gaz parțial ionizat) în spațiul cosmic și obiectele care îl locuiesc. Plasma cosmică a apărut în primele microsecunde ale nașterii Universului după Big Bang și este acum cea mai comună stare a materiei din natură, reprezentând 95% din masa Universului (excluzând materia întunecată și energia întunecată, natura care este încă necunoscut). După proprietăți în funcție de temperatura și densitatea materiei, precum și în funcție de domeniile de cercetare, plasma cosmică poate fi împărțită în următoarele tipuri: cuarc-gluon (nuclear), galactic (plasma galaxiilor și nuclee galactice), stelar (plasma de stele și atmosfere stelare), interplanetare și magnetosferice. Plasma cosmică poate fi în stări de echilibru și non-echilibru și poate fi ideală și non-ideală.
Apariția plasmei cosmice. Conform teoriei Big Bang, acum 13,7 miliarde de ani materia Universului era concentrată într-un volum foarte mic și avea o densitate uriașă (5·10 91 g/cm 3) și o temperatură (10 32 K). La temperaturi extrem de ridicate, caracteristice etapelor incipiente ale expansiunii Universului, particulele precum, de exemplu, bozonii W ± - și Z 0 -, responsabili de interacțiunea slabă, erau fără masă, precum fotonii (simetria electromagnetică și slabă). interacțiuni). Aceasta înseamnă că interacțiunea slabă a fost pe distanță lungă, iar analogul câmpului electromagnetic auto-consistent a fost câmpul auto-consecvent Yang-Mills. Astfel, întreaga componentă leptonă a materiei care participă la interacțiunile slabe și electromagnetice era în stare de plasmă. Dezintegrarea interacțiunii electroslabe în electromagnetic și slab la T< 10 15 К привёл к появлению массы у кварков, лептонов и W ± -, Z-бозонов. Вещество оказалось в состоянии кваркглюонной плазмы (рис.) - сильновзаимодействующей ядерной материи, в которой освобождённые цветные кварки (фундаментальные частицы вещества) и глюоны (кванты сильного взаимодействия) образуют непрерывную среду (хромоплазму) и могут распространяться в ней как квазисвободные частицы, а слабые взаимодействия играют роль дальнодействующих сил. При плотностях вещества n >10 14 g/cm 3 , energii > 0,1 GeV și distanțele medii dintre particule sunt mult mai mici de 10 -13 cm, o astfel de plasmă poate fi ideală și fără coliziune (calea liberă medie a particulelor este mult mai mare decât dimensiunile caracteristice ale sistem). Pe măsură ce s-au răcit, quarkurile au început să se grupeze în hadroni (hadronizare, tranziție de fază cu quarkadron). Principalele procese din era hadronilor au fost crearea de perechi particule-antiparticule de către razele gamma și anihilarea lor ulterioară. Până la sfârșitul erei hadronului, când temperatura a scăzut la 10 12 K și densitatea materiei la 10 14 g/cm 3, crearea perechilor hadron-antihadron a devenit imposibilă, iar anihilarea și degradarea lor au continuat. Cu toate acestea, energia fotonului a fost suficientă pentru nașterea perechilor lepton-antilepton (era leptonului).
După 1 s de la începutul Big Bang-ului, au început reacțiile de nucleosinteză și a avut loc formarea plasmei cosmice moderne. Densitatea mare și temperatura radiației nu au permis formarea de atomi neutri; substanța era în stare de plasmă. La 300 de mii de ani după Big Bang, când s-au răcit la o temperatură de aproximativ 4000 K, protonii și electronii au început să se combine în atomi de hidrogen, deuteriu și heliu, iar radiația a încetat să interacționeze cu materia. Fotonii au început să se propagă liber. Ele sunt acum observate sub formă de radiație de fond de echilibru cu microunde (radiație relictă). La 150 de milioane - 1 miliard de ani după Big Bang, s-au format primele stele, quasari, galaxii, clustere și superclustere de galaxii. Hidrogenul a fost reionizat de lumina stelelor și a quasarelor odată cu formarea plasmei galactice și stelare. După 9 miliarde de ani, s-a format un nor interstelar, dând naștere sistemului solar și Pământului.
Tipuri de plasmă spațială. Cu excepția plasmei nucleelor stelare și a straturilor inferioare ale plasmei circumplanetare, plasma cosmică este fără coliziune. Ca rezultat, funcțiile de distribuție ale plasmei cosmice diferă adesea de distribuția Maxwelliană clasică, adică pot avea vârfuri corespunzătoare fasciculelor de particule încărcate. Plasma fără coliziune se caracterizează printr-o stare de neechilibru în care temperaturile protonilor și electronilor sunt diferite. Echilibrul în plasma cosmică fără coliziune se stabilește nu prin ciocniri, ci prin excitarea undelor electromagnetice în concordanță cu mișcarea colectivă a particulelor de plasmă încărcate. Tipurile de unde depind de câmpurile magnetice și electrice externe, de configurația plasmei și a câmpurilor.
Puterea radiației neechilibrate de la obiectele cosmice poate fi mult mai mare decât puterea radiației de echilibru, iar spectrul este non-planckian. Sursele de radiație de neechilibru sunt, de exemplu, quasarii și galaxiile radio. Un rol important în radiația lor îl joacă emisiile (jeturile) de fluxuri de electroni relativiști sau plasmă puternic ionizată care se propagă în câmpurile magnetice cosmice. Dezechilibrul plasmei magnetosferice din apropierea Pământului se manifestă și prin generarea de fascicule de particule încărcate, ceea ce duce la emisii radio de pe Pământ în intervalul de lungimi de undă kilometrice. Fenomenele plasmatice de neechilibru duc la generarea de pachete de undă și apariția turbulenței plasmatice multiscale în plasma spațială.
Plasma galactică este mai densă în galaxiile tinere formate din prăbușirea norilor protostelari de gaz ionizat și praf. Raportul dintre cantitatea totală de materie stelară și interstelară din galaxie se modifică odată cu evoluția: stelele se formează din materie difuză interstelară, iar la sfârșitul drumului lor evolutiv, ele returnează doar o parte din materie în spațiul interstelar; o parte din ea rămâne în piticele albe și stelele neutronice, precum și în stele cu masă mică, care evoluează încet, a căror vârstă este comparabilă cu vârsta Universului. Astfel, în timp, cantitatea de materie interstelară din galaxie scade: în galaxiile „vechi” concentrația de plasmă interstelară este neglijabilă.
Plasmă stelară. Stele precum Soarele sunt obiecte masive sferice cu plasmă. Reacțiile termonucleare din miez mențin temperaturi ridicate, care asigură ionizarea termică a substanței și trecerea acesteia la starea de plasmă. Presiunea ridicată a plasmei menține echilibrul hidrostatic. Temperatura plasmei din centrul stelelor normale poate ajunge la 10 9 K. Plasma coroanei solare are o temperatură de aproximativ 2·10 6 K și este concentrată în principal în arcuri magnetice, tuburi create de câmpurile magnetice ale Soarelui. extinzându-se în coroană.
În ciuda densităților mari, plasma stelară este de obicei ideală din cauza temperaturilor ridicate: numai în stelele cu mase mici [ ≥ 0,5 mase solare (Mʘ)] apar efecte asociate cu plasma neideală. În regiunile centrale ale stelelor normale, calea liberă medie a particulelor este mică, astfel încât plasma din ele este colizională și echilibrată; în straturile superioare (în special în cromosferă și coroană) plasma este fără coliziune.
În stelele masive și compacte, densitatea plasmei cosmice poate fi cu câteva ordine de mărime mai mare decât în centrul stelelor normale. Astfel, la piticele albe densitatea este atât de mare încât electronii se dovedesc a fi degenerați (vezi Gaz degenerat). Ionizarea materiei este asigurată datorită energiei cinetice mari a particulelor, determinată de energia Fermi; este și motivul idealității plasmei cosmice la piticele albe. Gazul de electroni degenerat contracarează forțele gravitaționale, asigurând echilibrul stelei.
În stelele neutronice (produsele finale ale evoluției stelelor cu masa de 1,3-2 Mʘ) cu densități de materie de 3·10 14 -2·10 15 g/cm3, comparabile cu densitatea materiei din nucleele atomice, degenerarea nu apar doar electroni, dar și neutroni. Presiunea gazului degenerat cu neutroni echilibrează forța gravitației în stelele neutronice. De regulă, stelele neutronice - pulsarii - au diametre de 10-20 km, se rotesc rapid și au un câmp magnetic puternic de tip dipol (de ordinul a 10 12 -10 13 G la suprafață). Magnetosfera pulsarilor este plină cu plasmă relativistă, care este sursa de radiație a undelor electromagnetice.
Teoriile moderne sugerează că plasma de cuarci-gluoni (așa-numitele stele cuarci sau ciudate) poate exista în nucleele celor mai masive stele neutronice. La densități mari de materie din centrele stelelor neutronice, neutronii sunt amplasați aproape unul de celălalt (la o distanță de razele clasice), datorită cărora quarcii se pot mișca liber în întreaga regiune a materiei. O astfel de substanță poate fi considerată un gaz cuarc sau lichid.
Plasma interplanetară și magnetosferică. Starea plasmei circumplanetare, precum și structura spațiului pe care îl ocupă, depind de prezența câmpului magnetic propriu al planetei și de distanța acestuia față de Soare, în coroana căruia există linii de câmp magnetic deschise (nu închise). . Vântul solar curge prin ele cu o viteză de 300-1200 km/s - un flux de particule ionizate (protoni, electroni și nuclee de heliu) cu o densitate de ordinul 1-10 cm -3. Liniile de forță ale câmpului magnetic interplanetar, create de curenții care curg în interiorul Soarelui, pot fi considerate înghețate în plasma vântului solar. Câmpul magnetic intrinsec al majorității planetelor, de regulă, are o formă de dipol, ceea ce facilitează capturarea plasmei interplanetare și a particulelor solare energetice în capcane magnetice naturale. Fluxul vântului solar în jurul câmpului magnetic al planetei duce la formarea magnetosferei planetei - o cavitate plină cu plasmă de vânt solar și plasmă de origine planetară.
Când un vânt solar supersonic curge în jurul câmpului magnetic al Pământului la o distanță de 13-17 raze Pământului față de centrul său, se formează o undă de șoc fără coliziune, pe care plasma vântului solar este decelerata, încălzită și densitatea și amplitudinea magneticului. câmpul crește. Mai aproape de planetă este magnetopauza - limita magnetosferei, unde presiunea dinamică a plasmei vântului solar este echilibrată de presiunea câmpului magnetic al Pământului. Magnetosfera Pământului este comprimată din fluxul incident pe partea de zi și puternic alungită în direcția nopții, asemănând cu coada unei comete (așa-numita coadă magnetosferică).
În funcție de intensitatea câmpului magnetic, magnetosferele planetelor pot avea structuri diferite, care sunt mai compacte cu cât este mai mic câmpul magnetic al planetei. Magnetosfera Pământului include ionosfera (atmosfera superioară la altitudini de peste 60 km, unde plasma este puternic ionizată sub influența radiației solare cu unde scurte) cu o densitate a particulelor de 10 2 -10 6 cm -3, plasmă de centurile de radiații ale Pământului cu o densitate de ordinul 10 7 cm -3, plasmasfera cu o densitate de ordinul 10 2 -10 4 cm -3 la distanțe de până la mai multe raze Pământului și plasma cozii magnetosferice cu o densitate medie de ordinul a 1 cm.
Plasma vântului solar pătrunde în magnetosferă în regiunea liniilor de câmp magnetic „deschise” (cuspizi polari), în regiunile de reconectare a câmpurilor magnetice terestre și interplanetare la magnetopauză, datorită efectelor magnetohidrodinamice (MHD) și instabilităților plasmatice. O parte din plasmă care pătrunde în magnetosferă completează centurile de radiații ale planetei și stratul de plasmă al cozii magnetosferice. Pătrunderea plasmei în magnetosferă și precipitarea acesteia în straturile superioare ale atmosferei și ionosferei sunt cauza aurorelor.
Aproape toate planetele din Sistemul Solar au magnetosfere. Pământul și planetele gigantice (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun) au cele mai puternice câmpuri magnetice proprii, Marte are cel mai slab câmp magnetic, Venus și Luna nu au practic niciun câmp magnetic propriu. Plasma magnetosferică a planetelor este fără coliziune. Relaxarea în energii și momente într-o astfel de plasmă are loc prin excitarea diverselor oscilații și unde. În plasma magnetocozii Pământului nu există un echilibru termodinamic: temperatura electronilor este de 3-8 ori mai mică decât temperatura ionilor.
Magnetosferele planetelor sunt foarte variabile, ceea ce este asociat cu variabilitatea câmpului magnetic interplanetar și cu fluxul de energie care vine de la vântul solar în magnetosferă datorită reconectarii liniilor de câmp magnetic la magnetopauză. Cele mai puternice perturbații magnetosferice - furtunile magnetice - sunt asociate cu sosirea norilor de plasmă pe Pământ în timpul emisiilor puternice de plasmă din coroana solară.
Metode de studiere a plasmei spațiale. Plasma cosmică a obiectelor îndepărtate este studiată prin metode spectrale de la distanță folosind telescoape optice, radiotelescoape, telescoape extra-atmosferice cu raze X și cu raze gamma. Cu ajutorul instrumentelor instalate pe rachete, sateliți și nave spațiale, numărul de măsurători directe ale parametrilor plasmei spațiale din cadrul Sistemului Solar se extinde rapid (studii despre Mercur, Venus, Marte, Jupiter și alte planete). Metodele de cercetare includ utilizarea măsurătorilor cu sonde, spectrometrie undelor de joasă și înaltă frecvență, măsurători de câmp magnetic și electric. Se efectuează cercetări asupra centurilor de radiații ale Pământului, vântului solar, undei de șoc fără coliziune a magnetosferei Pământului, magnetotail, aurore, radiații la scară kilometrică a Pământului etc. Tehnologia spațială modernă face posibilă efectuarea așa-numitelor experimente active în spațiu - pentru a influența activ plasma spațială din apropierea Pământului cu emisii radio, fascicule de particule încărcate, cheaguri de plasmă etc. Aceste metode sunt folosite pentru diagnosticarea și simularea proceselor naturale în condiții reale.
În condiții terestre, a devenit posibil să se studieze plasma de quarc-gluoni la coliziune în timpul ciocnirilor de fascicule de ioni grei relativiști [CERN, Elveția; RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), SUA].
Plasma cosmică se caracterizează prin existența undelor magnetohidrodinamice, care la amplitudini mari sunt foarte neliniare și pot lua forma solitonilor sau undelor de șoc. Nu există încă o teorie generală a undelor neliniare. Problema undelor de amplitudine mică este complet rezolvată prin metoda liniarizării ecuațiilor de stare a plasmei. Pentru a descrie plasma cosmică de coliziune, se utilizează de obicei aproximarea MHD (vezi Magnetohidrodinamica). Propagarea undelor și structurile la scară mică în plasma spațială fără coliziune sunt descrise de sistemele de ecuații Vlasov-Maxwell pentru câmpuri electromagnetice și plasmă. Cu toate acestea, atunci când mișcarea termică a particulelor încărcate este nesemnificativă, iar scara sistemului este mare în comparație cu raza Larmor (scara caracteristică de rotație a particulelor încărcate într-un câmp magnetic), aproximarea MHD este utilizată și în plasma fără coliziune.
Lit.: Akasofu S.I., Chapman S. Fizica solar-terestră. M., 1974-1975. Partea 1-2; Alven H. Plasmă cosmică. M., 1983; Zeleny L. M. Dinamica plasmei și a câmpurilor magnetice în coada magnetosferei Pământului // Rezultatele științei și tehnologiei. Ser. Explorarea spațiului. M., 1986; Astronomie: secolul XXI / Editat de V. G. Surdin. Fryazino, 2007; Hawking S. O scurtă istorie a timpului: de la Big Bang la găurile negre. Sankt Petersburg, 2008.
L. M. Zeleny, H. V. Malova.
Te-ai gândit vreodată la ceea ce este conținut în spațiul interstelar sau intergalactic? În spațiu există un vid tehnic și, prin urmare, nimic nu este conținut (nu în sensul absolut că nimic nu este conținut, ci într-un sens relativ). Și veți avea dreptate, pentru că în medie în spațiul interstelar sunt aproximativ 1000 de atomi pe centimetru cub și la distanțe foarte mari densitatea materiei este neglijabilă. Dar aici totul nu este atât de simplu și lipsit de ambiguitate. Distribuția spațială a mediului interstelar este netrivială. Pe lângă structurile galactice generale, cum ar fi bara și brațele spiralate ale galaxiilor, există și nori individuali reci și caldi înconjurați de gaz mai fierbinte. Există un număr mare de structuri în mediul interstelar (ISM): nori moleculari giganți, nebuloase de reflexie, nebuloase protoplanetare, nebuloase planetare, globule etc. Acest lucru duce la o gamă largă de manifestări și procese observaționale care au loc în mediu. Următoarea listă listează structurile prezente în MZS:
- Gaz coronal
- Regiuni HII luminoase
- Zone HII cu densitate scăzută
- Mediu cross-cloud
- Zone calde HI
- Condensuri Maser
- Nori HI
- Nori moleculari giganți
- Nori moleculari
- Globuli
Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să dăm o definiție: ce este plasma și prin ce parametri fizicienii consideră că această stare a materiei este plasmă?
Conform ideilor moderne despre plasmă, aceasta este a patra stare a materiei, care se află în stare gazoasă, puternic ionizată (prima stare este solidă, a doua este o stare lichidă și, în final, a treia este gazoasă). Dar nu orice gaz, chiar și cel ionizat, este plasmă.
Plasma constă din particule încărcate și neutre. Particulele încărcate pozitiv sunt ionii și găurile pozitive (plasmă în stare solidă), iar particulele încărcate negativ sunt electroni și ioni negativi. În primul rând, este necesar să se cunoască concentrațiile unui anumit tip de particule. Plasma este considerată slab ionizată dacă așa-numitul grad de ionizare este egal cu
Unde este concentrația de electroni, este concentrația tuturor particulelor neutre din plasmă, se află în interval. Și o plasmă complet ionizată are un grad de ionizare
Dar, așa cum sa spus mai sus, nu orice gaz ionizat este o plasmă. Este necesar ca plasma să aibă proprietatea cvasi-neutralitate, adică în medie, pe perioade de timp suficient de lungi și la distanțe suficient de mari, plasma a fost în general neutră. Dar care sunt aceste intervale de timp și distanțe la care un gaz poate fi considerat o plasmă?
Deci, cerința de cvasi-neutralitate este următoarea:
Să aflăm mai întâi modul în care fizicienii estimează scara de timp a separării sarcinii. Să ne imaginăm că un electron din plasmă a deviat de la poziția inițială de echilibru în spațiu. Electronul începe să acționeze Forța Coulomb, având tendința de a readuce electronul într-o stare de echilibru, adică. , unde este distanța medie dintre electroni. Această distanță este estimată aproximativ după cum urmează. Să presupunem că concentrația de electroni (adică numărul de electroni pe unitate de volum) este . Electronii sunt în medie la o distanță unul de celălalt, ceea ce înseamnă că ocupă un volum mediu. Prin urmare, dacă există 1 electron în acest volum, . Ca rezultat, electronul va începe să oscileze în jurul poziției sale de echilibru cu o frecvență
Formula mai precisă
Această frecvență se numește frecvența electronică Langmuir. A fost dezvoltat de chimistul american Irwin Langmuir, laureat al Premiului Nobel pentru Chimie „pentru descoperirile și cercetările sale în domeniul chimiei fenomenelor de suprafață”.
Astfel, este firesc să luăm reciproca frecvenței Langmuir ca scară de timp a separării sarcinii
În spațiu, la o scară uriașă, de-a lungul unor perioade de timp particulele suferă multe oscilații în jurul poziției de echilibru și plasma în ansamblu va fi cvasi-neutră, adică. la scară de timp, mediul interstelar poate fi confundat cu plasmă.
Dar este, de asemenea, necesar să se evalueze scalele spațiale pentru a arăta cu acuratețe că spațiul este plasmă. Din considerente fizice, este clar că această scară spațială este determinată de lungimea cu care o perturbare a densității particulelor încărcate se poate deplasa datorită mișcării lor termice într-un timp egal cu perioada oscilațiilor plasmatice. Astfel, scara spațială este egală cu
Unde . De unde a venit această formulă minunată, vă întrebați. Să gândim așa. Electronii din plasmă la temperatura de echilibru a termostatului se mișcă constant cu energie cinetică. Pe de altă parte, legea distribuției uniforme a energiei este cunoscută din termodinamica statistică și, în medie, există . Dacă comparăm aceste două energii, obținem formula vitezei prezentată mai sus.
Deci, am obținut lungimea, care în fizică se numește electronul Debye raza sau lungimea.
Voi arăta acum o derivare mai riguroasă a ecuației Debye. Să ne imaginăm din nou N electroni, care, sub influența unui câmp electric, sunt deplasați cu o anumită cantitate. În acest caz, se formează un strat de sarcină spațială cu o densitate egală cu , unde este sarcina electronilor și este concentrația electronilor. Formula lui Poisson este bine cunoscută din electrostatică
Aici este constanta dielectrică a mediului. Pe de altă parte, electronii se mișcă datorită mișcării termice, iar electronii sunt distribuiți în funcție de distribuție Boltzmann
Înlocuind ecuația Boltzmann în ecuația Poisson, obținem
Aceasta este ecuația Poisson-Boltzmann. Să extindem exponențialul din această ecuație într-o serie Taylor și să aruncăm cantități de ordinul doi și mai mari.
Să substituim această expansiune în ecuația Poisson-Boltzmann și să obținem
Aceasta este ecuația Debye. Un nume mai precis este ecuația Debye-Hückel. După cum am aflat mai sus, în plasmă, ca și într-un mediu cvasi-neutru, al doilea termen din această ecuație este egal cu zero. În primul termen avem în esență Debye lungime.
În mediul interstelar, lungimea Debye este de aproximativ 10 metri, în mediul intergalactic de aproximativ metri. Vedem că acestea sunt valori destul de mari în comparație, de exemplu, cu dielectricii. Aceasta înseamnă că câmpul electric se propagă fără atenuare pe aceste distanțe, distribuind sarcinile în straturi încărcate volumetrice, ale căror particule oscilează în jurul pozițiilor de echilibru cu o frecvență egală cu frecvența Langmuir.
Din acest articol am aflat două mărimi fundamentale care determină dacă mediul spațial este plasmă, în ciuda faptului că densitatea acestui mediu este extrem de mică și spațiul în ansamblu este un vid fizic la scară macroscopică. La scară locală avem atât gaz, praf sau plasmă
Etichete: Adăugați etichete
De la începutul anilor 1990, așa-numita plasmă prăfuită, care diferă de plasma obișnuită prin prezența în ea a microparticulelor relativ mari (în comparație cu dimensiunea ionilor)-granule de praf cu un diametru de 10 până la 100 nanometri, a început să atragă o creștere crescută. interes în rândul fizicienilor. Interesul oamenilor de știință a apărut involuntar, deoarece praful din plasmă a stricat în mod semnificativ procesele tehnologice delicate de gravare cu plasmă utilizate în producția de microcipuri. Un studiu aprofundat al problemei a arătat că microparticulele încărcate similar aflate în fluxul de plasmă, contrar intuiției și legilor fizicii, nu se despart, ci sunt atrase unele de altele, formând bulgări mari și contaminând curățenia procesării. .
Un studiu mai amănunțit al problemei - experimente la sol și în condiții de microgravitație la bordul Stației Spațiale Internaționale, modelare pe computer - i-a condus pe cercetători la concluzia că plasma prăfuită din fluxurile de plasmă reprezintă o stare cu totul specială a materiei. Una dintre cele mai importante caracteristici ale acestei stări este procesele puternice de disipare care au loc constant în ea, adică. schimburi de energie cu mediul extern, asigurând formarea unor structuri de auto-organizare. În același timp, fluxurile de plasmă și câmpurile electrice creează condiții foarte specifice pentru praf, asigurând atragerea particulelor de praf cu încărcare similară pe distanțe lungi. În condiții adecvate, o consecință naturală a acestor procese poate fi formarea de „cristale de praf” stabile în plasmă.
Experimentele de acest fel în condiții gravitaționale conduc de obicei la formarea de cristale plate sub forma unei rețele de celule convective vortex cu o structură regulată. Cu toate acestea, în experimentele cu simulări pe computer care simulează absența gravitației, un vârtej plat capătă o formă cilindrică, iar boabele de praf care îl formează se pot autoorganiza în structuri ale unei elice elicoidale simple sau duble. Este, desigur, destul de dificil să nu observăm aici asemănarea cu ADN-ul. Și în vara lui 2007, o lucrare foarte controversată privind rezultatele actuale în studiul cristalelor de praf de plasmă a fost publicată în New Journal of Physics, care a câștigat rapid popularitate și autoritate într-o publicație internațională online. Articolul a fost pregătit de unul dintre patriarhii fizicii plasmei, academicianul Vadim N. Tsytovich, și un grup de colegi ai săi de la institute din Rusia, Germania și Australia, iar rezultatele sale s-au rezumat la descoperirea unor structuri foarte asemănătoare vieții anorganice.
În special, cercetătorii au descoperit că anumite condiții de mediu, găsite peste tot în spațiu, pot duce la autoformarea structurilor în formă de spirală din particule de plasmă prăfuită. Mai mult, în unele dintre aceste structuri se notează așa-numitele bifurcații ale razei, adică. schimbarea bruscă a tranzițiilor de la o rază a șurubului la alta și înapoi, ceea ce oferă un mecanism de stocare a informațiilor în ceea ce privește lungimea și raza secțiunilor helix. Mai mult, în unele simulări pe computer, spirala s-a împărțit în două, reproducându-se efectiv. În alte experimente, două elice au provocat modificări structurale unul în celălalt, iar unele elice chiar au arătat evoluție, transformându-se în structuri mai stabile în timp...
Academician V. FORTOV, Director al Institutului de Termofizică a Statelor Extreme al Academiei Ruse de Științe.
În aprilie 2005, academicianul Vladimir Evgenievici Fortov a primit un prestigios premiu internațional - Medalia de aur Albert Einstein, acordată lui pentru contribuția sa remarcabilă la dezvoltarea științei fizice și a cooperării științifice internaționale. Interesele științifice ale academicianului Fortov se află în domeniul fizicii stărilor extreme ale materiei, inclusiv a plasmei. În afară de materia întunecată, plasma este cea mai comună stare a materiei din natură, cu aproximativ 95% din materia obișnuită din Univers în această stare. Stelele sunt aglomerări de plasmă, gaz ionizat cu temperaturi de zeci și sute de milioane de grade. Proprietățile plasmei formează baza tehnologiilor moderne, al căror domeniu de aplicare este extins. Plasma emite lumină în lămpile cu descărcare electrică și creează o imagine color în panourile cu plasmă. Reactoarele cu plasmă folosesc fluxuri de plasmă pentru a produce microcipuri, pentru a întări metale și pentru a curăța suprafețele. Instalațiile cu plasmă procesează deșeurile și produc energie. Fizica plasmei este un domeniu al științei în curs de dezvoltare, în care se fac descoperiri uimitoare până în prezent, se observă fenomene neobișnuite care necesită înțelegere și explicație. Unul dintre cele mai interesante fenomene descoperite recent în plasma la temperatură joasă este formarea unui „cristal de plasmă”, adică o structură ordonată spațial de particule fine – praful de plasmă.
Știință și viață // Ilustrații
Știință și viață // Ilustrații
Cosmonauții S. Krikalev și Yu. Gidzenko instalează echipamentul Plasma Crystal pe ISS (2001).
CE ESTE PLASMA PRAF?
Plasma praf este un gaz ionizat care conține granule de praf - particule de materie solidă. O astfel de plasmă se găsește adesea în spațiu: în inele planetare, cozi de cometă, nori interplanetari și interstelari. A fost descoperit în apropierea sateliților artificiali de pe Pământ și în regiunea din apropierea pereților instalațiilor termonucleare cu izolare magnetică, precum și în reactoare de plasmă, arcuri și descărcări.
Plasma de praf a fost obținută pentru prima dată în condiții de laborator de americanul Irving Langmuir încă din anii 20 ai secolului trecut. Cu toate acestea, a început să fie studiat în mod activ abia în ultimul deceniu. Un interes crescut pentru proprietățile plasmei prăfuite a apărut odată cu dezvoltarea tehnologiilor de pulverizare și gravare cu plasmă în microelectronică, precum și producția de filme subțiri și nanoparticule. Prezența particulelor solide care intră în plasmă ca urmare a distrugerii electrozilor și pereților camerei de descărcare nu numai că duce la contaminarea suprafeței cipurilor semiconductoare, dar și perturbă plasma, adesea în moduri imprevizibile. Pentru a reduce sau a preveni aceste fenomene negative, este necesar să înțelegem cum apar procesele de formare și creștere a particulelor condensate în plasma cu descărcare în gaz și cum particulele de praf din plasmă afectează proprietățile descărcării.
CRISTAL DE PLASMA
Dimensiunile particulelor de praf sunt relativ mari - de la fracțiuni de micron la câteva zeci, uneori sute de microni. Sarcina lor poate fi extrem de mare și depășește sarcina unui electron de sute și chiar sute de mii de ori. Ca rezultat, energia medie de interacțiune Coulomb a particulelor, proporțională cu pătratul sarcinii, poate depăși cu mult energia termică medie a acestora. Rezultatul este o plasmă care se numește extrem de neideală, deoarece comportamentul ei nu respectă legile unui gaz ideal. (Reamintim că plasma poate fi considerată un gaz ideal dacă energia de interacțiune a particulelor este mult mai mică decât energia lor termică).
Calculele teoretice ale proprietăților de echilibru ale plasmei prăfuite arată că, în anumite condiții, interacțiunea electrostatică puternică „preia” energie termică scăzută și forțează particulele încărcate să se alinieze în spațiu într-un anumit fel. Se formează o structură ordonată, care se numește Coulomb sau cristal de plasmă. Cristalele de plasmă sunt similare cu structurile spațiale dintr-un lichid sau solid. Aici pot avea loc tranziții de fază, cum ar fi topirea și evaporarea.
Dacă particulele de plasmă de praf sunt suficient de mari, cristalul de plasmă poate fi observat cu ochiul liber. În experimentele timpurii, formarea structurilor cristaline a fost înregistrată într-un sistem de particule încărcate de fier și aluminiu de dimensiuni micrometrice, reținute de câmpuri electrice alternative și statice. În lucrări ulterioare, s-au făcut observații ale cristalizării coulombiane a macroparticulelor în plasmă slab ionizată cu o descărcare de înaltă frecvență la presiune joasă. Energia electronilor într-o astfel de plasmă este de câțiva electroni volți (eV), iar energia ionilor este apropiată de energia termică a atomilor, care se află la temperatura camerei (~ 0,03 eV). Acest lucru se datorează faptului că electronii sunt mai mobili și fluxul lor direcționat către o particulă de praf neutră depășește semnificativ fluxul de ioni. Particula „prinde” electroni și începe să se încarce negativ. Această sarcină negativă acumulată determină, la rândul său, electronii să se respingă și ionii să se atragă. Sarcina particulei se modifică până când fluxurile de electroni și ioni de pe suprafața ei devin egale. În experimentele cu descărcări de înaltă frecvență, sarcina particulelor de praf a fost negativă și destul de mare (de ordinul a 10 4 - 10 5 sarcini electronice). Un nor de particule de praf încărcate plutea în apropierea suprafeței electrodului inferior, deoarece acolo sa stabilit un echilibru între forțele gravitaționale și electrostatice. Cu un diametru de nor de câțiva centimetri în direcția verticală, numărul de straturi de particule a fost de câteva zeci, iar distanța dintre particule a fost de câteva sute de micrometri.
STRUCTURI COMANDATE IN PLASMA TERMICA...
Din 1991, Institutul de Termofizică a Statelor Extreme al Academiei Ruse de Științe (ITES RAS) a studiat plasma prăfuită și a creat diferite metode pentru diagnosticarea acesteia. S-a studiat plasmă de praf de diferite tipuri: plasmă termică, plasmă cu descărcare în gaz de strălucire și descărcări de înaltă frecvență, fotoemisie și plasmă excitată nuclear.
Plasma termică formată în flacăra unui arzător cu gaz la presiunea atmosferică are o temperatură de la 1700 la 2200 K, iar temperaturile electronilor, ionilor și particulelor neutre din ea sunt egale. Comportamentul particulelor de dioxid de ceriu (CeO2) a fost studiat într-un flux de astfel de plasmă. Particularitatea acestei substanțe este că electronii zboară destul de ușor de pe suprafața sa - funcția de lucru a electronilor este de numai aproximativ 2,75 eV. Prin urmare, particulele de praf sunt încărcate atât de fluxurile de electroni și ioni din plasmă, cât și din cauza emisiei termoionice - emisia de electroni de către o particulă încălzită, care creează o sarcină pozitivă.
Structurile spațiale ale macroparticulelor au fost analizate cu ajutorul radiației laser, care oferă o funcție de corelare g(r), al cărui sens este următorul. Dacă fixați locația în spațiu a uneia dintre particule, atunci funcția arată probabilitatea de a găsi orice altă particulă la distanță r din aceasta. Și acest lucru ne permite să tragem o concluzie despre aranjarea spațială a particulelor - haotică sau ordonată, caracteristică structurilor lichide și cristaline.
Funcții de corelație tipice g(r) pentru particulele de CeO 2 într-un jet de aerosoli la temperatura camerei și în plasmă sunt prezentate în Fig. 1. La o temperatură ridicată a plasmei (2170 K) și o concentrație scăzută de macroparticule (b), funcția de corelare are aproape aceeași formă ca pentru un jet de aerosol obișnuit la temperatura camerei (a). Aceasta înseamnă că particulele din plasmă interacționează slab și nu are loc formarea de structuri ordonate. La o temperatură mai scăzută a plasmei (1700 K) și o concentrație mai mare de particule, funcția de corelare ia forma caracteristică unui lichid: există un maxim pronunțat, care indică prezența ordinului de scurtă durată în aranjamentul particulelor (c) . În acest experiment, sarcina pozitivă a particulelor a fost de aproximativ 1000 de ori sarcina unui electron. Ordinea relativ slabă a structurii poate fi explicată prin durata scurtă de viață a plasmei (aproximativ 20 de miimi de secundă), timp în care procesul de formare a cristalului de plasmă nu are timp să se finalizeze.
...ȘI DESCARCARE LUMINoasă
Într-o plasmă termică, temperatura tuturor particulelor este aceeași, dar în plasma unei descărcări de gaz strălucitoare situația este diferită - temperatura electronului este mult mai mare decât temperatura ionilor. Acest lucru creează premisele pentru apariția structurilor ordonate de plasmă prăfuită - cristale de plasmă.
Într-o descărcare de gaz strălucitoare, în anumite condiții, apar strate în picioare - zone staționare de luminozitate neuniformă, alternând în mod regulat cu intervale întunecate. Concentrația de electroni și câmpul electric sunt foarte neomogene pe lungimea stratului. Prin urmare, la capul fiecărui strat se formează o capcană electrostatică, care, cu tubul de descărcare în poziție verticală, este capabilă să rețină particule fine în regiunea coloanei cu descărcare pozitivă.
Procesul de formare a structurii este următorul: particulele de dimensiunea micronului turnate dintr-un recipient într-o descărcare sunt încărcate în plasmă și aliniate într-o structură care durează o perioadă nedefinită de timp la parametrii de descărcare constanti. Raza laser luminează particulele într-un plan orizontal sau vertical (Fig. 2). Formarea unei structuri spațiale este înregistrată de o cameră video. Particulele individuale pot fi văzute cu ochiul liber. Experimentul a folosit mai multe tipuri de particule - microsfere goale din sticlă borosilicată și particule de melamină formaldehidă cu un diametru de la una la o sută de micrometri.
În centrul stratului se formează un nor de praf cu un diametru de până la câteva zeci de milimetri. Particulele sunt situate în straturi orizontale, formând structuri hexagonale (Fig. 3a). Distanțele dintre straturi variază de la 250 la 400 de microni, distanțele dintre particule în plan orizontal - de la 350 la 600 de microni. Funcția de distribuție a particulelor g(r) are mai multe maxime pronunțate, ceea ce confirmă existența ordinii pe distanță lungă în aranjarea particulelor și înseamnă formarea unei structuri cristaline, deși cristalele de praf de plasmă sunt clar vizibile cu ochiul liber.
Prin modificarea parametrilor de descărcare, puteți influența forma norului de particule și chiar puteți observa trecerea de la starea cristalină la lichid („topirea” cristalului) și apoi la gaz. Folosind particule nesferice - cilindri de nailon lungi de 200-300 microni - a fost posibilă și o structură asemănătoare cu un cristal lichid (Fig. 4).
PLASMA PURĂFĂ ÎN SPAȚIU
Pe Pământ, studiul suplimentar al cristalelor de plasmă este împiedicat de gravitație. Prin urmare, s-a decis să se înceapă experimente în spațiu, în condiții de microgravitație.
Primul experiment a fost efectuat de cosmonauții A. Ya. Solovyov și P. V. Vinogradov pe complexul orbital rus „Mir” în ianuarie 1998. Ei au trebuit să studieze formarea structurilor ordonate de praf de plasmă în imponderabilitate sub influența luminii solare.
Fiolele de sticlă umplute cu neon conțineau particule sferice de bronz acoperite cu cesiu la presiuni de 0,01 și 40 Torr. Fiola a fost plasată lângă hublo, agitată, iar mișcarea particulelor iluminate de un laser a fost înregistrată cu ajutorul unei camere video. Observațiile au arătat că la început particulele se mișcă haotic, apoi apare o mișcare direcționată, care este asociată cu difuzia plasmei pe pereții fiolei.
Un alt fapt interesant a fost descoperit: la câteva secunde după agitarea fiolei, particulele au început să se lipească între ele, formând aglomerate. Sub influența luminii solare, aglomeratele s-au dezintegrat. Aglomerarea se poate datora faptului că în momentele inițiale de iluminare particulele capătă sarcini opuse: pozitive - datorită emisiei de fotoelectroni, negative - fiind încărcate de fluxuri de electroni din plasmă emise de alte particule - iar particulele încărcate opus se lipesc între ele. unul cu altul.
Analizând comportamentul macroparticulelor, se poate estima mărimea încărcăturii lor (aproximativ 1000 de încărcări de electroni). În cele mai multe cazuri, particulele au format doar o structură lichidă, deși uneori au apărut cristale.
La începutul anului 1998, a fost luată decizia de a efectua un experiment comun ruso-german cu cristale de plasmă la bordul segmentului rus al Stației Spațiale Internaționale (PC MKC). Experimentul a fost înființat și pregătit de oamenii de știință de la Institutul de Termofizică a Statelor Extreme al Academiei Ruse de Științe, cu participarea Institutului Max Planck pentru Fizică Extraterestră (Germania) și a Corporației Rachete și Spațiale Energia.
Elementul principal al echipamentului este o cameră de plasmă cu vid (Fig. 5), constând din două plăci pătrate de oțel și inserții pătrate de sticlă. Electrozii disc sunt montați pe fiecare dintre plăci pentru a crea o descărcare de înaltă frecvență. Electrozii au dispozitive încorporate pentru injectarea particulelor de praf în plasmă. Întregul sistem optic, inclusiv două camere digitale și două lasere semiconductoare pentru a ilumina norul de particule, este montat pe o placă mobilă care poate fi mutată pentru a scana structura prafului de plasmă.
Au fost dezvoltate și fabricate două seturi de echipamente: tehnologice (cunoscute și sub numele de antrenament) și de zbor. În februarie 2001, după testare și pregătire înainte de zbor la Baikonur, kitul de zbor a fost livrat la modulul de service al segmentului rus al ISS.
Primul experiment cu particule de melamină formaldehidă a fost efectuat în 2001. Așteptările oamenilor de știință au fost justificate: pentru prima dată, s-a descoperit formarea de particule tridimensionale de dimensiuni microni foarte încărcate, ordonate, cu un parametru mare de non-idealitate - cristale de plasmă tridimensionale cu rețele centrate pe față și centrate pe corp ( Fig. 7).
Capacitatea de a obține și studia formațiuni de plasmă de diferite configurații și lungimi crește dacă se utilizează o descărcare de inducție de înaltă frecvență. În regiunea dintre o plasmă omogenă și peretele care o delimitează sau gazul neutru din jur, ne putem aștepta la levitația (planarea) atât a macroparticulelor individuale încărcate, cât și a ansamblurilor lor. În tuburile cilindrice de sticlă, unde descărcarea este excitată de un electrod inel, un număr mare de particule atârnă deasupra formațiunii de plasmă. În funcție de presiune și putere, apar fie structuri cristaline stabile, fie structuri cu particule oscilante, fie fluxuri de particule convective. Când utilizați un electrod plat, particulele plutesc deasupra fundului unui bec plin cu neon și formează o structură ordonată - un cristal de plasmă. Până acum, astfel de experimente se desfășoară în laboratoare de pe Pământ și în condiții de zbor parabolice, dar pe viitor acest echipament este planificat să fie instalat pe ISS.
Proprietățile unice ale cristalelor de plasmă (ușurința de producere, observare și control al parametrilor, precum și timpi scurti de relaxare la echilibru și răspuns la perturbațiile externe) le fac un obiect excelent pentru studiul atât a proprietăților plasmei extrem de neideale, cât și a proprietăților fundamentale ale cristale. Rezultatele pot fi folosite pentru a modela cristale atomice sau moleculare reale și pentru a studia procesele fizice care le implică.
Structurile macroparticulelor din plasmă sunt, de asemenea, un instrument bun pentru probleme aplicate legate de microelectronică, în special cu îndepărtarea particulelor de praf nedorite în producția de microcircuite, cu proiectarea și sinteza unui mic cristal - un nanocristal, un nanocluster, cu pulverizarea cu plasmă, cu separarea particulelor în funcție de dimensiune și dezvoltarea de noi surse de lumină extrem de eficiente, crearea de baterii nucleare electrice și lasere, al căror fluid de lucru este particule de materie radioactivă.
În cele din urmă, este foarte posibil să se creeze tehnologii care să permită depunerea controlată a particulelor suspendate în plasmă pe un substrat și, prin urmare, să creeze acoperiri cu proprietăți speciale, inclusiv cele poroase și compozite, precum și să formeze particule cu acoperiri multistrat din materiale cu proprietăți diferite.
Probleme interesante apar în microbiologie, medicină și ecologie. Lista posibilelor aplicații ale plasmei prăfuite este în continuă extindere.
Legende pentru ilustrații
Bolnav. 1. Funcția de corelație g(r) arată probabilitatea cu care o altă particulă poate fi găsită la distanța r de aceasta. Pentru particulele de CeO 2 într-un curent de aer la temperatura camerei 300 K (a) și în plasmă la o temperatură de 2170 K (b), funcția indică o distribuție haotică a particulelor. În plasmă la o temperatură de 1700 K (c), funcția are un maxim, adică apare o structură asemănătoare unui lichid.
Bolnav. 2. Instalația pentru studierea plasmei prăfuite într-o descărcare luminoasă DC este un tub orientat vertical umplut cu neon la presiune scăzută, în care se creează o descărcare luminoasă. În anumite condiții, se observă strate în picioare în descărcări - zone staționare de luminozitate neuniformă. Particulele de praf sunt conținute într-un recipient cu o plasă de fund deasupra zonei de descărcare. Când recipientul este scuturat, particulele cad și atârnă în straturi, formând structuri ordonate. Pentru a face vizibil praful, acesta este iluminat cu un fascicul laser plat. Lumina împrăștiată este înregistrată de o cameră video. Pe ecranul monitorului este o imagine video a structurilor de praf de plasmă obținute prin iluminarea particulelor de praf cu un fascicul laser în regiunea verde a spectrului.
Bolnav. 3. Într-o descărcare luminoasă apare o structură ordonată de praf (a), care corespunde unei funcții de corelație g(r) cu câteva maxime pronunțate caracteristice cristalului (b).
Bolnav. 4. Particulele de praf alungite (de formă cilindrică) se aliniază paralel cu o anumită axă comună. Această stare este numită cristal lichid de plasmă prin analogie cu cristalele lichide moleculare, unde există o direcție preferată în orientarea moleculelor lungi.
Bolnav. 5. Cameră de plasmă cu vid pentru studierea plasmei de praf de pe Stația Spațială Internațională (ISS).
Bolnav. 6. Institutul de Termofizică a Statelor Extreme al Academiei Ruse de Științe a construit o instalație specială pentru studiul cristalelor de plasmă într-o descărcare de joasă presiune de înaltă frecvență. Structura cristalină este clar vizibilă atunci când particulele de praf sunt iluminate cu raze laser în regiunile verzi și roșii ale spectrului.
Bolnav. 7. Structuri ale particulelor de praf în trei straturi orizontale de formare a prafului de plasmă: cu o rețea centrată pe corp (sus), o rețea centrată pe față (în centru) și cu o strângere hexagonală (dedesubt).
