Плазма — четвертое состояние вещества
Четвертое состояние вещества — плазма.
Часть первая.
Наверное, у каждого ребенка, у кого раньше, у кого позже, — возникал вопрос — а почему светит солнце, почему сверкает молния и, наверное не каждый взрослый, может это достаточно научно объяснить : что-то не учили, что-то пропустили … Из школьного курса разве что сохранилось у многих, что солнце — это плазменный шар, а молния — это электричество.
Мы предлагаем Вам ряд статей, которые ответят на эти вопросы более подробно и в увлекательной и доступной форме как для взрослых, так для и подростков. А чтобы это все было действительно понятно, начинать надо, как известно, сначала. Итак …
СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
Первые три состояния известны всем — это твердое тело, жидкость, газ. Примеров упомянутых состояний каждый из вас может назвать много, в первую очередь, конечно, — состояния воды. Вода, пожалуй, самое распространенное на Земле вещество, а смена его состояний может происходить прямо у нас на глазах.
В солнечный весенний день можно увидеть буквально за несколько минут два последовательных превращения куска льда, лежащего на мостовой: вот белый лед потемнел, разрыхлился, под ним показалась вода, еще через минуту над водой закурились тоненькие струйки, а еще спустя немного времени от воды не осталось и следа — она вся испарилась. Вода при постепенном повышении температуры превращается из твердого состояния в жидкое и затем в газ (пар). Температуры обоих указанных превращений воды известны хорошо: для плавления льда температура равна 0°, вода кипит при 100° по шкале Цельсия, а испаряться может и при более низких температурах.
А где же переход в четвертое состояние? В земных условиях он происходит нередко, но в отличие от упомянутых выше двух переходов — в жидкость и газ — совершается почти всегда невидимо, и лишь когда значительная доля вещества перейдет в плазменное состояние, оно обнаруживается: плазма начинает светиться, причем уже не отраженным светом, как вещество в первых двух состояниях, а собственным светом.
Чтобы понять превращение вещества в плазменное состояние, необходимо вспомнить некоторые сведения, которыми располагает наука о строении мельчайших частиц, составляющих все тела, — атомов.
АТОМЫ
Атом состоит из находящегося в его центре положительно заряженного ядра и располагающейся вокруг ядра очень подвижной оболочки из отрицательно заряженных электронов. Поскольку в ядре сосредоточен положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду всех электронов в составе оболочки, атом в целом является электрически нейтральным.
Все электроны атома одинаковы. Но находятся они в атоме далеко не в одинаковых условиях. Электроны в атоме не могут образовывать «однослойную» оболочку, имеющую форму шара. Электронная оболочка в атомах, имеющих более двух электронов, — многослойная; при этом чем дальше от ядра находится слой, тем большее число электронов может разместиться в нем.
Было бы ошибкой думать, что эти слои следуют друг за другом, как вкладываемые один в другой
разноцветные шары в детской игрушке. На самом деле пути, по которым движутся в атоме электроны далекого от ядра слоя, глубоко проникают внутрь слоев, образованных более близкими к ядру электронами. Если нарисовать это взаимное проникновение электронных путей в атоме, получится очень сложная «ажурная» картина. Но в среднем электроны более далеких слоев находятся от ядра дальше, чем электроны близких слоев.
В атомном мире справедлив закон: «Дальше находишься — значит, слабее связан». Чем дальше от ядра расположен электрон, тем слабее связан он электрическими силами притяжения с ядром своего атома. Внутренние электроны атома как бы находятся в плену: ядро не дает им покинуть атом.
Внешние же, наиболее далекие от ядра электроны атома очень подвижны. Сближение электронов соседних атомов приводит к тому, что два и более атомов объединяются и образуют молекулу. В большинстве молекул атомы, составляющие их, находятся в неравноправном положении: одни из атомов теряют часть своих электронов, а другие — приобретают эти электроны. В целом количество электронов при соединении атомов в молекулы не меняется, но происходит их перераспределение между атомами. Обедневший электронами атом становится положительным ионом: ведь теперь общий заряд его электронов стал меньше заряда его ядра и полной компенсации зарядов уже нет, а атом, разбогатевший за счет электронов своего соседа в молекуле, превращается в отрицательный ион.
КАК ОСВОБОДИТЬСЯ ИЗ АТОМНОГО ПЛЕНА
Электрон — это такая частица вещества, о продолжительности существования которой физики говорят: «Этого мы не знаем, но во всяком случае, электрон может существовать миллиарды и миллиарды лет, практически—бесконечно». И конечно, за такое время наверняка выпадет случай, когда какие-либо причины позволят вырваться из атомного плена и электрону, находящемуся в глубине атома.
Возможности избавиться от атомного плена различны. Может случайно ударить в атом какой-нибудь путешественник-электрон, обладающий не очень большой энергией. Сам он может застрять в атоме, но зато вызволит из него пленника. Освободителем электрона способен стать луч света, влетевший в атом.
Но в мире атомов действует совершенно непреложный закон. Этот закон гласит, что любой электрон может быть освобожден из атома только в том случае, если ему будет передана энергия, равная или большая энергии связи его с ядром. Легко понять теперь «общительность» далеких от ядра и пленение близких к ядру электронов в атоме. Далекому внешнему электрону, чтобы он улетел прочь из атома, надо передать немного энергии: энергия его связи с ядром очень невелика. А вот чтобы электрон из глубины атома вырвался на свободу, ему надо передать довольно значительную энергию, и не по частям, а всю сразу — электрон в атоме «копить» энергию не умеет. Разумеется, чаще происходит передача малой энергии. Поэтому внешние электроны атома легко становятся свободными, а глубоко лежащие вынуждены долго ждать, пока подвернется «счастливый случай».
Но иногда в атомном мире наступает время освобождения. За это время по некоторым причинам, о которых мы расскажем ниже, из атомов освобождается довольно большое количество электронов и ядра значительно «оголяются». Наступает такое состояние вещества, когда в нем оказываются свободными большое число электронов и ионов — атомов с поредевшими электронными оболочками. Такое состояние вещества и называется плазмой.
Это название было предложено в 1924 году американским физиком Лэнгмюром. Ныне оно получило международное распространение. Происхождение его можно понять, вспомнив, что слово «плазма» употребляется также и в довольно далекой от физики области науки — гематологии, науке о составе крови. Известно, что в крови имеются как хорошо оформленные частицы — красные и белые кровяные шарики и другие тельца, — так и жидкость. Эта последняя и есть плазма крови. Вообще говоря, перенесение этого понятия в физику не вполне точно: физическая плазма и есть «тельца» вещества — ядра и электроны; этим словом скорее подчеркивается большая подвижность вещества в плазменном состоянии и его бесформенность в том смысле, что электроны и ядра уже не есть «настоящие» тельца вещества — атомы и молекулы.
Понятие о новом состоянии вещества не очерчивает точно его границ.Плазма — это не обязательно все свободные электроны и совершенно оголенные ядра. Ионы в плазме должны быть, как и электроны, свободны в своих движениях, а степень «оголенности» ядер в них может быть самой различной. Наконец, в плазме могут существовать и различные количества «неповрежденных» нейтральных атомов.
Если растапливать кусок льда, то он превращается в воду не мгновенно, а постепенно, и все
время, пока длится это превращение, рядом сосуществуют и лед и вода. Точно так же при кипении воды рядом находятся два состояния вещества — жидкость и пар. Это же имеет место и при переходе вещества в плазменное состояние: сначала свободных электронов и свободных ионов мало, потом их становится все больше и больше.
Мы еще раз отмечаем, что понятие плазмы подразумевает свободу движения не только электронов, но и ионов. А разрушением связей между атомами как раз и характеризуется предшествующий переход из жидкого в газообразное состояние. Следующий переход — к плазменному состоянию, — таким образом, может произойти только из газообразного состояния.