3. Njeriu që “pa” dimensionin e katërt Deri në vitin 1910, dimensioni i katërt ishte bërë një shprehje pothuajse e përditshme... E modifikuar nga realiteti ideal platonik apo kantian - apo edhe parajsa! - kjo përgjigje për të gjitha problemet që shqetësojnë shkencën moderne -

Dimensioni i katërt si art Periudha nga 1890 deri në 1910 mund të konsiderohet si epoka e artë e dimensionit të katërt. Ishte në këtë kohë që idetë e shprehura nga Gauss dhe Riemann u përhapën në qarqet letrare, depërtuan në ndërgjegjen e publikut të gjerë dhe ndikuan

Bolshevikët dhe dimensioni i katërt në Rusinë cariste Dimensioni i katërt u bë i famshëm falë veprave të mistikut Peter Ouspensky, i cili i njohu intelektualët rusë me sekretet e këtij dimensioni. Ndikimi i kësaj teme u ndje aq qartë sa Fedor

Bigamistët dhe Dimensioni i Katërt Përfundimisht ideja e dimensionit të katërt kaloi Oqeanin Atlantik në Amerikë. Lajmëtari i saj ishte një figurë shumëngjyrëshe - matematikani anglez Charles Howard Hinton. Nëse Albert Ajnshtajni po shikonte mbi tavolinën e tij në 1905

Dimensioni i katërt i padobishëm Në retrospektivë, fjalimi i famshëm i Riemann-it u popullarizua nga mistikët, filozofët dhe artistët dhe u vu në dispozicion për një audiencë më të gjerë, por bëri pak për të thelluar kuptimin tonë për natyrën. Duke marrë parasysh

Dimensioni i Katërt dhe Takimet e Alumnive Natyrisht, teoria e Ajnshtajnit është paraqitur më shumë se një herë në ekspozita popullore, autorët e të cilave theksuan aspekte të ndryshme të teorisë. Por vetëm disa prej tyre kuptuan thelbin e teorisë speciale të relativitetit: koha -

21. Dimensioni i katërt dhe i pestë Koha si dimension i katërt Hapësira e Universit tonë ka tre boshte koordinative: “lart – poshtë”, “lindje – perëndim” dhe “veri – jug”. Megjithatë, për të ngrënë drekë me një mik, do të duhet të bini dakord jo vetëm për vendin e takimit,

Koha si dimensioni i katërt Hapësira e Universit tonë ka tre boshte koordinative: “lart – poshtë”, “lindje – perëndim” dhe “veri – jug”. Megjithatë, për të ngrënë drekë me një mik, do të duhet të bini dakord jo vetëm për vendin e takimit, por edhe për kohën. Në këtë kuptim, koha është

Kapitulli 21. Dimensionet e katërt dhe të pestë Për më shumë informacion mbi unifikimin e hapësirës dhe kohës, shihni [Thorne 2009]. Për "revolucionin e superstringut" të John Schwartz dhe Michael Green dhe mënyrën se si fizikanët përqafuan konceptin e rrezes shumëdimensionale, shihni Universi Elegant. Superstrings, të fshehura

Përveç tre gjendjeve të listuara më sipër, një substancë mund të jetë në gjendjen e katërt të grumbullimit - plazma , e cila u zbulua relativisht kohët e fundit. Gjendja e plazmës ndodh kur një substancë në gjendje të gaztë ekspozohet ndaj faktorëve të tillë të fortë jonizues si temperaturat ultra të larta (disa milionë gradë), shkarkimet e fuqishme elektrike ose rrezatimi elektromagnetik. Në këtë rast, molekulat dhe atomet e substancës shkatërrohen dhe shndërrohen në një përzierje të përbërë nga bërthama të ngarkuara pozitivisht dhe elektrone që lëvizin me shpejtësi kolosale. Për këtë arsye, plazma nganjëherë quhet gaz elektron-bërthamor.

Ekzistojnë dy lloje të plazmës: izotermike dhe shkarkimi i gazit.

Plazma izotermike Përftohet në temperatura të larta, nën ndikimin e të cilave bëhet shpërbërja termike e atomeve të substancës dhe mund të ekzistojë pafundësisht. Ky lloj i plazmës është substanca e yjeve, si dhe rrufeja e topit. Jonosfera e Tokës është gjithashtu një lloj i veçantë i plazmës; megjithatë, në këtë rast, jonizimi ndodh nën ndikimin e rrezatimit ultravjollcë nga Dielli.

Plazma izotermale luan një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm në proceset hapësinore. Tre gjendje të tjera agregate të materies në hapësirën e jashtme janë përjashtime.

Plazma e shkarkimit të gazit formohet gjatë një shkarkimi elektrik dhe për këtë arsye është i qëndrueshëm vetëm në prani të një fushe elektrike. Sapo veprimi i fushës së jashtme pushon, plazma e shkarkimit të gazit, për shkak të formimit të atomeve neutrale nga jonet dhe elektronet, zhduket brenda 10 -5 -10 -4 s.

Një nga vetitë e jashtëzakonshme të plazmës është përçueshmëria e lartë e saj elektrike. Sa më e lartë të jetë temperatura e plazmës, aq më e lartë është përçueshmëria e saj. Për shkak të kësaj, rrymat prej qindra mijëra e miliona amperësh mund të kalojnë përmes plazmës.

Duke kaluar rryma të tilla përmes një plazme, është e mundur të rritet temperatura e saj në dhjetëra dhe madje qindra miliona gradë, dhe presioni i saj në dhjetëra gigapascals. Dihet se kushte të tilla janë afër mbajtjes reaksionet e shkrirjes termonukleare , të cilat mund të prodhojnë sasi kolosale të energjisë.

Siç dihet, energjia lirohet jo vetëm gjatë ndarjes së bërthamave, por edhe gjatë shkrirjes së tyre, d.m.th., gjatë shkrirjes së bërthamave më të lehta në ato më të rënda. Detyra në këtë rast është të kapërcehet zmbrapsja elektrike dhe të afrohen bërthamat e lehta në distanca mjaft të vogla ku forcat tërheqëse bërthamore fillojnë të veprojnë midis tyre. Kështu, për shembull, nëse do të ishte e mundur të detyrohen dy protone dhe dy neutrone të bashkohen në bërthamën e një atomi të heliumit, atëherë do të çlirohej një energji e madhe. Duke u ngrohur në temperatura të larta si rezultat i përplasjeve të zakonshme, bërthamat mund të afrohen në distanca kaq të vogla sa të hyjnë në lojë forcat bërthamore dhe të ndodhë shkrirja. Pasi të fillojë, procesi i shkrirjes, siç tregojnë llogaritjet, mund të sigurojë sasinë e nxehtësisë së nevojshme për të ruajtur temperaturën e lartë të nevojshme për shkrirje të mëtejshme bërthamore, d.m.th. procesi do të vazhdojë në vazhdimësi. Kjo prodhon një burim kaq të fuqishëm të energjisë termike saqë sasia e tij mund të kontrollohet vetëm nga sasia e materialit të kërkuar. Ky është thelbi i kryerjes së një reaksioni të fuzionit termonuklear të kontrolluar.

Kur një rrymë elektrike kalon nëpër një plazmë, ajo krijon një fushë të fortë magnetike që ngjesh rrjedhën e elektroneve dhe joneve në kordoni plazmatik Kështu arrihet izolimi termik i plazmës nga muret e enës. Me rritjen e rrymës, kompresimi elektromagnetik i plazmës bëhet më i theksuar. Ky është thelbi i të ashtuquajturit efekt majë .Siç ka treguar hulumtimi, efekti pinch dhe forcat e krijuara nga fushat magnetike të jashtme që ndryshojnë sipas një ligji të caktuar mund të përdoren me sukses për të mbajtur plazmën në një "shishe magnetike" ku ndodh reaksioni i shkrirjes.

TEORIA E LIDHJES KIMIKE

Dispozitat e përgjithshme të doktrinës së lidhjeve kimike. Lidhja kovalente

Koncepti i një lidhjeje kimike është një nga ato themelore në shkencën moderne. Pa njohuri për natyrën e ndërveprimit të atomeve, është e pamundur të kuptohet mekanizmi i formimit të përbërjeve kimike, përbërja dhe reaktiviteti i tyre, dhe aq më tepër, të parashikohen vetitë e materialeve të reja.

Idetë e para dhe jo plotësisht të qarta rreth lidhjeve kimike u prezantuan nga Kekule në 1857. Ai theksoi se numri i atomeve të lidhura me një atom të një elementi tjetër varet nga bazueshmëria e pjesëve përbërëse .

Për herë të parë, termi "lidhje kimike" u prezantua nga A.M. Butlerov në 1863. Në krijimin e doktrinës së lidhjeve kimike, teoria e tij e strukturës kimike, e propozuar në vitin 1861, luajti një rol të madh. Megjithatë, pasi kishte formuluar dispozitat kryesore të teorisë, Butlerov nuk e përdori ende termin "lidhje kimike “. Parimet e mësimit të tij janë si më poshtë:

1. Atomet në molekula janë të lidhura me njëri-tjetrin në një sekuencë të caktuar. Ndryshimi i kësaj sekuence çon në formimin e një substance të re me veti të reja.

2. Lidhja e atomeve ndodh në përputhje me valencën e tyre.

3. Vetitë e substancave varen jo vetëm nga përbërja, por edhe nga “struktura kimike” e tyre, d.m.th. mbi rendin e lidhjes së atomeve në molekula dhe natyrën e ndikimit të tyre reciprok.

Kështu, vetitë e substancave përcaktohen jo vetëm nga përbërja e tyre cilësore dhe sasiore, por edhe nga struktura e brendshme e molekulave.

Në 1863, në veprën e tij "Për shpjegime të ndryshme të disa rasteve të izomerizmit", Butlerov foli tashmë për "metodën e lidhjes kimike midis atomeve", për "lidhjen kimike të atomeve individuale".

Çfarë do të thotë termi "lidhje kimike"?

Mund të jepen një sërë përkufizimesh të këtij koncepti, por më e dukshme prej tyre është ajo lidhje kimike – ky është bashkëveprimi që ndodh ndërmjet atomeve gjatë formimit të substancave.

Një shpjegim shkencor i natyrës së lidhjes kimike mund të shfaqej vetëm pas shfaqjes së doktrinës së strukturës së atomit. Në vitin 1916, kimisti fizik amerikan Lewis sugjeroi që një lidhje kimike lind duke çiftuar elektronet që i përkasin atomeve të ndryshme. Kjo ide ishte pikënisja për modernen teoria e lidhjes kimike kovalente .

Në të njëjtin vit, shkencëtari gjerman Kossel sugjeroi që kur dy atome ndërveprojnë, njëri prej tyre jep dhe tjetri pranon elektrone. Ndërveprimi elektrostatik i joneve që rezultojnë çon në formimin e një përbërjeje të qëndrueshme. Zhvillimi i ideve të Kossel çoi në krijimin teoria e lidhjes jonike .

Në çdo rast, lidhja kimike është me origjinë elektrike, sepse në fund të fundit është për shkak të ndërveprimit të elektroneve.

Një nga arsyet e shfaqjes së një lidhjeje kimike është dëshira e atomeve për të marrë një gjendje më të qëndrueshme. Një kusht i domosdoshëm për formimin e një lidhjeje kimike është një rënie në energjinë potenciale të një sistemi atomesh që ndërveprojnë.

Gjatë reaksioneve kimike, bërthamat e atomeve dhe predha e brendshme elektronike nuk pësojnë ndryshime. Lidhja kimike ndodh nëpërmjet bashkëveprimit të elektroneve më të largëta nga bërthama, të quajtura valencë .

Elementet e valencës janë: për elementet s - s-elektrone të nivelit të jashtëm energjetik, për p-elementet - s- dhe p-elektrone të nivelit të jashtëm energjetik, për elementet d - s-elektrone të nivelit të jashtëm dhe d-elektrone. të niveleve energjetike para-eksterne, për elementet f - s-elektrone të pjesës së jashtme dhe f-elektrone të nivelit të tretë energjetik të jashtëm.

Zakonisht ekzistojnë pesë lloje kryesore të lidhjeve kimike: jonike, kovalente, metalike, hidrogjeni, dhe ndërveprimet ndërmolekulare , shkaktuar nga forcat van der Waals, dhe tre llojet e para të lidhjes janë dukshëm më të forta se dy të fundit.

Doktrina moderne e lidhjes kimike bazohet në konceptet mekanike kuantike. Aktualisht përdoren gjerësisht dy metoda për të përshkruar lidhjet kimike: metoda e lidhjes së valencës(MVS) dhe Metoda molekulare orbitale(MMO).

Metoda BC është më e thjeshtë dhe vizuale, kështu që ne do të fillojmë shqyrtimin tonë të teorisë së lidhjes kimike me të.

Le të shqyrtojmë lidhjen kimike kovalente më të zakonshme.

Metoda e lidhjes së valencës

Metoda BC bazohet në dispozitat e mëposhtme.

1. Një lidhje kimike kovalente formohet nga dy elektrone me rrotullime të kundërta dhe ky çift elektronik u përket njëkohësisht dy atomeve. Vetë atomet ruajnë individualitetin e tyre.

2. Një lidhje kimike kovalente është më e fortë sa më shumë të mbivendosen retë elektronike ndërvepruese.

Në kuptimin e gjerë të fjalës lidhje kovalente është një lidhje kimike midis atomeve që kryhet duke ndarë elektronet. Një lidhje kovalente mund të konsiderohet si një lloj universal, më i zakonshëm i lidhjes kimike.

Për të përshkruar me saktësi gjendjen e një elektroni në një molekulë, është e nevojshme të zgjidhet ekuacioni i Shrodingerit për sistemin përkatës të elektroneve dhe bërthamave, duke specifikuar gjendjen e energjisë minimale. Sidoqoftë, për momentin, zgjidhja e ekuacionit të Shrodingerit është e mundur vetëm për sistemet më të thjeshta. Llogaritja e parë e përafërt e funksionit të valës elektronike u bë në vitin 1927 nga Heitler dhe Londër për molekulën e hidrogjenit.

Oriz. 4.1. Varësia e energjisë së një sistemi prej dy atomesh hidrogjeni nga

distanca ndërbërthamore për elektronet me paralele (1) dhe

rrotullime antiparalele (2).

Si rezultat i punës së tyre, ata morën një ekuacion që lidh energjinë potenciale të sistemit me distancën midis bërthamave të dy atomeve të hidrogjenit. Doli se rezultatet e llogaritjes varen nga fakti nëse rrotullimet e të dy elektroneve janë të njëjta ose të kundërta në shenjë.

Me rrotullime paralele, afrimi i atomeve çon në një rritje të vazhdueshme të energjisë së sistemit. Me rrotullime me drejtim të kundërt, atomet i afrohen njëri-tjetrit në një distancë të caktuar r 0 shoqërohet me një rënie të energjisë së sistemit, pas së cilës ajo fillon të rritet përsëri (Fig. 4.1).

Kështu, nëse rrotullimet e elektroneve janë paralele, formimi i një lidhjeje kimike nuk ndodh për arsye energjie, por në rastin e rrotullimeve të elektroneve me drejtim të kundërt, formohet një molekulë H2 - një sistem i qëndrueshëm prej dy atomesh hidrogjeni, distanca midis bërthamat e të cilave është r 0 .

Kjo është distanca r 0 dukshëm më pak se dyfishi i rrezes atomike (për një molekulë hidrogjeni - përkatësisht 0,074 dhe 0,106 nm), prandaj, kur formohet një lidhje kimike, ndodh mbivendosja e ndërsjellë e reve elektronike dhe atomeve që reagojnë (Fig. 3.2).

Oriz. 4.2. Skema e mbivendosjes së reve elektronike gjatë formimit

molekulat e hidrogjenit

Për shkak të mbivendosjes së reve, densiteti i elektroneve midis bërthamave rritet dhe forcat tërheqëse midis këtij rajoni të ngarkesës negative dhe bërthamave të ngarkuara pozitivisht të atomeve ndërvepruese rriten. Një rritje e forcave tërheqëse shoqërohet me çlirimin e energjisë, e cila çon në formimin e një lidhjeje kimike.

Kur përshkruani formulat strukturore, një lidhje tregohet me një vizë ose dy pika (një pikë tregon një elektron):

N – N N: N

Në rastin e konsideruar, elektronet e vendosura në orbitalet s të atomeve të hidrogjenit janë të përbashkëta. Atomi i hidrogjenit nuk ka elektrone të tjera. Në rastin e, për shembull, halogjeneve, çdo atom ndërveprues ka gjithashtu tre palë elektrone në nivelin e jashtëm të energjisë që nuk përfshihen në formimin e një lidhjeje kimike (dy elektrone s dhe katër p-elektrone):

Lidhja kimike në molekulën F2 formohet për shkak të bashkëveprimit të elektroneve të paçiftuara të vendosura në orbitalet atomike p; elektronet e mbetura nuk marrin pjesë në formimin e lidhjes kimike (ato shpesh quhen çifte elektronesh të vetme).

Vetëm një elektron nga çdo atom merr pjesë në formimin e molekulave H 2 dhe F 2. Një lidhje kovalente e formuar nga një palë elektrone quhet beqare komunikimi

Një lidhje e formuar nga dy ose tre palë elektrone quhet të shumëfishta komunikimi Kështu, atomet e oksigjenit dhe azotit përmbajnë përkatësisht dy dhe tre elektrone të paçiftëzuara:

Rrjedhimisht, dy ose tre elektrone nga secili atom, përkatësisht, marrin pjesë në formimin e molekulave O 2 dhe N 2. Kështu, lidhja në molekulën e oksigjenit është e dyfishtë, dhe në molekulën e azotit është e trefishtë:

Si mund të krijohet një lidhje e shumëfishtë? A janë të gjitha lidhjet të barabarta në këto raste? Për t'iu përgjigjur kësaj dhe pyetjeve të tjera të lidhura me to, duhet të marrim parasysh karakteristikat themelore të një lidhjeje kovalente.

Cila është gjendja e katërt e materies, si ndryshon nga tre të tjerat dhe si t'i shërbejë një personi.

Supozimi i ekzistencës së gjendjes së parë të materies përtej triadës klasike u bë në fillim të shekullit të 19-të, dhe në vitet 1920 mori emrin e saj - plazma

Alexey Levin

Njëqind e pesëdhjetë vjet më parë, pothuajse të gjithë kimistët dhe shumë fizikantë besonin se materia përbëhet vetëm nga atome dhe molekula që janë të kombinuara në kombinime pak a shumë të renditura ose plotësisht të çrregullta. Pakkush dyshoi se të gjitha ose pothuajse të gjitha substancat janë të afta të ekzistojnë në tre faza të ndryshme - të ngurta, të lëngshme dhe të gazta, të cilat ato i marrin në varësi të kushteve të jashtme. Por hipotezat për mundësinë e gjendjeve të tjera të materies tashmë janë shprehur.

Ky model universal u konfirmua nga vëzhgimet shkencore dhe përvoja e mijëvjeçarëve në jetën e përditshme. Në fund të fundit, të gjithë e dinë se kur uji ftohet, ai shndërrohet në akull, dhe kur nxehet, vlon dhe avullon. Plumbi dhe hekuri gjithashtu mund të shndërrohen në lëng dhe gaz, thjesht duhet të ngrohen më fort. Që nga fundi i shekullit të 18-të, studiuesit kishin ngrirë gazrat në lëngje dhe dukej e besueshme që çdo gaz i lëngshëm në parim mund të bëhej për t'u ngurtësuar. Në përgjithësi, një pamje e thjeshtë dhe e kuptueshme e tre gjendjeve të materies dukej se nuk kërkonte korrigjime apo shtesa.

70 km nga Marseja, në Saint-Paul-les-Durance, pranë qendrës franceze të kërkimit të energjisë atomike Cadarache, do të ndërtohet një reaktor termonuklear kërkimor ITER (nga latinishtja iter - shteg). Misioni kryesor zyrtar i këtij reaktori është "të demonstrojë fizibilitetin shkencor dhe teknologjik të prodhimit të energjisë së shkrirjes për qëllime paqësore". Në terma afatgjatë (30-35 vjet), bazuar në të dhënat e marra gjatë eksperimenteve në reaktorin ITER, mund të krijohen prototipe të termocentraleve të sigurta, miqësore me mjedisin dhe ekonomikisht fitimprurës.

Shkencëtarët e asaj kohe do të ishin mjaft të befasuar kur të mësonin se gjendjet e ngurta, të lëngëta dhe të gazta të lëndës atomike-molekulare ruhen vetëm në temperatura relativisht të ulëta, jo më shumë se 10,000 °, dhe madje edhe në këtë zonë ato nuk i shterojnë të gjitha strukturat e mundshme ( për shembull, kristalet e lëngëta). Nuk do të ishte e lehtë të besohej se ato përbëjnë jo më shumë se 0.01% të masës totale të Universit aktual. Tani e dimë se materia realizohet në shumë forma ekzotike. Disa prej tyre (si gazi elektronik i degjeneruar dhe lënda neutronike) ekzistojnë vetëm brenda trupave kozmikë super të dendur (xhuxhët e bardhë dhe yjet neutron), dhe disa (si lëngu kuark-gluon) lindën dhe u zhdukën në një moment të shkurtër pak pas Big Bang. Sidoqoftë, është interesante që supozimi për ekzistencën e të parit nga shtetet që shkojnë përtej treshes klasike u bë në të njëjtin shekullin e nëntëmbëdhjetë, dhe në fillimin e tij. Ai u bë objekt i kërkimit shkencor shumë më vonë, në vitet 1920. Atëherë mori emrin - plazma.

Nga Faraday në Langmuir

Në gjysmën e dytë të viteve 70 të shekullit të 19-të, William Crookes, një anëtar i Shoqërisë Mbretërore të Londrës, një meteorolog dhe kimist shumë i suksesshëm (ai zbuloi taliumin dhe përcaktoi jashtëzakonisht me saktësi peshën e tij atomike), u interesua për shkarkimet e gazit në vakum. tuba. Në atë kohë dihej se elektroda negative lëshon emanacione të një natyre të panjohur, të cilat fizikani gjerman Eugen Goldstein në 1876 i quajti rreze katodike. Pas shumë eksperimentesh, Crookes vendosi që këto rreze nuk ishin asgjë më shumë se grimca gazi, të cilat, pasi u përplasën me katodën, fituan një ngarkesë negative dhe filluan të lëvizin drejt anodës. Ai i quajti këto grimca të ngarkuara "materie rrezatuese".

Tokamak është një instalim në formë toroidale për kufizimin e plazmës duke përdorur një fushë magnetike. Plazma, e nxehur në temperatura shumë të larta, nuk prek muret e dhomës, por mbahet nga fusha magnetike - toroidale, të krijuara nga bobinat dhe poloidale, e cila formohet kur rrjedh rryma në plazmë. Vetë plazma vepron si dredha-dredha dytësore e transformatorit (mbështjellja kryesore është spiralja për krijimin e një fushe toroidale), e cila siguron ngrohjen paraprake kur rrjedh rryma elektrike.

Duhet pranuar se Crookes nuk ishte origjinal në këtë shpjegim të natyrës së rrezeve katodike. Në vitin 1871, një hipotezë e ngjashme u shpreh nga inxhinieri i shquar elektrik britanik Cromwell Fleetwood Varley, një nga drejtuesit e punës për vendosjen e kabllos së parë telegrafike transatlantike. Megjithatë, rezultatet e eksperimenteve me rrezet katodike e çuan Crookes në një mendim shumë të thellë: mediumi në të cilin ato përhapen nuk është më një gaz, por diçka krejtësisht e ndryshme. Më 22 gusht 1879, në një sesion të Shoqatës Britanike për Përparimin e Shkencës, Crookes deklaroi se shkarkimet në gazet e rralluara "janë aq të ndryshme nga çdo gjë që ndodh në ajër ose në çdo gaz nën presion të zakonshëm, sa në këtë rast kemi të bëjmë me një substancë në gjendjen e katërt, e cila për nga vetitë ndryshon nga gazi i zakonshëm në të njëjtën masë sa ndryshon një gaz nga një lëng."

Shpesh shkruhet se ishte Crookes ai që mendoi i pari për gjendjen e katërt të materies. Në fakt, kjo ide i ka ndodhur Michael Faraday shumë më herët. Në vitin 1819, 60 vjet para Crookes, Faraday propozoi që materia mund të ekzistonte në gjendje të ngurtë, të lëngët, të gaztë dhe rrezatuese, gjendja rrezatuese e materies. Në raportin e tij, Crookes tha drejtpërdrejt se ai po përdorte terma të huazuara nga Faraday, por për disa arsye pasardhësit e tij e harruan këtë. Megjithatë, ideja e Faradeit ishte ende një hipotezë spekulative dhe Crookes e vërtetoi atë me të dhëna eksperimentale.

Rrezet katodë u studiuan intensivisht edhe pas Crookes. Në 1895, këto eksperimente e çuan William Roentgen në zbulimin e një lloji të ri të rrezatimit elektromagnetik, dhe në fillim të shekullit të njëzetë rezultuan në shpikjen e tubave të parë të radios. Por hipoteza e Crookes për gjendjen e katërt të materies nuk tërhoqi interesin e fizikantëve, me shumë gjasa sepse në 1897 Joseph John Thomson vërtetoi se rrezet katodike nuk ishin atome gazi të ngarkuar, por grimca shumë të lehta, të cilat ai i quajti elektrone. Ky zbulim dukej se e bënte të panevojshme hipotezën e Crookes.

Foto e nisjes testuese të reaktorit të avancuar të Tokamak Superpërcjellës Korea (KSTAR) duke prodhuar "plazmën e parë" më 15 korrik 2008. KSTAR, një projekt kërkimor për të studiuar mundësinë e shkrirjes bërthamore për energji, përdor 30 magnet superpërçues të ftohur nga helium i lëngshëm.

Megjithatë, ajo u rilind si një feniks nga hiri. Në gjysmën e dytë të viteve 1920, laureati i ardhshëm i Nobelit në kimi Irving Langmuir, i cili punonte në laboratorin e Korporatës General Electric, filloi të studionte me zell shkarkimet e gazit. Atëherë ata e dinin tashmë se në hapësirën midis anodës dhe katodës, atomet e gazit humbasin elektrone dhe shndërrohen në jone të ngarkuar pozitivisht. Duke kuptuar se një gaz i tillë kishte shumë veti të veçanta, Langmuir vendosi t'i jepte emrin e tij. Nga një lidhje e çuditshme, ai zgjodhi fjalën "plazma", e cila më parë ishte përdorur vetëm në mineralogji (ky është një emër tjetër për kalcedoninë e gjelbër) dhe në biologji (baza e lëngshme e gjakut, si dhe hirrës). Në kapacitetin e tij të ri, termi "plazma" u shfaq për herë të parë në artikullin e Langmuir "Lëkundjet në gazet e jonizuara", botuar në 1928. Për rreth tridhjetë vjet, pak njerëz e përdorën këtë term, por më pas ai hyri me vendosmëri në përdorim shkencor.

Fizika e plazmës

Plazma klasike është një gaz jon-elektron, ndoshta i holluar me grimca neutrale (në mënyrë të rreptë, fotonet janë gjithmonë të pranishme atje, por në temperatura të moderuara ato mund të shpërfillen). Nëse shkalla e jonizimit nuk është shumë e ulët (zakonisht mjafton një për qind), ky gaz shfaq shumë cilësi specifike që gazrat e zakonshëm nuk i posedojnë. Megjithatë, është e mundur të prodhohet një plazmë në të cilën nuk do të ketë fare elektrone të lira dhe jonet negative do të marrin përgjegjësitë e tyre.

Për thjeshtësi, ne do të shqyrtojmë vetëm plazmën e elektron-jonit. Grimcat e saj tërhiqen ose zmbrapsen në përputhje me ligjin e Kulombit dhe ky ndërveprim manifestohet në distanca të mëdha. Kjo është pikërisht arsyeja pse ato ndryshojnë nga atomet dhe molekulat e gazit neutral, të cilat e ndjejnë njëri-tjetrin vetëm në distanca shumë të shkurtra. Meqenëse grimcat e plazmës janë në fluturim të lirë, ato zhvendosen lehtësisht nga forcat elektrike. Në mënyrë që plazma të jetë në gjendje ekuilibri, është e nevojshme që ngarkesat hapësinore të elektroneve dhe joneve të kompensojnë plotësisht njëra-tjetrën. Nëse ky kusht nuk plotësohet, në plazmë lindin rryma elektrike, të cilat rivendosin ekuilibrin (për shembull, nëse formohet një tepricë e joneve pozitive në një zonë, elektronet do të nxitojnë menjëherë atje). Prandaj, në një plazmë ekuilibri, dendësia e grimcave të shenjave të ndryshme janë praktikisht të njëjta. Kjo veti më e rëndësishme quhet kuazineutralitet.

Pothuajse gjithmonë, atomet ose molekulat e një gazi të zakonshëm marrin pjesë vetëm në ndërveprimet e çifteve - ato përplasen me njëri-tjetrin dhe fluturojnë larg. Plazma është një çështje tjetër. Meqenëse grimcat e saj janë të lidhura nga forcat Kulomb me rreze të gjatë, secila prej tyre është në fushën e fqinjëve të afërt dhe të largët. Kjo do të thotë se ndërveprimi ndërmjet grimcave të plazmës nuk është i çiftëzuar, por i shumëfishtë - siç thonë fizikanët, kolektiv. Kjo çon në përkufizimin standard të plazmës - një sistem pothuajse neutral i një numri të madh grimcash të ndryshme të ngarkuara që shfaqin sjellje kolektive.

Përshpejtuesit e fuqishëm të elektroneve kanë një gjatësi tipike prej qindra metrash dhe madje kilometrash. Madhësitë e tyre mund të zvogëlohen ndjeshëm nëse elektronet nuk përshpejtohen në vakum, por në plazmë - "në kreshtën" e shqetësimeve të përhapura me shpejtësi në densitetin e ngarkesave plazmatike, të ashtuquajturat valë zgjimi, të ngacmuara nga impulset e rrezatimit lazer.

Plazma ndryshon nga gazi neutral në reagimin e saj ndaj fushave të jashtme elektrike dhe magnetike (gazi i zakonshëm praktikisht nuk i vëren ato). Përkundrazi, grimcat e plazmës ndjejnë fusha të dobëta në mënyrë arbitrare dhe menjëherë fillojnë të lëvizin, duke gjeneruar ngarkesa hapësinore dhe rryma elektrike. Një tipar tjetër i rëndësishëm i plazmës së ekuilibrit është mbrojtja e ngarkesës. Le të marrim një grimcë plazme, le të themi një jon pozitiv. Ajo tërheq elektronet, të cilat formojnë një re me ngarkesë negative. Fusha e një joni të tillë sillet në përputhje me ligjin e Kulombit vetëm në afërsi të tij dhe në distanca që tejkalojnë një vlerë të caktuar kritike ajo shumë shpejt tenton në zero. Ky parametër quhet rrezja e shqyrtimit të Debye, sipas fizikanit holandez Pieter Debye, i cili e përshkroi këtë mekanizëm në 1923.

Është e lehtë të kuptohet se plazma ruan quazineutralitetin vetëm nëse dimensionet e saj lineare në të gjitha dimensionet tejkalojnë shumë rrezen e Debye. Vlen të përmendet se ky parametër rritet kur plazma nxehet dhe zvogëlohet me rritjen e densitetit të saj. Në plazmën e shkarkimeve të gazit, rendi i madhësisë është 0,1 mm, në jonosferën e tokës - 1 mm, në bërthamën diellore - 0,01 nm.

Termobërthamore e kontrolluar

Plazma përdoret në një shumëllojshmëri të gjerë teknologjish këto ditë. Disa prej tyre janë të njohura për të gjithë (llambat e dritës me gaz, ekranet e plazmës), të tjerat janë me interes për specialistë të specializuar (prodhimi i veshjeve mbrojtëse të filmit të rëndë, prodhimi i mikroçipëve, dezinfektimi). Sidoqoftë, shpresat më të mëdha për plazmën vendosen në lidhje me punën për zbatimin e reaksioneve termonukleare të kontrolluara. Kjo është e kuptueshme. Në mënyrë që bërthamat e hidrogjenit të bashkohen në bërthamat e heliumit, ato duhet të bashkohen në një distancë prej rreth njëqind miliarda e centimetrit - dhe më pas forcat bërthamore do të fillojnë të punojnë. Një afrim i tillë është i mundur vetëm në temperaturat prej dhjetëra e qindra miliona gradë - në këtë rast, energjia kinetike e bërthamave të ngarkuara pozitivisht është e mjaftueshme për të kapërcyer zmbrapsjen elektrostatike. Prandaj, shkrirja termonukleare e kontrolluar kërkon plazmë hidrogjeni me temperaturë të lartë.

Plazma është pothuajse e gjithëpranishme në botën përreth - ajo mund të gjendet jo vetëm në shkarkimet e gazit, por edhe në jonosferën e planetëve, në sipërfaqen dhe shtresat e thella të yjeve aktivë. Ky është një medium për zbatimin e reaksioneve termonukleare të kontrolluara, dhe një lëng pune për motorët elektrikë të hapësirës, ​​dhe shumë, shumë më tepër.

Vërtetë, plazma e bazuar në hidrogjen të zakonshëm nuk do të ndihmojë këtu. Reaksione të tilla ndodhin në thellësitë e yjeve, por ato janë të padobishme për energjinë tokësore, sepse intensiteti i çlirimit të energjisë është shumë i ulët. Është më mirë të përdoret plazma nga një përzierje e izotopeve të rënda të hidrogjenit deuterium dhe tritium në një raport 1:1 (plazma e pastër e deuteriumit është gjithashtu e pranueshme, megjithëse do të sigurojë më pak energji dhe do të kërkojë temperatura më të larta për ndezjen).

Megjithatë, vetëm ngrohja nuk mjafton për të filluar reagimin. Së pari, plazma duhet të jetë mjaft e dendur; së dyti, grimcat që hyjnë në zonën e reagimit nuk duhet ta lënë atë shumë shpejt - përndryshe humbja e energjisë do të tejkalojë lirimin e saj. Këto kërkesa mund të paraqiten në formën e një kriteri që u propozua nga fizikani anglez John Lawson në 1955. Sipas kësaj formule, produkti i densitetit të plazmës dhe koha mesatare e mbylljes së grimcave duhet të jenë më të larta se një vlerë e caktuar e përcaktuar nga temperatura, përbërja e karburantit termonuklear dhe efikasiteti i pritshëm i reaktorit.

Është e lehtë të shihet se ka dy mënyra për të përmbushur kriterin e Lawson. Është e mundur të zvogëlohet koha e mbylljes në nanosekonda duke e ngjeshur plazmën, të themi, në 100−200 g/cm3 (meqenëse plazma nuk ka kohë të largohet, kjo metodë e mbylljes quhet inerciale). Fizikanët kanë punuar në këtë strategji që nga mesi i viteve 1960; Tani versioni i tij më i avancuar po zhvillohet nga Laboratori Kombëtar i Livermore. Këtë vit, ata do të fillojnë eksperimentet për ngjeshjen e kapsulave miniaturë të beriliumit (diametri 1.8 mm), të mbushura me një përzierje deuterium-tritium, duke përdorur 192 rreze lazer ultravjollcë. Drejtuesit e projektit besojnë se jo më vonë se 2012 ata do të jenë në gjendje jo vetëm të ndezin një reaksion termonuklear, por edhe të marrin një prodhim pozitiv të energjisë. Ndoshta një program i ngjashëm në kuadër të projektit HiPER (High Power Laser Energy Research) do të nisë në Evropë në vitet e ardhshme. Megjithatë, edhe nëse eksperimentet në Livermore përmbushin plotësisht pritshmëritë e tyre, distanca deri në krijimin e një reaktori të vërtetë termonuklear me izolim inercial të plazmës do të mbetet ende shumë e madhe. Fakti është se për të krijuar një termocentral prototip, nevojitet një sistem shumë i shpejtë i shkrepjes së lazerëve super të fuqishëm. Ai duhet të sigurojë një frekuencë ndezjesh që ndezin objektivat e deuterium-tritiumit që do të jenë mijëra herë më të mëdha se aftësitë e sistemit Livermore, i cili lëshon jo më shumë se 5-10 të shtëna në sekondë. Mundësi të ndryshme për krijimin e armëve të tilla lazer tani po diskutohen në mënyrë aktive, por zbatimi i tyre praktik është ende shumë larg.

Tokamaki: roja e vjetër

Përndryshe, mund të punohet me një plazmë të rrallë (dendësia e nanogrameve për centimetër kub), duke e mbajtur atë në zonën e reagimit për të paktën disa sekonda. Në eksperimente të tilla, për më shumë se gjysmë shekulli, janë përdorur kurthe të ndryshme magnetike, të cilat mbajnë plazmën në një vëllim të caktuar duke aplikuar disa fusha magnetike. Më premtuesit konsiderohen tokamaks - kurthe magnetike të mbyllura në formën e një torus, të propozuar për herë të parë nga A.D. Sakharov dhe I.E. Tamm në vitin 1950. Aktualisht, janë një duzinë instalimesh të tilla që operojnë në vende të ndryshme, më të mëdhatë prej të cilave i kanë afruar ato me përmbushjen e kriterit Lawson. Reaktori termonuklear eksperimental ndërkombëtar, i famshëm ITER, i cili do të ndërtohet në fshatin Cadarache pranë qytetit francez Aix-en-Provence, është gjithashtu një tokamak. Nëse gjithçka shkon sipas planit, ITER do të bëjë të mundur për herë të parë prodhimin e plazmës që plotëson kriterin Lawson dhe ndezjen e një reaksioni termonuklear në të.

“Gjatë dy dekadave të fundit, ne kemi bërë përparim të jashtëzakonshëm në kuptimin e proceseve që ndodhin brenda kurtheve të plazmës magnetike, në veçanti tokamakëve. Në përgjithësi, ne tashmë e dimë se si lëvizin grimcat e plazmës, si lindin gjendje të paqëndrueshme të rrjedhave të plazmës dhe deri në çfarë mase presioni i plazmës mund të rritet në mënyrë që të mund të mbahet ende nga një fushë magnetike. Janë krijuar gjithashtu metoda të reja me precizion të lartë të diagnostikimit të plazmës, domethënë matjen e parametrave të ndryshëm të plazmës, "Ian Hutchinson, profesor i fizikës bërthamore dhe teknologjisë bërthamore në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts, i cili ka punuar në tokamaks për më shumë se 30 vjet. , tha kryeministri. - Deri më sot, tokamakët më të mëdhenj kanë arritur fuqi të lëshimit të energjisë termike në plazmën e deuterium-tritiumit të rendit prej 10 megavat për një deri në dy sekonda. ITER do t'i tejkalojë këto shifra me disa rend të madhësisë. Nëse nuk gabojmë në llogaritjet tona, do të jetë në gjendje të prodhojë të paktën 500 megavat brenda pak minutash. Nëse jeni vërtet me fat, energjia do të gjenerohet pa asnjë kufizim kohor fare, në një gjendje të qëndrueshme.”

Profesor Hutchinson theksoi gjithashtu se shkencëtarët tani kanë një kuptim të mirë të natyrës së proceseve që duhet të ndodhin brenda këtij tokamaku të madh: “Ne madje i dimë kushtet në të cilat plazma shtyp turbulencën e saj dhe kjo është shumë e rëndësishme për kontrollin e funksionimit të reaktori. Sigurisht, është e nevojshme të zgjidhen shumë probleme teknike - në veçanti, të përfundojë zhvillimi i materialeve për rreshtimin e brendshëm të dhomës që mund t'i rezistojë bombardimeve intensive neutronike. Por nga pikëpamja e fizikës plazmatike, fotografia është mjaft e qartë - të paktën ne mendojmë kështu. ITER duhet të konfirmojë se nuk gabojmë. Nëse gjithçka shkon mirë, do të vijë radha e gjeneratës së ardhshme tokamak, e cila do të bëhet një prototip i reaktorëve termonuklear industrialë. Por tani është shumë herët për të folur për këtë. Ndërkohë, ne presim që ITER të bëhet funksional deri në fund të kësaj dekade. Me shumë mundësi, do të jetë në gjendje të gjenerojë plazmë të nxehtë jo më herët se 2018, të paktën sipas pritshmërive tona.” Pra, nga pikëpamja e shkencës dhe teknologjisë, projekti ITER ka perspektiva të mira.

Unë mendoj se të gjithë i dinë 3 gjendjet kryesore të materies: të lëngëta, të ngurta dhe të gazta. Ne i hasim këto gjendje të materies çdo ditë dhe kudo. Më shpesh ato konsiderohen duke përdorur shembullin e ujit. Gjendja e lëngshme e ujit është më e njohur për ne. Ne vazhdimisht pimë ujë të lëngshëm, ai rrjedh nga rubineti ynë, dhe ne vetë jemi 70% ujë të lëngshëm. Gjendja e dytë fizike e ujit është akulli i zakonshëm, të cilin e shohim në rrugë në dimër. Uji është gjithashtu i lehtë për t'u gjetur në formë të gaztë në jetën e përditshme. Në gjendje të gaztë, uji është, siç e dimë të gjithë, avull. Mund të shihet kur, për shembull, ziejmë një kazan. Po, është në 100 gradë që uji ndryshon nga i lëngët në i gaztë.

Këto janë tre gjendjet e materies që janë të njohura për ne. Por a e dini se në të vërtetë janë 4 prej tyre? Unë mendoj se të gjithë e kanë dëgjuar fjalën "plazma" të paktën një herë. Dhe sot dua që ju të mësoni më shumë për plazmën - gjendjen e katërt të materies.

Plazma është një gaz i jonizuar pjesërisht ose plotësisht me densitet të barabartë të ngarkesave pozitive dhe negative. Plazma mund të merret nga gazi - nga gjendja e 3-të e grumbullimit të një substance me ngrohje të fortë. Gjendja e grumbullimit në përgjithësi, në fakt, varet plotësisht nga temperatura. Gjendja e parë e grumbullimit është temperatura më e ulët në të cilën trupi mbetet i ngurtë, gjendja e dytë e grumbullimit është temperatura në të cilën trupi fillon të shkrihet dhe bëhet i lëngshëm, gjendja e tretë e grumbullimit është temperatura më e lartë, në të cilën substanca bëhet një gaz. Për çdo trup, substancë, temperatura e kalimit nga një gjendje grumbullimi në një tjetër është krejtësisht e ndryshme, për disa është më e ulët, për disa është më e lartë, por për të gjithë është rreptësisht në këtë sekuencë. Në cilën temperaturë një substancë shndërrohet në plazmë? Meqenëse kjo është gjendja e katërt, do të thotë se temperatura e kalimit në të është më e lartë se ajo e çdo të mëparshme. Dhe me të vërtetë është. Për të jonizuar një gaz, kërkohet një temperaturë shumë e lartë. Temperatura më e ulët dhe plazma e ulët e jonizuar (rreth 1%) karakterizohet nga një temperaturë deri në 100 mijë gradë. Në kushte tokësore, plazma e tillë mund të vërehet në formën e vetëtimës. Temperatura e kanalit të rrufesë mund të kalojë 30 mijë gradë, që është 6 herë më e lartë se temperatura e sipërfaqes së Diellit. Nga rruga, Dielli dhe të gjithë yjet e tjerë janë gjithashtu plazma, më shpesh me temperaturë të lartë. Shkenca vërteton se rreth 99% e të gjithë materies në Univers është plazma.

Ndryshe nga plazma me temperaturë të ulët, plazma me temperaturë të lartë ka pothuajse 100% jonizimin dhe një temperaturë deri në 100 milion gradë. Kjo është vërtet një temperaturë yjore. Në Tokë, plazma e tillë gjendet vetëm në një rast - për eksperimentet e shkrirjes termonukleare. Një reagim i kontrolluar është mjaft kompleks dhe konsumon energji, por një reagim i pakontrolluar ka dëshmuar se është një armë me fuqi kolosale - një bombë termonukleare e testuar nga BRSS më 12 gusht 1953.

Plazma klasifikohet jo vetëm nga temperatura dhe shkalla e jonizimit, por edhe nga dendësia dhe pothuajse neutraliteti. Kolokimi dendësia e plazmës zakonisht do të thotë dendësia e elektroneve, pra numri i elektroneve të lira për njësi vëllimi. Epo, me këtë, mendoj se gjithçka është e qartë. Por jo të gjithë e dinë se çfarë është kuazi-neutraliteti. Kuazineutraliteti i plazmës është një nga vetitë më të rëndësishme të saj, e cila konsiston në barazinë pothuajse të saktë të densitetit të joneve pozitive dhe elektroneve të përfshira në përbërjen e saj. Për shkak të përçueshmërisë së mirë elektrike të plazmës, ndarja e ngarkesave pozitive dhe negative është e pamundur në distanca më të mëdha se gjatësia e Debye dhe në kohë më të mëdha se periudha e lëkundjeve të plazmës. Pothuajse e gjithë plazma është pothuajse neutrale. Një shembull i një plazme jo-kuazi-neutrale është një rreze elektronike. Sidoqoftë, dendësia e plazmave jo neutrale duhet të jetë shumë e vogël, përndryshe ato do të kalbet shpejt për shkak të zmbrapsjes së Kulombit.

Ne kemi parë shumë pak shembuj tokësorë të plazmës. Por ka mjaft prej tyre. Njeriu ka mësuar të përdorë plazmën për përfitimin e tij. Falë gjendjes së katërt të materies, ne mund të përdorim llambat e shkarkimit të gazit, TV plazma, saldim me hark elektrik dhe lazer. Llambat e zakonshme të shkarkimit fluoreshente janë gjithashtu plazma. Ekziston edhe një llambë plazma në botën tonë. Përdoret kryesisht në shkencë për të studiuar dhe, më e rëndësishmja, për të parë disa nga fenomenet më komplekse të plazmës, duke përfshirë filamentimin. Një fotografi e një llambë të tillë mund të shihet në foton më poshtë:

Përveç pajisjeve të plazmës shtëpiake, plazma natyrale gjithashtu mund të shihet shpesh në Tokë. Ne kemi folur tashmë për një nga shembujt e saj. Kjo është rrufe. Por përveç rrufesë, fenomenet plazmatike mund të quhen dritat veriore, "zjarri i Shën Elmos", jonosfera e Tokës dhe, natyrisht, zjarri.

Vini re se zjarri, rrufeja dhe manifestimet e tjera të plazmës, siç e quajmë ne, digjen. Çfarë e shkakton një emetim kaq të shndritshëm të dritës nga plazma? Shkëlqimi i plazmës shkaktohet nga kalimi i elektroneve nga një gjendje me energji të lartë në një gjendje me energji të ulët pas rikombinimit me jonet. Ky proces rezulton në rrezatim me një spektër që korrespondon me gazin e ngacmuar. Kjo është arsyeja pse plazma shkëlqen.

Do të doja të flisja pak edhe për historinë e plazmës. Në fund të fundit, një herë e një kohë vetëm substanca të tilla si përbërësi i lëngshëm i qumështit dhe përbërësi i pangjyrë i gjakut quheshin plazma. Gjithçka ndryshoi në 1879. Pikërisht në atë vit shkencëtari i famshëm anglez William Crookes, teksa studionte përçueshmërinë elektrike në gaze, zbuloi fenomenin e plazmës. Vërtetë, kjo gjendje e materies u quajt plazma vetëm në vitin 1928. Dhe këtë e bëri Irving Langmuir.

Si përfundim, dua të them se një fenomen kaq interesant dhe misterioz si rrufeja e topit, për të cilën kam shkruar më shumë se një herë në këtë faqe, është, natyrisht, një plazmoid, si rrufeja e zakonshme. Ky është ndoshta plazmoidi më i pazakontë nga të gjitha fenomenet e plazmës tokësore. Në fund të fundit, ekzistojnë rreth 400 teori të ndryshme rreth rrufesë së topit, por asnjëra prej tyre nuk është njohur si vërtetë e saktë. Në kushte laboratorike, fenomene të ngjashme, por afatshkurtra u morën në disa mënyra të ndryshme, kështu që çështja e natyrës së rrufesë së topit mbetet e hapur.

Plazma e zakonshme, natyrisht, u krijua edhe në laboratorë. Kjo dikur ishte e vështirë, por tani një eksperiment i tillë nuk është veçanërisht i vështirë. Meqenëse plazma ka hyrë fort në arsenalin tonë të përditshëm, ata po eksperimentojnë shumë mbi të në laboratorë.

Zbulimi më interesant në fushën e plazmës ishin eksperimentet me plazmën në gravitet zero. Rezulton se plazma kristalizohet në vakum. Ndodh kështu: grimcat e ngarkuara të plazmës fillojnë të zmbrapsin njëra-tjetrën, dhe kur kanë një vëllim të kufizuar, ato zënë hapësirën që u është caktuar, duke u shpërndarë në drejtime të ndryshme. Kjo është mjaft e ngjashme me një rrjetë kristali. A nuk do të thotë kjo se plazma është lidhja mbyllëse midis gjendjes së parë të materies dhe gjendjes së tretë? Në fund të fundit, ajo bëhet plazma për shkak të jonizimit të gazit, dhe në vakum plazma përsëri bëhet e ngurtë. Por ky është vetëm supozimi im.

Kristalet e plazmës në hapësirë ​​kanë gjithashtu një strukturë mjaft të çuditshme. Kjo strukturë mund të vëzhgohet dhe studiohet vetëm në hapësirë, në vakum real të hapësirës. Edhe nëse krijoni një vakum në Tokë dhe vendosni plazmën atje, graviteti thjesht do të ngjesh të gjithë "fotografinë" që formohet brenda. Në hapësirë, kristalet e plazmës thjesht ngrihen, duke formuar një strukturë tre-dimensionale tre-dimensionale të një forme të çuditshme. Pas dërgimit të rezultateve të vëzhgimit të plazmës në orbitë tek shkencëtarët në Tokë, rezultoi se vorbullat në plazmë përsërisin çuditërisht strukturën e galaktikës sonë. Kjo do të thotë se në të ardhmen do të jetë e mundur të kuptohet se si lindi galaktika jonë duke studiuar plazmën. Fotografitë e mëposhtme tregojnë të njëjtën plazmë të kristalizuar.

Shembuj tipikë të plazmës

Plazma është gjendja më e zakonshme e materies. Më shumë se 99% e asaj që vërehet përbëhet nga plazma. Format e mëposhtme të plazmës janë të njohura:

• Laboratorike dhe industriale
  • Flakët
  • Harku i saldimit
  • Shkar i raketës
  • Plazma për shkrirje të kontrolluar termonukleare
• Natyrore
  • dhe të tjera (të formuara nga shkrirja termonukleare)
  • Gazi ndëryjor

Vetitë

Termi plazma përdoret për sistemet e grimcave të ngarkuara mjaft të mëdha për të prodhuar efekte kolektive. Sasi të vogla mikroskopike të grimcave të ngarkuara (p.sh. rrezet jonike në kurthe jonike) nuk janë plazma. Plazma ka këto karakteristika:

1. Gjatësia e shqyrtimit të Debye është e vogël në krahasim me madhësinë karakteristike të plazmës.
   • r_D/L<<1\,
2. Brenda sferës c ka një numër të madh grimcash të ngarkuara.
   • r_D^3N>>1\,, Ku N\,- përqendrimi i grimcave të ngarkuara
3. Koha mesatare midis përplasjeve të grimcave është e gjatë në krahasim me periudhën e lëkundjeve të plazmës.
   • \tau\omega_(pl)>>1\,

Klasifikimi

Plazma zakonisht ndahet në temperaturë të ulët Dhe temperaturë të lartë, ekuilibri Dhe joekuilibri, dhe mjaft shpesh plazma e ftohtë nuk është në ekuilibër, dhe plazma e nxehtë është ekuilibër.

Temperatura

Në plazmat jo ekuilibër, temperatura e elektronit e tejkalon ndjeshëm temperaturën e joneve. Kjo ndodh për shkak të ndryshimit në masat e jonit dhe elektronit, gjë që e vështirëson procesin e shkëmbimit të energjisë. Kjo situatë ndodh në shkarkimet e gazit, kur jonet kanë një temperaturë prej rreth qindra, dhe elektronet kanë një temperaturë prej rreth dhjetëra mijëra gradë.

Në plazmat e ekuilibrit të dyja temperaturat janë të barabarta. Meqenëse procesi i jonizimit kërkon temperatura të krahasueshme me potencialin e jonizimit, plazmat e ekuilibrit zakonisht janë të nxehta (me temperatura më të mëdha se disa mijëra gradë).

Koncepti plazma me temperaturë të lartë zakonisht përdoret për plazmën e shkrirjes termonukleare, e cila kërkon temperatura miliona gradë.

Shkalla e jonizimit

Shkalla e jonizimit përcaktohet si raporti i numrit të grimcave të jonizuara me numrin e përgjithshëm të grimcave. Plazmat me temperaturë të ulët karakterizohen nga shkallë të ulëta të jonizimit (<1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в teknologjitë e plazmës ato nganjëherë quhen plazmat teknologjike. Më shpesh, ato krijohen duke përdorur fusha elektrike që përshpejtojnë elektronet, të cilat nga ana e tyre jonizojnë atomet. Fushat elektrike futen në gaz përmes bashkimit induktiv ose kapacitiv. Aplikimet tipike të plazmave me temperaturë të ulët përfshijnë modifikimin e plazmës së vetive të sipërfaqes (filmat e diamantit, nitridimin e metaleve, modifikimin e lagshmërisë), gdhendjen e plazmës së sipërfaqeve (industria gjysmëpërçuese), pastrimin e gazeve dhe lëngjeve (ozonimi i ujit dhe djegia e grimcave të blozës në motorët me naftë. ).

Plazma të nxehta pothuajse gjithmonë plotësisht i jonizuar (shkalla e jonizimit ~100%). Zakonisht ato kuptohen si "gjendja e katërt e materies". Një shembull është Dielli.

Dendësia

Përveç temperaturës, e cila është thelbësore për vetë ekzistencën e një plazme, vetia e dytë më e rëndësishme e një plazme është dendësia e saj. fjalë dendësia e plazmës zakonisht do të thotë dendësia e elektroneve, domethënë, numri i elektroneve të lira për njësi vëllimi (në mënyrë të rreptë, këtu, dendësia quhet përqendrim - jo masa e një njësie vëllimi, por numri i grimcave për njësi vëllimi). Dendësia e joneve lidhur me të nëpërmjet numrit mesatar të ngarkesës së joneve \langle Z\rangle: n_e=\langle Z\rangle n_i. Sasia tjetër e rëndësishme është dendësia e atomeve neutrale n 0 . Në plazmën e nxehtë n 0 është i vogël, por megjithatë mund të jetë i rëndësishëm për fizikën e proceseve në plazmë.

Kuazi-neutraliteti

Meqenëse plazma është një përcjellës shumë i mirë, vetitë elektrike janë të rëndësishme. Potenciali i plazmës ose potenciali i hapësirës quhet vlera mesatare e potencialit elektrik në një pikë të caktuar të hapësirës. Nëse ndonjë trup futet në plazmë, potenciali i tij në përgjithësi do të jetë më i vogël se potenciali i plazmës për shkak të shfaqjes së shtresës Debye. Ky potencial quhet potencial lundrues. Për shkak të përçueshmërisë së mirë elektrike, plazma tenton të mbrojë të gjitha fushat elektrike. Kjo çon në fenomenin e kuazineutralitetit - dendësia e ngarkesave negative është e barabartë me densitetin e ngarkesave pozitive me saktësi të mirë ( n_e=\langle Z\rangle n_i). Për shkak të përçueshmërisë së mirë elektrike të plazmës, ndarja e ngarkesave pozitive dhe negative është e pamundur në distanca më të mëdha se gjatësia e Debye dhe në kohë më të mëdha se periudha e lëkundjeve të plazmës.

Një shembull i një plazme jo-kuazi-neutrale është një rreze elektronike. Sidoqoftë, dendësia e plazmave jo neutrale duhet të jetë shumë e vogël, përndryshe ato do të kalbet shpejt për shkak të zmbrapsjes së Kulombit.

Dallimet nga gjendja e gaztë

Plazma shpesh quhet gjendja e katërt e materies. Ai ndryshon nga tre gjendjet më pak energjike të materies, megjithëse është i ngjashëm me fazën e gazit në atë që nuk ka një formë ose vëllim specifik. Ende ka debate nëse plazma është një gjendje e veçantë grumbullimi, apo thjesht një gaz i nxehtë. Shumica e fizikanëve besojnë se plazma është më shumë se një gaz për shkak të dallimeve të mëposhtme:

Përshkrimi matematikor

Plazma mund të përshkruhet në nivele të ndryshme detajesh. Zakonisht plazma përshkruhet veçmas nga fushat elektromagnetike. Një përshkrim i përbashkët i një lëngu përcjellës dhe fushave elektromagnetike jepet në teorinë e fenomeneve magnetohidrodinamike ose teorinë MHD.

Modeli i lëngshëm (i lëngshëm).

Në modelin e lëngut, elektronet përshkruhen në termat e densitetit, temperaturës dhe shpejtësisë mesatare. Modeli bazohet në: ekuacionin e bilancit për densitetin, ekuacionin e ruajtjes së momentit dhe ekuacionin e bilancit të energjisë së elektroneve. Në modelin me dy lëngje, jonet trajtohen në të njëjtën mënyrë.

Përshkrimi kinetik

Ndonjëherë modeli i lëngshëm nuk është i mjaftueshëm për të përshkruar plazmën. Një përshkrim më i detajuar jepet nga modeli kinetik. Plazma përshkruhet në termat e funksionit të shpërndarjes së shpejtësisë së elektroneve. Modeli bazohet në. Kur përshkruhen së bashku plazma dhe energjia elektrike. fusha, përdoret sistemi i ekuacioneve Vlasov. Përshkrimi kinetik duhet të përdoret në mungesë të ekuilibrit termodinamik ose në prani të inhomogjeniteteve të forta plazmatike.

Grimca-në-qelizë (grimca në një qelizë)

Modelet e grimcave në qelizë janë më të detajuara se modelet kinetike. Ato përfshijnë informacionin kinetik duke gjurmuar trajektoret e një numri të madh të grimcave individuale. El. Dendësia ngarkesa dhe rryma përcaktohen nga përmbledhja e grimcave në qeliza që janë të vogla në krahasim me problemin në shqyrtim, por megjithatë përmbajnë një numër të madh grimcash. Email dhe mag. Fushat gjenden nga ngarkesa dhe dendësia e rrymës në kufijtë e qelizave.

Karakteristikat themelore të plazmës

Të gjitha sasitë janë dhënë në njësi Gaussian, përveç temperaturës, e cila jepet në eV dhe masës jonike, e cila jepet në njësi të masës protonike. μ = m i / m fq ; Z– numri i tarifës; k– konstante Boltzmann; TE– gjatësia e valës; γ - indeksi adiabatik; ln Λ - logaritmi i Kulonit.

Frekuencat

• Frekuenca e Larmorit të elektronit, frekuenca këndore e lëvizjes rrethore të elektronit në një plan pingul me fushën magnetike:

• Frekuenca e larmorit të jonit, frekuenca këndore e lëvizjes rrethore të jonit në një plan pingul me fushën magnetike:

• frekuenca e plazmës(frekuenca e lëkundjeve të plazmës), frekuenca me të cilën elektronet lëkunden rreth pozicionit të ekuilibrit kur zhvendosen në raport me jonet:

• Frekuenca e plazmës jonike:

• Frekuenca e përplasjes së elektroneve

• frekuenca e përplasjes së joneve

Gjatesite

• Gjatësia valore e elektronit De Broglie, gjatësia e valës së elektronit në mekanikën kuantike:

• distanca minimale e afrimit në rastin klasik, distanca minimale në të cilën dy grimca të ngarkuara mund të afrohen në një përplasje ballore dhe një shpejtësi fillestare që korrespondon me temperaturën e grimcave, duke lënë pas dore efektet mekanike kuantike:

• rrezja xhiromagnetike e elektroneve, rrezja e lëvizjes rrethore të një elektroni në një plan pingul me fushën magnetike:

r_e = v_(Te)/\omega_(ce) = 2,38\,T_e^(1/2)B^(-1)\,\mbox(cm)

• rreze xhiromagnetike jonike, rrezja e lëvizjes rrethore të jonit në një plan pingul me fushën magnetike:

• madhësia e shtresës plazmatike të lëkurës, distanca në të cilën valët elektromagnetike mund të depërtojnë në plazmë:

• (Gjatesia debye), distanca në të cilën skanohen fushat elektrike për shkak të rishpërndarjes së elektroneve:

Shpejtësitë

• shpejtësia termike e elektroneve, formula për vlerësimin e shpejtësisë së elektroneve në . Shpejtësia mesatare, shpejtësia më e mundshme dhe shpejtësia mesatare katrore ndryshojnë nga kjo shprehje vetëm nga faktorët e rendit të unitetit:

• shpejtësia e joneve termike, formula për vlerësimin e shpejtësisë së joneve në