает энергию ионизации:

, где

. (2.2)

Нетрудно убедиться, что ионизация газа при тепловых соударениях молекул возможна лишь при очень высоких температурах

. Вычисления показывают:

(положим

эВ), что .

В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную (

составляет доли процента), частично ионизованную ( около нескольких процентов) и полностью ионизированную ( близка к 100 %). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях является ионосфера Земли, тлеющий разряд. Во Вселенной слабоионизованная плазма - это солнечный ветер, атмосферы холодных звезд, холодные облака межзвездного газа. Горячие звезды, туманности, солнечная корона и некоторые межзвездные облака - это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре.

? Что называется степенью ионизации?

? При каком условии происходит термоионизация газа? Назовите порядок

температуры, при которой происходит термоионизация.

? Какое деление плазмы существует по степени ионизации? Приведите примеры.

Задачи для самостоятельного решения

2.1. Вычислите концентрацию идеального газа при следующих условиях: а) при температуре 0 °С и давлении 101 325 Па (эта величина называется числом Лошмидта); б) при комнатной температуре (20 °С) и давлении 10~3 мм рт. ст.

2.2. Концентрация электронов проводимости в германии при комнатной температуре 3 • 10¹⁹ м³. Какую часть составляет число электронов проводимости от общего числа атомов? Плотность германия 5400 кг / м³, молярная масса 0,079 кг / моль.

2.3. Используя данные для воздушной среды, с помощью формулы Саха получите степень ионизации воздуха и сравните результат с предлагаемым значением.

2.4. Вычислите степень ионизации солнечного ветра, ионосферы Земли (слоя D), солнечной короны, используя необходимые величины из «Приложения».

§ 3. КОЛЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ

Поскольку плазма представляет собой газ, состоящий из заряженных и нейтральных частиц, то она проявляет коллективные свойства. Понятие коллективные свойства поясним на следующем примере. Рассмотрим силы, действующие на молекулу, скажем, в обычном воздухе. Сразу заметим, что сила гравитационного притяжения пренебрежимо мала по сравнению с силой электромагнитного взаимодействия (см. задачу 3.1). Расчет показывает, что силы взаимодействия (притяжения и отталкивания) действуют между нейтральными молекулами на очень малых расстояниях (F_пр~1/r⁷, a F_от~1/ r¹³), где r - расстояние между молекулами, т.е. являются короткодействующими. В случае же плазмы, которая содержит заряженные частицы, ситуация совсем иная. Во время движения заряженных частиц изменяются локальные концентрации положительного и отрицательного зарядов, что приводит к возникновению электрических полей. С движением зарядов связаны также токи и, следовательно, магнитные поля. Эти поля на больших расстояниях могут влиять па движение других заряженных частиц. Например, в плазме из-за более медленного убывания с расстоянием кулоновских сил (~1 / r²) взаимодействие между частицами постоянно влияет на их движение. Таким образом, понятие коллективные свойства означает, что в плазме движение частиц определяется не только локальными условиями, но и ее состоянием в удаленных областях.

Однако справедливо это не всегда. Если плазма настолько разрежена, что кулоновское взаимодействие между частицами оказывается значительно меньшим, чем влияние на них внешних электрических и магнитных полей (в космических условиях последние обычно существенны), то плазму можно рассматривать как совокупность отдельных частиц, движение которых определяется внешними полями. В такой плазме обычно не проявляются специфически плазменные коллективные процессы. С другой стороны, если плазма настолько плотная, что частота парных столкновений достаточно велика, или если процессы протекают с характерным временем, значительно превышающим время свободного пробега электрона или иона, то и здесь нет специфически плазменных процессов. В таких случаях плазму можно считать сплошной средой и применять для ее описания магнитогидродинамические уравнения или соотношения.