Плазма – четвертий стан речовини. Продовження.
У перших трьох станах – твердому, рідкому і газоподібному – електричні і магнітні сили глибоко заховані в надрах речовини. Вони цілком йдуть на те, щоб зв’язувати ядра і електрони в атоми, атоми в молекули і в кристали. Речовина в цих станах виявляється в цілому електрично нейтральною. Інша справа – плазма. Електричні та магнітні сили тут виступають на перший план і визначають всі її основні властивості. Плазма з’єднує в собі властивості трьох станів: твердого (метал), рідкого (електроліт) і газоподібного. Від металу вона бере високу електропровідність, від електроліту – іонну провідність, від газу – велику рухливість частинок. І всі ці властивості переплітаються так складно, що плазма виявляється дуже важкою для вивчення.
І все-таки вченим вдається за допомогою тонких фізичних приладів заглянути в сліпучо світлу газову хмару. Їх цікавить кількісний і якісний склад плазми, взаємодія її частин один з одним.
До розжареної плазми руками не доторкнешся. Її обмацують за допомогою дуже чутливих «пальців» – електродів, що вводяться в плазму. Ці електроди називаються зондами. Вимірюючи силу струму, що йде на зонд, при різних напружених, можна дізнатися ступінь концентрації електронів та іонів, їх температуру і ряд інших характеристик плазми.
Склад плазми дізнаються, беручи проби плазмового речовини. Спеціальними електродами витягають невеликі порції іонів, які потім сортують по масам за допомогою дотепного фізичного приладу – мас-спектрометра. Цей аналіз дає можливість дізнатися також знак і ступінь іонізації, тобто чи негативно або позитивно, одноразово або багато разів іонізовані атоми.
Плазму обмацують також радіохвилями. На відміну від звичайного газу плазма їх сильно відбиває, підчас сильніше, ніж метали. Це пов’язано з наявністю в плазмі вільних електричних зарядів. Донедавна таке радіообмацування було єдиним джерелом відомостей про іоносферу – чудове плазмове «дзеркало», яке природа помістила високо над Землею. Сьогодні іоносфера досліджується також за допомогою штучних супутників і висотних ракет, які беруть проби іоносферної речовини і «на місці» виробляють її аналіз.
Плазма – дуже нестійкий стан речовини. Забезпечити узгоджений рух всіх її складових частин – дуже нелегка справа. Часто здається, що це досягнуто, плазма втихомирена, але раптово з якихось не завжди відомих причин в ній утворюються згущення і розрідження, виникають сильні коливання, і її спокійна поведінка різко порушується.
Іноді ж «гра» електричних і магнітних сил в плазмі сама приходить на допомогу вченим. Ці сили можуть утворювати з плазми тіла компактної і правильної форми, названі плазмоїдами. Форма плазмоїдів може бути дуже різноманітною. Тут і кільця, і трубки, і здвоєні кільця, і перекрученні шнури. Плазмоїди досить стійкі. Наприклад, якщо «вистрілити» назустріч один одному двома плазмоїдами, то вони при зіткненні відлетять один від одного, як більярдні кулі.
Вивчення плазмоїдів дозволяє краще зрозуміти процеси, що відбуваються з плазмою в гігантських масштабах всесвіту. Один з видів плазмоїдов – шнур – грає дуже важливу роль у спробах вчених створити керовану термоядерну реакцію. Плазмоїди, мабуть, будуть використані також в плазмовій хімії та металургії.
НА ЗЕМЛІ І В КОСМОСІ
На Землі плазма – досить рідкісний стан речовини. Але вже на невеликих висотах полум’яний стан починає переважати. Потужне ультрафіолетове, корпускулярне і рентгенівське випромінювання Сонця іонізує повітря у верхніх шарах атмосфери і викликає утворення плазмових «хмар» в іоносфері. Верхні шари атмосфери – це захисна броня Землі, що оберігає все живе від згубної дії сонячних випромінювань. Іоносфера – відмінне дзеркало для радіохвиль (за винятком ультракоротких), що дозволяє здійснювати земний радіозв’язок на далекі відстані.
Верхні шари іоносфери не зникають і вночі: надто розріджена в них плазма, щоб виникли днем іони і електрони встигли возз’єднатися. Чим далі від Землі, тим менше в атмосфері нейтральних атомів, а на відстані в півтораста мільйонів кілометрів знаходиться найближчий до нас колосальний згусток плазми – Сонце.
З нього постійно вилітають фонтани плазми – часом на висоту в мільйони кілометрів, – так звані протуберанці. По поверхні переміщуються вихори дещо менш гарячої плазми – сонячні плями. Температура на поверхні Сонця близько 5500 °, плям – на 1 000 ° нижче. На глибині 70 тисяч кілометрів – уже 400 000 °, а ще далі температура плазми досягає більше 10 мільйонів градусів.
У цих умовах ядра атомів сонячної речовини абсолютно оголені. Тут при гігантських тисках весь час йдуть термоядерні реакції злиття ядер водню і перетворення їх в ядра гелію. Виділяється при цьому енергія заповнює ту, що Сонце так щедро випромінює в світовий простір, «опалюючи» і висвітлюючи всю свою систему планет.
Зірки у всесвіті знаходяться на різних стадіях розвитку. Одні вмирають, повільно перетворюючись на холодний несвітний газ, інші вибухають, викидаючи в простір величезні хмари плазми, які через мільйони і мільярди років досягають у вигляді космічних променів інших зоряних світів. Є області, де сили тяжіння згущують газові хмари, в них ростуть тиск і температура, поки не створюються сприятливі умови для появи плазми і збудження термоядерних реакцій, – і тоді спалахують нові зірки. Плазма в природі знаходиться в безперервному кругообігу.
СЬОГОДЕННЯ І МАЙБУТНЄ ПЛАЗМИ
Вчені стоять на порозі оволодіння плазмою. На зорі людства найбільшим досягненням було вміння отримувати і підтримувати вогонь. А сьогодні знадобилося створити і зберегти на тривалий час іншу, набагато більш «високоорганізовану» плазму.
Ми вже говорили про застосування плазми в господарстві: вольтова дуга, лампи денного світла, газотрони і тиратрони. Але тут «працює» порівняно негаряча плазма. У вольтовій дузі, наприклад, іонна температура становить близько чотирьох тисяч градусів. Однак зараз з’являються надміцні сплави, які витримують температуру до 10-15 тисяч градусів. Щоб обробляти їх, потрібна плазма з більш високою іонною температурою. Застосування її обіцяє чималі перспективи і для хімічної промисловості, оскільки багато реакцій протікають тим швидше, чим вище температура.
До якої ж температури поки вдалося розігріти плазму? До десятків мільйонів градусів. І це не межа. Дослідники вже знаходяться на підступах до керованої термоядерної реакції синтезу, в ході якої виділяються величезні кількості енергії. Уявіть собі штучне сонце. І не одне, а декілька. Адже вони змінять клімат нашої планети, назавжди знімуть з людства турботу про паливо.
Ось які застосування очікують плазму. А поки ведуться дослідження. Великі колективи вчених напружено працюють, наближаючи той день, коли четвертий стан речовини стане для нас таким же звичайним, як і три інших.
Автор: В. Риднік.