99,9 % всей материи во Вселенной пребывает в четвёртом агрегатном состоянии. Но несмотря на это, известно оно нам относительно недавно и знаем мы о нём не так много. Большой интерес это состояние вызывает прежде всего из-за умопомрачительных перспектив использования в энергетике. Речь идёт о плазме.
НАЧАЛОСЬ ВСЁ С ДУГИ
Задолго до появления термина «плазма» многие учёные в своих опытах сталкивались с электропроводящим, а значит, ионизированным газом. В начале XIX века русский физик В П открыл новый вид электроразрядов в газе — дуговой. Учёный взял два угольных электрода, свёл их концы друг с другом, а затем развёл на небольшое расстояние. Благодаря свойству электронов исходить из металла при высокой температуре (контакты нагрелись из-за сильного сопротивления) учёный получил плазменный канал, по которому протекал ток. Это исследование показало, что газ, в котором происходит электрический разряд, по свойствам не похож на обычный газ в электропроводящем состоянии, а значит, его нужно изучать отдельно. Проблемой заинтересовался английский физик У К. Он первым высказал идею о существовании четвёртого агрегатного состояния вещества. Плазмой ионизированный газ назвал уже американский учёный И Л. Его коллега Л Т вспоминал, что в 1928 году Ленгмюр зашёл к нему в лабораторию посоветоваться: «Слушайте, Тонкс. Я ищу слово. В газовых разрядах мы называем область непосредственно вблизи стенки или электрода слоями, и это,по-видимому, подходит; но как назвать основную часть разряда?.. Не хочется изобретать слово, но оно должно описывать эту область, как отличающуюся от слоёв. Что бы Вы предложили?» Тонкс не смог предложить название, но на следующий день Ленгмюр заглянул к нему снова и объявил: «Я знаю, как это назвать! Мы назовём это плазмой».
ТАК ЧТО ЖЕ ТАКОЕ ПЛАЗМА?
Состояние вещества зависит от физических условий среды, в которой оно находится: её объёма, давления и температуры. Например, если нагреть твёрдое тело, то за счёт разрушения межмолекулярных связей оно станет жидким. Продолжим нагрев — жидкость испарится и превратится в газ. Но что будет происходить с веществом при дальнейшем повышении температуры? Если нагревать газ, при этом не давая ему возможности расширяться, то энергия, которая раньше шла на разрыв связей между молекулами, пойдёт на увеличение скорости движения атомов. В результате они начнут активно соударяться и распадаться на электроны и ионы. Получившаяся в итоге электронно-ионная смесь и называется плазмой.
Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы.
МИЛЛИОНЫ ГРАДУСОВ И ВЫШЕ
Минимальная энергия или температура, которая необходима для удаления электронов из атома, у каждого элемента своя. Но обычно речь идёт об очень высоких температурах: от нескольких тысяч градусов и выше. Однако это будет ещё очень холодная плазма. В природе она встречается в виде огня, молнии и северного сияния. А если продолжить нагрев? В начале в плазме будут как заряженные частицы, так и целые нейтральные атомы газа, но чем сильнее мы будем нагревать вещество, тем больше оно будет ионизироваться. Так мы дойдём до горячей плазмы с температурой в несколько миллионов градусов, как в ядре нашего Солнца. И тут наступает предел. При дальнейшем нагревании плазма теряет присущие ей свойства, и в ней запускаются термоядерные реакции. Именно этот процесс происходит внутри Солнца: заряженные частицы так сильно сближаются, что сливаются и образуют новые частицы, выделяя при этом энергию.
Нагревать газ до состояния плазмы и термоядерного синтеза можно не только тепловым способом, но при помощи электромагнитного или радиационного излучения. Все мы по нескольку раз в день используем электрический разряд для превращения газа в слабоионизированную плазму, когда включаем обычную дуговую лампочку, создавая вольтову дугу между электродами.
КАК ПОЛУЧИТЬ И УДЕРЖАТЬ ПЛАЗМУ?
Как контролируемо нагреть газ до миллионов градусов? Плазма может возникнуть спонтанно, например, в разряде молнии или при взрыве термоядерной бомбы, но пользы от этого нам мало. Второй вопрос — как взаимодействовать с плазмой или хотя бы удержать её? Не существует материала, способного выдержать такую температуру. На сегодня существует два принципиальных подхода к нагреву плазмы. Можно использовать сверхмощный лазер, который может кратковременно нагреть какую-то область пространства. Есть и другой, более перспективный способ.
В нём для удержания плазмы используются магнитные поля, не дающие ей контактировать с материей. При этом магнитные поля создают индукционный электрический ток высокой интенсивности, и когда этот ток проходит через плазму, он испытывает сопротивление, приводящее к нагреву. Это осуществимо в специальных установках, которые называются тороидальные камеры с магнитными катушками — токамаки. Однако удерживать плазму внутри магнитного поля бывает непросто. Из-за того, что у каждой частицы ионизированного газа есть свои электрическое и магнитное поле, любое внешнее воздействие (например, сильное напряжение или пропускание через вещество пучка электронов) может вызвать турбулентность — бурление плазмы. Вещество может потерять устойчивость и вылететь поперек магнитного поля на стенку ловушки, а это, напомним, газ температурой в миллионы градусов.
ЧЕМ ОТЛИЧАЕТСЯ ОБЫЧНЫЙ ГАЗ ОТ ИОНИЗИРОВАННОГО?
Частицы обычного газа заряжены нейтрально, а плазма представляет собой смесь положительно заряженных ионов (атомов, потерявших один или несколько своих электронов) и свободных электронов. Обычно ионы и отрицательно заряженные электроны взаимно притягиваются, а после их соединения получается нейтральный заряд. Почему в плазме соединения и нейтрализации частиц не происходит? На то есть две причины. Во-первых, из-за высокой температуры, следствия высокой скорости движения ионов и электронов. Во-вторых, низкого давления.
НА ПУТИ К ТЕРМОЯДЕРНОМУ СИНТЕЗУ
Термоядерный синтез — это реакция, при которой ядра более лёгких атомов объединяются в более тяжёлые. Реакция происходит при очень высоких температурах, из-за чего ядра лёгких атомов сближаются настолько, что преодолевают кулоновское сопротивление и начинают взаимопритягиваться за счёт сильного взаимодействия. В результате объединения выделяется энергия. Например, для реакции дейтерий-тритий требуется примерно 0,1 МэВ энергии, но в результате синтеза выделяется гелий и 17,6 МэВ. Это самая «холодная» термоядерная реакция, но даже для неё требуется температура в 10 ⁹ К! При таких температурах любое вещество превращается в плазму. Получение стабильной плазмы — одна из главных и сложных задач, стоящих на пути к управляемому термоядерному синтезу. Это одно из самых перспективных направлений в энергетике.
ГДЕ ИСКАТЬ ПЛАЗМУ?
Более 99 % видимой Вселенной — это ионизированный газ, причём наш мир заполнился сверхгорячей и очень плотной плазмой уже на десятой микросекунде после Большого взрыва. Потребовалось 379 тысяч лет, чтобы она остыла и начался процесс рекомбинации: захват ионами свободных электронов и их превращение в нейтральные атомы или молекулы. В результате остывания Вселенной плазма исчезает, переставая быть доминирующем состоянием вещества. Сегодня плазма существует в космосе в самих звёздах, ионосферах планет и межзвёздных туманностях. На Земле естественный ионизированный газ — в виде молнии или северного сияния — надолго не задерживается. Как можно заметить по примерам выше, плазма почти всегда излучает свет. Это её свойство используется в люминесцентных и неоновых лампах, мониторах и экранах электроприборов. С помощью плазменных технологий также можно выращивать алмазы необходимой формы и размеров, создавать компьютерные чипы и наносить металлическое покрытие на различные предметы. Медицинские центры сегодня предлагают лечить с помощью холодной плазмы кожные заболевания и устранять шрамы, а промышленные компании разрабатывают на её основе приборы для дезинфекции помещений и очистки воды.
ХЕМА РАБОТЫ ТОКАМАКА
Плазма в токамаке не касается его стенок, а удерживается комбинированным магнитным полем — тороидальным внешним и полоидальным полем тока в самой плазме. Ток, протекая через плазму, нагревает её и создаёт вокруг себя полоидальное магнитное поле.
