Плазма-четвертое состояние вещества

Плазма-четвертое состояние вещества

Пока мы занимались веществом при обыч­ных на поверхности Земли температурах, мож­но было частицами этого вещества считать моле­кулы и атомы. Но у атома тоже есть внутреннее строение. Он состоит из ядра, заряженного положительным электричеством, и отрицатель­но заряженных электронов. Если любое веще­ство нагревать до очень высокой температуры или пропускать через него сильный электриче­ский ток, его электроны начинают отрываться от атомов. То, что остается от атома после отры­ва электрона, имеет положительный заряд и на­зывается ионом, сам процесс отрыва электронов от атомов называется ионизацией. В резуль­тате ионизации получается смесь свободных частиц с положительными и отрицательными зарядами. Эту смесь назвали плазмой.

При отрыве электронов разрываются и все связи, которые удерживают частицы в кристалле или жидкости.

Казалось бы, в движении частиц не должно остаться никакого порядка. И действительно, плазма во многом похожа на газ. Иногда ее так и называют — газом из заряжен­ных частиц или ионизованным газом. Но самые замечательные свойства плазмы проявляются тогда, когда на нее действует магнитное поле. При этом в движении частиц плазмы появляет­ся некоторого рода порядок и свойства плазмы становятся совсем другими, чем у газа. По­этому плазму и называют четвертым состоянием вещества.

Порядок, который вносит магнитное по­ле в движение частиц плазмы,— совсем осо­бенный порядок. Его можно назвать вин­товым. Заряженная частица может свободно двигаться вдоль направления магнитного поля. Но при этом она быстро вращается вокруг на­правления магнитного поля. Это вращение про­исходит по тому же закону, что и в круговом ускорителе заряженных частиц — циклотроне. Поэтому вращение частиц плазмы вокруг направления магнитного поля так и называют — цикло­тронным вращением. Из сочетания свободного движения вдоль поля и циклотронного враще­ния поперек поля получается винтовое движе­ние частиц плазмы.

Если плазма не слишком плотная, то части­цы редко сталкиваются между собой: каждая движется по своему винту. В поперечном на­правлении такая плазма может двигаться толь­ко вместе с магнитным полем. Для наглядно­сти говорят, что магнитное поле как бы вморо­жено в плазму. Но снаружи магнитное поле не может проникнуть в плазму. Если снаружи воз­никает сильное магнитное поле, оно давит на плазму с силой, которую так и называют — силой магнитного давления. Отсюда следует, что плазму можно удерживать «магнитной стенкой», толкать «магнитным поршнем». Можно сказать: если вдоль магнитного поля плазма движется как газ, то при движении поперек магнит­ного поля она приобретает в известной степени свойства твердого тела. На этих свойствах плазмы основаны многие явления природы, кото­рые начинают использоваться и в технике.

Солнце — громадный шар, состоящий из раскаленной плазмы. С поверхности Солнца непрерывно стекает спокойный поток плазмы — так называемый солнечный ветер. Время от времени на поверхности Солнца происходят вспышки. При каждой такой вспышке в кос­мическое пространство «выплескивается» мощ­ный, но кратковременный поток плазмы. Эти плазменные потоки, достигая атмосферы Земли, вызывают в ней много замечательных явлений: полярные сияния, магнитные бури, нарушения радиосвязи. Дело в том, что и Земля окружена плазменной оболочкой, только эта оболочка находится очень высоко. Ведь Солнце наряду с видимым светом посылает во все стороны также и невидимые ультрафиолетовые лучи. Эти лучи воздействуют на атомы воздуха и от­рывают от них электроны, т. е. производят ионизацию. Так получается, что верхние слои атмосферы — ионосфера — состоят из ионизи­рованного воздуха, иначе говоря, из плаз­мы.

Когда великий русский ученый А. С. Попов изобрел радио, думали, что радиоволны должны распространяться, как световые лучи — по пря­мым линиям. Никто и не предполагал, что ра­диопередачу можно будет «поймать» на другой стороне земного шара. Казалось, что Земля должна «затенять» свою «обратную» сторону. Но опыт показал другое. Сейчас все знают, что хороший приемник свободно ловит передачи из любого места земного шара. Такую возмож­ность дает именно ионосфера. Плазма, как зер­кало, отражает радиоволны. Правда, для этого плазма должна быть достаточно плотной, а волны — достаточно длинными. Короткие вол­ны проникают в ионосферу и там поглощаются. Те, кому приходилось ловить радиопередачи на волнах короче 19 м, знают, что ночью эти волны «исчезают»: солнечные лучи перестают действовать, ионы и электроны соединяются в атомы, и плотность плазмы падает.

Кроме плазменной оболочки — ионосферы, Земля окружена еще и магнитным полем. Это поле «вморожено» в ионосферную плазму. Вы­брошенные Солнцем плазменные потоки «уда­ряются» об эту «оболочку», состоящую из плаз­мы и вмороженного в нее магнитного поля, и она начинает «дрожать», как колокол, по кото­рому ударили. Дрожание магнитного поля за­ставляет дрожать стрелки всех компасов на кораблях и все указатели других приборов, измеряющих направление и силу магнитного поля. Такие беспорядочные колебания земного магнитного поля называют магнитными бурями. Они следуют за солнечными вспышками именно через такое время, которое нужно плазменному потоку, чтобы дойти от Солнца до Земли. Уда­ряя о плазменное «зеркало», отражающее радио­волны, плазменные потоки могут вызывать и нарушения радиосвязи. А после удара солнеч­ная плазма растекается вдоль направления земного магнитного поля и втекает в более плот­ный воздух вблизи магнитных полюсов Земли, т. е. в полярных областях. Там частицы плазмы сталкиваются с молекулами воздуха и застав­ляют их светиться. Так возникают красочные полярные сияния.

Мы могли здесь рассказать только о немно­гих, наиболее бросающихся в глаза проявле­ниях плазмы в космосе. Звезды, газовые ту­манности, межзвездный и межпланетный газ содержат вещество в состоянии плазмы. Твер­дое вещество содержат только планеты, их спутники, метеориты и космическая пыль. Если для нас на Земле плазменное состояние кажет­ся необычным, то в космосе это — основное состояние вещества.

Плазма с каждым годом все чаще применяет­ся в технике. В обычной пока электрической лампочке светится раскаленная нить металла. А в газосветных лампах светится плазма, заполняю­щая стеклянную трубку. Начинают входить в употребление плазменные горелки для сварки и резки металлов. При всяком электрическом разряде в газе образуется плазма. Самый про­стой тип разряда называется вольтовой дугой. Дуга зажигается, если к двум металли­ческим электродам приложить достаточное электрическое напряжение, чтобы пробить на­ходящийся между ними газ. Дугу, чтобы она не расширялась (а расширение приводит к охлаж­дению), как бы сжимают, окружая кольцевой струей холодного газа или водяного пара. В тех­нике все шире применяются сжатые этим способом дуговые разряды. Такие приборы назы­вают плазмотронами. Они применяются там, где нужна очень высокая температура, напри­мер в химической промышленности и металлургии.

Самое замечательное, чего ждет человечество от плазмы,— это возможность овладеть управляемой термоядерной реакцией. В любой природной воде около одной шеститысячной части тяжелой воды, в которой водород заме­нен его тяжелым изотопом — дейтерием. Пре­вращение дейтерия в гелий — ядерная реакция ,с громадным выходом энергии. Но чтобы человек мог управлять этой реакцией, нужно нагреть воду до десятков миллионов градусов. Никакая твердая стенка не выдержала бы такой жар. Вот тут и придут на помощь свойства плазмы. Окружив ее «магнитной стенкой», мож­но создать условия для управляемой термо­ядерной реакции. Эта задача еще не решена, но над ней, не жалея сил, трудятся ученые (см. ст. «Сто миллионов градусов»).