Плазма (від греч.(грецький) plásma — виліплене, оформлене), частково або повністю іонізованний газ, в якому щільність позитивних і негативних зарядів практично однакова. При досить сильному нагріванні будь-яка речовина випаровується, перетворюючись на газ.(газета) Якщо збільшувати температуру і далі, різко посилиться процес термічної іонізації, тобто молекули газу почнуть розпадатися на складові їх атоми, які потім перетворюються на іони . Іонізація газу, крім того, може бути викликана його взаємодією з електромагнітним випромінюванням (фотоіонізація ) або бомбардуванням газу зарядженими частками.
Вільні заряджені частки — особливо електрони — легко переміщаються під дією електричного поля. Тому в стані рівноваги просторові заряди вхідних до складу П. негативних електронів і позитивних іонів повинні компенсувати один одного так, щоб повне поле усередині П. дорівнювало нулю. Саме звідси витікає необхідність практично точної рівності щільності електронів і іонів в П.— її «квазінейтральності». Порушення квазінейтральності в об'ємі, займаному П., веде до негайної появи сильних електричних полів просторових зарядів, тут же поновлюючих квазінейтральність. Мірою іонізації П. а називається відношення числа іонізованних атомів до повного їх числа в одиниці об'єму П. Залежно від величини а говорять про слабо, сильно і повністю іонізованной П.
Середні енергії різних типів часток, складових П., можуть відрізнятися одна від одної. У такому разі П. не можна охарактеризувати одним значенням температури Т і розрізняють електронну температуру T e , іонну температуру T i , (або іонні температури, якщо в П. є іони декількох сортів) і температуру нейтральних атомів T а (нейтральної компоненти). Подібна П. називається неізотермічною, тоді як П., для якої температури всіх компонент рівні, називається ізотермічною.
Стосовно П. декілька незвичайний сенс (в порівнянні з ін. розділами фізики) вкладається в поняття «низькотемпературна» і «високотемпературна». Низькотемпературною прийнято рахувати П. з T i £ 10 5 До, а високотемпературною — П. з T i » 10 6 —10 8 До і більш. Це умовне розділення пов'язане як з можливістю для П. досягати надзвичайно великих температур, так і з особливою важливістю високотемпературною П. у зв'язку з проблемою здійснення керованого термоядерного синтезу (УТС).
Високотемпературну П. отримують в установках для дослідження можливих доріг здійснення УТС. Багатьма характерними для П. властивостями володіють сукупності електронів провідності і дірок в напівпровідниках і електронів провідності (що нейтралізуються нерухомими позитивними іонами) в металах, які тому називаються плазмою твердих тіл . Її відмітна особливість — можливість існування при наднизьких для «газової» П. температурах — кімнатною і нижче, аж до абсолютного нуля температури.
Можливі значення щільності П. n (число електронів або іонів в см 3 ) розташовані в дуже широкому діапазоні: від n ~ 10 -6 в міжгалактичному просторі і n ~ 10 в сонячному вітрі до n ~ 10 22 для твердих тіл і ще більших значень в центральних областях зірок.
Термін «П.» у фізиці був введений в 1923 американським ученими І. Ленгмюром і Л. Тонксом, що проводили зондські виміри (див. нижчий) параметрів низькотемпературною газорозрядною П. Кинетіка П. розглядалася в роботах Л. Д. Ландау в 1936 і 1946 і А. А. Власова в 1938. У 1942 Х. Альфвен запропонував рівняння магнітної гідродинаміки для пояснення ряду явищ в космічній П. В 1950 І. Е. Тамм і А. Д. Цукрів, а також американський фізик Л. Спіцер запропонували ідею магнітної термоізоляції П. для здійснення УТС. У 50—70-і рр. 20 ст вивчення П. стимулювалося різними практичними вживаннями П., розвитком астрофізики і космофізики (спостереження космічною П. і пояснення процесів в ній) і фізики верхньої атмосфери Землі — особливо у зв'язку з польотами космічних літальних апаратів, а також інтенсифікацією досліджень з проблеми УТС.
Основні властивості плазми . В різкій відмінності властивостей П. від властивостей нейтральних газів визначальну роль грають два чинники. По-перше, взаємодія часток П. між собою характеризується кулонівськими силами тяжіння і відштовхування, що убувають з відстанню набагато повільніше (тобто значно більш «дальнодействующимі»), ніж сили взаємодії нейтральних часток. З цієї причини взаємодія часток в П. є, строго кажучи, не «парним», а «колективним» — одночасно взаємодіє один з одним велике число часток. По-друге, електричні і магнітні поля дуже сильно діють на П. (тоді як вони вельми слабо діють на нейтральні гази), викликаючи появу в П. об'ємних зарядів і струмів і обумовлюючи цілий ряд специфічних властивостей П. Еті відмінності дозволяють розглядати П. як особливий, четвертий стан речовини.
До найважливіших властивостей П. відноситься згадана вище квазінейтральність. Вона дотримується, якщо лінійні розміри області, займаної П., багато більше Дебаївського радіусу екранування
( e e і e i — заряди електронів і іонів, n e і n i — електронна і іонна щільність, до — Больцмана постійна, тут і нижче використовується абсолютна система одиниць Гауса див.(дивися) СГС система одиниць ) . Отже, лише при виконанні цієї умови можна говорити о П. як такий. Електричне поле окремої частки в П. «екранується» частками протилежного знаку, тобто практично зникає, на відстанях порядку D від частки. Величина D визначає і глибину проникнення зовнішнього електростатичного поля в П. (екранування цього поля також викликається появою в П. компенсуючих полів просторових зарядів). Квазінейтральність може порушуватися поблизу поверхні П., де швидші електрони вилітають за інерцією за рахунок теплового руху на довжину ~ D) ( мал. 1 ).
П. називається ідеальною, якщо потенційна енергія взаємодії часток мала в порівнянні з їх тепловою енергією. Ця умова виконується, коли число часток у сфері радіусу D велике: N D = ( 4 / 3 ) p D 3 n >> 1. У блискавки Т ~ 2 х 10 4 До, n~ 2,5 ×10 19 (щільність повітря) і, отже, D ~ 10 -7 см, але N D ~ 1 / 10 Таку П. називають слабонєїдеальной.
Окрім хаотичного теплового руху, частки П. можуть брати участь у впорядкованих «колективних процесах», з яких найбільш характерні подовжні коливання просторового заряду, звані ленгмюровськимі хвилями. Їх кутова частота w 0 = називається плазмовою частотою ( m = 9 × 10 -28 г — маса електрона). Численність і різноманітність колективних процесів, що відрізняють П. від нейтрального газу (див. нижче розділ Вагання і нестійкості плазми), обумовлені «дальністю» кулонівської взаємодії часток П., завдяки чому П. можна розглядати як пружне середовище, в якому легко збуджуються і поширюються різні шуми, коливання і хвилі.
В магнітному полі з індукцією В на частки П. діє Лоренца сила ; в результаті цього заряджені частки П. обертаються з циклотронними частотами w B = е B/mc по ларморовським спіралях (кухлям) радіусу r B = u ^ / w в , де з — швидкість світла, е і m — заряд і маса електрона або іона ( u ^ — перпендикулярна В складова швидкості частки; детальніше за див.(дивися) Магнітні пастки ) . В такій взаємодії виявляється діамагнетизм П.: створювані електронами і іонами кругові струми зменшують зовнішнє магнітне поле; при цьому електрони обертаються за годинниковою стрілкою, а іони — проти неї ( мал. 2 ).
Магнітні моменти кругових струмів рівні mu ^ 2 / 2b, і в неоднорідному полі на них діє (діамагнітная) сила, прагнуча виштовхнути частку П. з області сильного поля в область слабкішого поля, що є найважливішою причиною нестійкості П. в неоднорідних полях.
Взаємні зіткнення часток в П. описують ефективними поперечними перерізами, що характеризують «площу мішені», в яку потрібно «попасти», щоб сталося зіткнення. Наприклад, електрон, що пролітає мимо іона на відстані так званого прицільного параметра r ( мал. 3 ) відхиляється силоміць кулонівського тяжіння на кут q, приблизно рівний відношенню потенційної енергії до кінетичної, так що q » 2 r ^ / r , де r ^ = e 2 / mu 2 » e 2 /kt (тут r ^ — прицільна відстань, при якій кут відхилення q = 90°). На великі кути q ~ 1 рад розсіваються всі електрони, що потрапляють в круг з площею s поблизу » 4 pr ^ 2 , яку можна назвати перетином «близьких» зіткнень. Якщо, проте, врахувати і далекі прольоти з r >> r ^ , то ефективний переріз збільшується на множник L = ln ( D / r ^ ), називається кулонівським логарифмом. У повністю іонізованной П. зазвичай L~ 10—15, і вкладом близьких зіткнень можна взагалі нехтувати (див. сказане вище про «дальнодействії» в П.). При далеких же прольотах швидкості часток змінюються на малі величини, що дозволяє розглядати їх рух як процес дифузії в своєрідному «просторі швидкостей». Хоча, як наголошувалося, кожна частка П. одночасно взаємодіє з великим числом ін. часток, процеси в П. можна описувати за допомогою уявлення про «парні» зіткнення. Середній ефект «колективного» взаємодії еквівалентний ефекту послідовності парних зіткнень.
Якщо в П. не збуджені які-небудь інтенсивні коливання і нестійкості, то саме зіткнення часток визначають її так звані диссипативні властивості — електропровідність, в'язкість, теплопровідність і дифузію. У повністю іонізованной П. електропровідність s не залежить від щільності П. і пропорційна T 3/2 ; при Т ~ 15 ×10 6 До вона перевершує електропровідність срібла, тому часто, особливо при швидких великомасштабних рухах, П. можна приблизно розглядати як ідеальний провідник, вважаючи s® ¥. Якщо така П. рухається в магнітному полі, то едс(електрорушійна сила) при обході будь-якого замкнутого контура, рухомого разом з П., дорівнює нулю, що за законом Фарадея для індукції електромагнітною приводить до постійності магнітного потоку, пронизливого контур ( мал. 4 ). Ета «пріклєєнность», або «вмороженность», магнітного поля також відноситься до найважливіших властивостей П. (детальніше див.(дивися) в ст. Магнітна гідродинаміка ) . Нею обумовлена, зокрема, можливість самозбудження (генерації) магнітного поля за рахунок збільшення довжини магнітних силових ліній при хаотичному турбулентному русі середовища. Наприклад, в космічних туманностях часто видно волокниста структура, що свідчить про наявність збудженого таким чином магнітного поля.
Методи теоретичного опису плазми. Основними методами є: 1) дослідження руху окремих часток П.; 2) магнітогідродинамічний опис П.; 3) кінетичний розгляд часток і хвиль в П.
Швидкість руху u окремої частки П. в магнітному полі можна представити як суму складових u || (паралельною полю) і u ^ (перпендикулярною полю). У розрідженій П., де можна нехтувати зіткненнями, заряджена частка летить із швидкістю u || уздовж магнітної силової лінії, швидко обертаючись по ларморовськой спіралі ( див. мал.(малюнок) 2 ). За наявності обурюючої сили F частка також повільно «дрейфує» в напрямі, перпендикулярному як магнітному полю, так і напряму сили F. Наприклад , в електричному полі Е , направленому під кутом до магнітного, відбувається «електричний дрейф» із швидкістю u ін. ел. = ce ^ /В ( Е ^ — складова напруженості електричного поля, перпендикулярна магнітному полю В ) . Якщо ж Е = 0, але магнітне поле неоднорідний, то має місце «відцентровий дрейф» в напрямі бінормалі до силової лінії, а в подовжньому напрямі діамагнітная сила гальмує частку, що наближається до області сильнішого магнітного поля. При цьому залишаються незмінними повна енергія частки ( u || 2 + u ^ 2 ) і її магнітний момент m = mu ^ 2 /2b. Таке, наприклад, рух в магнітному полі Землі космічних часток ( мал. 5 ) які відбиваються від полярних областей, де поле сильніше, і в той же час дрейфують довкола Землі (іони — на захід, електрони — на схід). Поле Землі є магнітною пасткою: воно утримує захоплені ним частки в радіаційних поясах. Аналогічними властивостями утримання П. володіють так звані дзеркальні магнітні пастки, вживані в дослідженнях по керованому термоядерному синтезу (детальніше за див.(дивися) Магнітні пастки ) .
При описі П. за допомогою рівнянь магнітної гідродинаміки вона розглядається як суцільне середовище, в якому можуть протікати струми. Взаємодія цих струмів з магнітним полем створює об'ємні електродинамічні сили, які повинні врівноважувати газодинамічний тиск П., аналогічний тиску в нейтральному газі (див. Газова динаміка ) . В стані рівноваги магнітні силові лінії і лінії струму повинні проходіть по поверхнях постійного тиску. Якщо поле не проникає в П. (модель «ідеального» провідника), то такою поверхнею є сам кордон П., і на ній газодинамічний тиск П. r газ має дорівнювати зовнішньому магнітному тиску r магн = B 2 / 8 р. На мал. 6 показаний простий приклад такої рівноваги — так званий «зет-пінч», що виникає при розряді між двома електродами. Штрихування вказує лінії струму на поверхні П. Равновесие зет-пінча нестійкий — на нім легко утворюються жолобки, що йдуть уздовж магнітного поля. При подальшому розвитку вони перетворюються на тонкі перетяжки і можуть приводити до обриву струму (детальніше за див.(дивися) Пінч-ефект ) . В потужних розрядах з струмами ~ 10 6 а в дейтерієвій П. такий процес супроводиться деяким числом ядерних реакцій і випусканням нейтронів, а також жорстких рентгенівських променів, що вперше було виявлене в 1952 Л. А. Арцимовічем, М. А. Леонтовичем і їх співробітниками.
Якщо усередині «пінча» створити подовжнє магнітне поле В || , те, рухаючись із-за «вмороженності» разом з П., воно своїм тиском перешкоджатиме розвитку перетяжок. Жолобки і в цьому випадку можуть виникати уздовж гвинтових силових лінії повного магнітного поля, що складається з подовжнього поля і поперечного поля В ^ , яке створюється самим струмом П. I || . Це має місце, наприклад, в так званому рівноважному тороїдальному пінче. Проте за умови B || /b ^ > R/a ( R і а — великий і малий радіуси тора, мал. 7 ) крок гвинтових силових ліній повного поля виявляється більше довжини замкнутого плазмового шнура 2p R і жолобкова нестійкість, як показує досвід, не розвивається. Такі системи називаються токамакамі, використовуються для досліджень з проблеми УТС.
При розгляді руху П. методами магнітної гідродинаміки необхідно враховувати, що вмороженность поля може бути неповною; її міра визначається магнітним Рейнольдса числом .
Найбільш детальним методом опису П. є кінетичний, заснований на використанні функції розподілу часток по координатах і імпульсах f = f ( t, r , p ) . Імпульс частки p рівний mu. В змозі рівноваги термодинамічного ця функція має вигляд універсального Максвелла розподілу, а в загальному випадку її знаходять з кінетичного рівняння Больцмана :
.
Здесь F = e E + ( e/c )[ u B ] — зовнішня сила, що діє на заряджену частку П., а член З ( f ) враховує взаємні зіткнення часток. При розгляді швидких рухів П. зіткненнями часто можна нехтувати, вважаючи З ( f ) » 0. Тоді кінетичне рівняння називається безсутичковим рівнянням Власова з самоузгодженими полями Е і В (вони самі визначаються рухом заряджених часток). Якщо П. повністю іонізована, тобто в ній присутні лише заряджені частки, то їх зіткнення, зважаючи на переважаючій ролі далеких прольотів (див. вищий), еквівалентні процесу дифузії в просторі імпульсів (швидкостей). Вираження З ( f ) для такий П. було отримано Л. Д. Ландау і може бути записано у вигляді:
,
де Ñ = — градієнт в імпульсному просторі, — тензорний коефіцієнт дифузії в цьому ж просторі, а F з — сила взаємного (так званого «динамічного») тертя часток.
При високих температурах і низькій щільності можна нехтувати зіткненнями часток з частками в П. Однако у разі, коли в П. збуджені хвилі якого-небудь типа (див. нижчий), необхідно враховувати «зіткнення» часток з хвилями. При не дуже великих амплітудах коливань в П. подібні «зіткнення», як і при далеких прольотах, супроводяться малими змінами імпульсу часток, і член З ( f ) з охороняє свій «дифузійний» вигляд з тією відмінністю, що коефіцієнт визначається інтенсивністю хвиль. Найважливішим результатом кінетичного опису П. є облік взаємодії хвилі з групою так званих резонансних часток, швидкості яких збігаються із швидкістю поширення хвилі. Саме ці частки можуть найефективніше обмінюватися з хвилею енергією і імпульсом. У 1946 Л. Д. Ландау передбачив можливість заснованого на такому обміні «безсутичкового загасання» ленгмюровських хвиль, згодом виявленого в дослідах с П. Якщо направити в П. додатковий пучок часток, то подібний обмін може приводити не до загасання, а до посилення хвиль. Цей ефект у відомому сенсі аналогічний Черенкова — Вавілова випромінюванню .
Вагання і нестійкості плазми. Хвилі в П. відрізняють їх об'ємний характер і різноманітність властивостей. За допомогою розкладання в Фур'є ряд будь-яке мале обурення в П. можна представити як набір хвиль простого синусоїдального вигляду ( мал. 8 ). Кожна така (монохроматична) хвиля характеризується певною частотою w , довжиною хвилі l і так званою фазовою швидкістю поширення u фаз . Крім того, хвилі можуть розрізнятися поляризацією, тобто напрямом вектора електричного поля в хвилі. Якщо це поле направлене уздовж швидкості поширення, хвиля називається подовжньою, а якщо упоперек — поперечною. У П. без магнітного поля можливі хвилі трьох типів: подовжні ленгмюровськие з частотою w про , подовжні звукові (точніше іонно-звукові) і поперечні електромагнітні (світлові або радіохвилі). Поперечні хвилі можуть володіти двома поляризаціями і можуть поширюватися в П. без магнітного поля, лише якщо їх частота w перевищує плазмову частоту w про . У протилежному ж випадку w < w про заломлення показник П. стає уявним, і поперечні хвилі не можуть поширюватися усередині П., а відбиваються її поверхнею подібно до того, як промені світла відбиваються дзеркалом. Саме тому радіохвилі з l > ~ 20 м-коду відбиваються іоносферою, що забезпечує можливість далекого радіозв'язку на Землі.
Проте за наявності магнітного поля поперечні хвилі, резонуючи з іонами і електронами на їх циклотронних частотах, можуть поширюватися усередині П. і при w < w про . Це означає появу ще двох типів хвиль в П., називаються альфвеновськимі і швидкими магнітозвуковимі. Альфвеновськая хвиля є поперечним обуренням, що поширюється уздовж магнітного поля із швидкістю u а = В/ ( M i — маса іонів). Її природа обумовлена «вмороженностью» і пружністю силових лінії, які, прагнучи скоротити свою довжину і будучи «навантажені» частками П., зокрема масивними іонами, вагаються подібно до натягнутих струнам. Швидка магнітозвуковая хвиля в області малих частот по суті лише поляризацією відрізняється від альфвеновськой (їх швидкості близькі і визначаються магнітним полем і інерцією важких іонів). В області ж великих частот, де іони можна вважати нерухомими, вона визначається інерцією електронів і має специфічну гвинтову поляризацію. Тому тут її називають «гілкою гелікона» коливань, або «гілкою вістлеров», тобто свистів, оскільки в магнітосферичній П. вона виявляється у вигляді характерних свистів при радіозв'язку. Крім того, в П. може поширюватися повільна магнітозвуковая хвиля, яка є звичайною звуковою хвилею з характеристиками, декілька зміненими магнітним полем.
Т. о., за наявності магнітного поля в однорідній П. можливі хвилі шести типів: три високочастотні і три низькочастотні. Якщо температура або щільність П. в магнітному полі неоднорідні, то можливі ще так звані «дрейфові» хвилі. При великих амплітудах можливі «безсутичкові» ударні хвилі (спостережувані на кордоні магнітосфери), відокремлені хвилі (солітони), а також ряд ін. «нелінійних» хвиль і, нарешті, сильноразвітая турбулентність руху П.
В нерівноважній П. за певних умов можливе «розгойдування неустойчивостей», тобто наростання якого-небудь з перерахованих типів хвиль до деякого рівня насичення. Можливі і складніші випадки індукованого збудження хвиль одного типа за рахунок енергії хвиль іншого типа.
Випромінювання плазми . Спектр випромінювання низькотемпературною (наприклад, газорозрядною) П. складається з окремих спектральних ліній. У газосвітних трубках, вживаних, зокрема, для цілей реклами і освітлення (лампи «денного світла»), поряд з іонізацією відбувається і зворотний процес — рекомбінація іонів і електронів, що дає так зване рекомбінаційне випромінювання із спектром у вигляді широких смуг.
Для високотемпературної П. із значною мірою іонізації характерний гальмівне випромінювання з безперервним спектром, що виникає при зіткненнях електронів з іонами. У магнітному полі ларморовськоє обертання електронів П. приводить до появи так званого магнітотормозного випромінювання на гармоніках циклотронної частоти, особливо істотного при великих (релятивістських) енергіях електронів. Важливу роль в космічній П. грає вимушене випромінювання типа зворотного Комптона ефекту . Ним, а також магніто-гальмівнім механізмом обумовлено випромінювання деяких космічних туманностей, наприклад Крабовидною.
Корпускулярним випромінюванням П. називаються швидкі частки, що вилітають з нерівноважної П. в результаті розвитку різних типів неустойчивостей. В першу чергу в П. розгойдуються які-небудь характерні коливання, енергія яких потім передається невеликій групі «резонансних» часток (див. вищий). Мабуть, цим механізмом пояснюється прискорення не дуже енергійних космічних часток в атмосфері Сонця і в туманностях, що утворюються при спалахах найновіших зірок типа пульсара в Крабовидній туманності.
Діагностика плазми . Поміщаючи в П. електричний зонд (маленький електрод) і реєструючи залежність струму від напруги, що подається, можна визначити температуру і щільність П. За допомогою мініатюрної індукційної котушки — «магнітного зонда» — можна вимірювати зміну магнітного поля в часі. Ці способи зв'язані, проте, з активним втручанням в П. і можуть внести небажані забруднення. До чистіших методів відносяться «просвічування» П. пучками нейтральних часток і пучками радіохвиль. Лазерне просвічування П. в різних варіантах, у тому числі з використанням голографія, є найбільш тонким і до того ж локальним методом лабораторної діагностики П.
Часто використовують також пасивні методи діагностики — спостереження спектру випромінювання П. (єдиний метод в астрономії), виведення швидких нейтральних атомів, що утворилися в результаті перезарядки іонів в П., вимір рівня радіошумів. Щільну П. вивчають за допомогою надшвидкісної кінозйомки (декілька млн. кадрів в сік ) і розгортки оптичної . В дослідженнях по УТС реєструється також рентгенівський спектр гальмівного випромінювання і нейтронне випромінювання дейтерієвою П.
Вживання плазми . Високотемпературна П. ( Т ~ 10 8 До) з дейтерію і тритію — основний об'єкт досліджень по УТС. Така П. створюється шляхом нагріву і швидкого стискування П. струмом (використовується також високочастотне підігрівання) або шляхом інжекції високоенергійних нейтральних атомів в магнітне поле, де вони іонізуются, або опроміненням мішені потужними лазерами або релятивістськими електронними пучками.
Низькотемпературна П. ( Т ~ 10 3 До) знаходить вживання в газорозрядних джерелах світла і в газових лазерах, в термоелектронних перетворювачах теплової енергії в електричну і в магнітогідродинамічних (МГД) генераторах, де струмінь П. гальмується в каналі з поперечним магнітним полем В, що приводить до появи між верхнім і нижнім електродами ( мал. 9 ) електричного поля напруженістю Е порядку Bu/c ( u — швидкість потоку П.); напруга з електродів подається в зовнішній ланцюг.
Якщо «обернути» МГД-генератор пропускаючи через П. в магнітному полі струм із зовнішнього джерела, утворюється плазмовий двигун, вельми перспективний для тривалих космічних польотів.
Плазматрони, створюючі струмені щільної низькотемпературної П., широко застосовуються в різних областях техніки. Зокрема, з їх допомогою ріжуть і зварюють метали наносять покриття (див. Плазмова металургія, Плазмова обробка, Плазмове буріння ) . В плазмохимії низькотемпературну П. використовують для здобуття деяких химічес
