Долгий путь вёл человека к познанию плазмы, к её использова-
нию в различных отраслях техники. Когда же наука и техника включили плазму в сферу своего внимания, рост знаний о ней и её практическое применение пошли семимильными шагами. Тут и возникли плазмохимия и плазмохимическая технология.
Ещё крупнейший древнегреческий учёный Аристотель предпо-
лагал, что все тела состоят из четырёх низших элементов-стихий: земли, воды, воздуха и огня. Дальнейшее развитие науки наполнило новым содержанием эти термины. Действительно вещество может быть в четырёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном.
Плазма представляет собой состояние вещества, наиболее
распространённое в космосе и обладающее очень интересными свойствами, которые находят всё более широкое применение в разработках, посвящённых большим проблемам современной техники. Например, Солнце и звёзды являются примерами высокотемпературной плазмы.
Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизи-
ована, называется плазмой. Это название было предложено в 1923 году американскими физиками Ленгмюром и Тонксом. Плазма – нормальная форма существования вещества при температуре порядка 10 000 градусов и выше. Вместе с тем это наиболее распространённое состояние вещества в природных условиях. Солнце и звёзды представляют собой не что иное, как сгустки высокотемпературной плазмы. Верхний слой атмосферной оболочки Земли также образован из плазмы – это так называемая ионосфера.
Возникновение плазмы.
Пусть в замкнутом сосуде, сделанном из очень тугоплавкого
материала, находиться небольшое количество какого-либо вещества. Начнём подогревать сосуд, постепенно повышая его температуру. Если первоначально вещество, содержащееся в сосуде, было в твёрдом состоянии, то в некоторый момент оно начнёт плавиться, а при ещё более высокой температуре испариться и образовавшийся газ равномерно заполнит весь объём. Когда температура достигнет достаточно высокого уровня, все молекулы газа (если это молекулярный газ) диссоциируют, т.е. распадутся на отдельные атомы. В результате в сосуде будет содержаться газообразная смесь элементов, из которых состоит вещество. Атомы этих элементов будут быстро и беспорядочно двигаться, испытывая время от времени столкновения между собой.
Средняя скорость хаотического теплового движения атомов
растёт пропорционально квадратному корню из абсолютной температуры газа. Она тем больше, чем легче газ, т.е. чем меньше атомный вес вещества. Величину средней скорости v можно найти с помощью следующей формулы:
Здесь T – абсолютная температура плазмы, A – атомный вес вещества. Скорость выражается в сантиметрах в секунду.
Естественно, возникает вопрос: как будут изменяться свойства
вещества, если нагревание продолжиться дальше и температура выйдет за пределы нескольких тысяч градусов? Конечно, при очень высокой температуре изображаемую нами картину нагревания вещества в тугоплавком сосуде можно представить только теоретически, т.к. предел термической стойкости даже самых тугоплавких материалов сравнительно невелик – 3 000 – 4 000 градусов. Допустим, что стенки сосуда способны противостоять сколь угодно высокой температуре, не разрушаясь и не испытывая никаких изменений. Итак, нагревание продолжается. В таком случае уже при 3 000 – 5 000 градусов мы сможем заметить признаки проявления новых процессов, которые будут связаны с изменением свойств самих атомов вещества.
Как известно, каждый атом состоит из положительно заряжен-
ного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и электронов, вращающихся вокруг ядра и образующих электронную оболочку атома. Эта оболочка и в особенности её внешний слой, содержащий электроны, сравнительно слабо связанные с ядром, обладают довольно хрупкой структурой. При столкновении атома с какой-либо быстро движущейся частицей один из внешних электронов может быть оторван от атома, который превратиться в положительно заряженный ион. Именно этот процесс ионизации и будет наиболее характерен для рассматриваемой стадии нагревания вещества. При достаточно высокой температуре газ перестаёт быть нейтральным: в нём появляются положительные ионы и свободные электроны, оторванные от атомов.
В условиях, когда нагретое вещество находиться в тепловом
равновесии с окружающей средой (в нашем случае со стенками воображаемого идеального сосуда) при температуре в несколько десятков тысяч градусов, подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована и нейтральные атомы практически отсутствуют. Например при T= 30 000 градусов на 20 000 положительных ионов приходиться всего лишь один нейтральный атом.
Электронная оболочка атома водорода содержит только один
электрон, и поэтому с потерей атома ионизация заканчивается. В атомах других элементов электронная оболочка имеет более сложную структуру. В её состав входят электроны, обладающие разной степенью связи с атомом в целом. Электроны, принадлежащие к внешним слоям оболочки, отрываются сравнительно легко. Как уже говорилось выше, при температуре порядка 20 000 – 30 000 градусов почти не должно оставаться примесей нейтральных атомов. Это означает, что можно говорить о полной ионизации газа. Однако это не означает, что процесс ионизации закончился, т.к. положительные ионы в упомянутой области температур сохраняют значительную часть своего «электронного одеяния». Чем больше порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева, тем больше число электронов в атоме и тем прочнее связаны электроны внутренних слоёв оболочки с атомным ядром. Поэтому окончательная ионизация тяжёлых элементов только при очень высоких температурах (десятки миллионов градусов). При этом газ остаётся в целом нейтральным, т.к. процессы ионизации не создают избытка в зарядах того или иного знака.
В ионизации газа при высокой температуре принимают учас –
тие различные процессы взаимодействия между отдельными атомами, с одной стороны, и электронами, ионами и световым излучением – с другой.
Различают высокотемпературную плазму, возникающую при
сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Любая плазма характеризуется степенью ионизации ? – отношением числа ионизированных частиц к полному их числу в единице объёма плазмы. В зависимости от величины ? говорят о слабо (? составляет доли процента), умеренно (? – несколько процентов) и полностью (? близко к 100%) ионизированной плазме.
Однако, описанный нами способ получения плазмы на практи-
ке не является самым лучшим из-за сложности его осуществления. Как в лабораторных опытах, так и в технике нормальным состоянием плазмы считают различные виды электрических разрядов в газах. При электрическом разряде через газ проходит ток. Носителями этого тока являются электроны и ионы, которые образуются в результате ионизации газа. Сам процесс ионизации неразрывно связан с прохождением тока. Только благодаря наличию тока в газе постоянно возникают новые ионы и электроны, и степень ионизации поддерживается на определённом уровне. Будь то молния, электрическая дуга, разряд в люминесцентной лампе дневного света – во всех случаях мы имеем дело с явлениями, разыгрывающимися в сильно ионизированной плазме. Между тем между плазмой, образовавшейся при нагревании вещества вместе с сосудом, в котором оно находиться, и плазмой газового разряда имеется одно существенное отличие. Плазма газового разряда не является в термическом отношении равновесной. Она нагревается изнутри за счёт энергии, выделяющейся за счёт прохождения тока, и охлаждается с поверхности вследствие контакта с холодными стенками газоразрядного прибора или же с окружающими слоями обычного газа. Плазма, образующаяся при интенсивных газовых разрядах, может иметь во много раз большую температуру, чем металл, стекло или нейтральный газ, которые её окружают. Кроме того, такая плазма термически неравновесна ещё в одном отношении. Она состоит из смеси нескольких компонент, неодинаково нагретых. Одной из этих компонент являются электроны, другой – положительные ионы и третьей – нейтральные атомы. Они так же равномерно перемешаны между собой, как кислород и азот в атмосфере.
Однако в противоположность обычной газовой смеси, все час-
тицы которой независимо от их принадлежности к той или иной составляющей имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов плазмы газового разряда средняя кинетическая энергия различна. Электроны, как правило, обладают гораздо более высокими энергиями, чем ионы, а кинетическая энергия ионов может превышать энергию нейтральных атомов и молекул. Поэтому можно сказать, что плазма представляет собой смесь компонент с различными температурами. Как известно средняя величина кинетической энергии WT беспорядочного теплового движения W связана с температурой T следующим соотношением?
где k – так называемая постоянная Больцмана, равная 1,38? эрг/град. Из-за различия в величине средней кинетической энергии электронов, ионов и нейтральных частиц в плазме вместо одной общей температуры следует различать три разные температуры? электронную Te, ионную Ti и атомную T0. Обычно Te >> Ti > T0? где “>>” означает «во много раз больше». Очень большое различие между Te и Ti, характерное для большинства форм газового разряда, обусловлено громадной разницей в величине массы электронов и ионов. Внешние источники электрической энергии, с помощью которых создаётся и поддерживается газовый разряд, передают энергию непосредственно электронам плазмы, т.к. именно лёгкие электроны являются носителями электрического тока. Ионы приобретают свою энергию благодаря столкновениям с быстро движущимися электронами. Однако при каждом отдельном столкновении из-за большого различия в массе лёгкий электрон передаёт иону лишь небольшую часть своей кинетической энергии. Простой анализ, основанный на применении закона сохранения энергии и закона сохранения суммарного количества движения, показывает, что если тело малой массы m сталкивается упруго с телом во много раз большей массы M, то относительная доля кинетической энергии, которую легкое тело в состоянии передать тяжёлому, не может превысить . Отношение массы электрона к массе иона равно 1 ? 1840 A, где A – атомный вес вещества, которому принадлежат ионы. Следовательно наибольшая величина, передаваемой энергии соствляет всего . Поэтому электрон должен испытать очень много столкновений с ионами, для того, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии. Поскольку параллельно процессам, при которых происходит обмен энергией между электронами и ионами, идёт процесс приобретения энергии электронами от источников электрического тока, питающего разряд, в плазме при газовом разряде всё время поддерживаеться большой перепад температу между электронами и ионами. Так, например, в упоминавшихся выше газоразрядных приборах величина Te обычно лежит в пределах нескольких десятков тысяч градусов, в то время как величины Ti и T0 не превышают одной-двух тысяч градусов. При дуговом разряде, который используется в электросварке, электронная и ионная температуры ближе друг к другу вследствие того, что в этом случае разряд происходит в газе с большой плотностью и частые столкновения между электронами и ионами быстро выравнивают разность температур. При некоторых специальных условиях в сильно ионизированной плазме ионная температура может значительно превысить электронную. Такие условия возникают, например, при кратковременных разрядах большой мощности в экспериментальных установках. Например, можно взять угольные электроды, создать высокое давление, и подвести ток большой силы. В этом случае в узком межэлектродном пространстве возникнет сильно ионизированная плазма при температуре 50 000 K.
Следует также рассмотреть особенности движения частиц пла-
змы. Движения частиц обычного газа ограничиваются только столкновениями между собой или со стенками сосуда, в котором находиться этот газ. Движение частиц плазмы может быть ограничено магнитным полем. Плазму можно сдерживать магнитной стенкой, толкать магнитным поршнем, запирать в магнитной ловушке. В сильном магнитном поле частицы плазмы крутятся вокруг магнитных силовых линий. Вдоль магнитного поля частица движется свободно. Подробнее об этом будет рассказано ниже.
Квазинейтральность плазмы.
Даже в том случае, если плазма образуется в результате иони-
зации химически простого газа, например азота, кислорода, паров ртути, её ионная компонента будет содержать ионы различных сортов – с одним, двумя, тремя или более электронными зарядами. Следует отметить, что кроме атомарных ионов могут присутствовать молекулярные ионы, а также нейтральные атомы и молекулы. Каждая из этих компонент будет характеризоваться своей концентрацией n и температурой T. В общем случае, когда в плазме присутствуют однозарядные ионы с концентрацией n1, двухзарядные – с концентрацией n2, трёхзарядные – с концентрацией n3 и т.д., можно записать равенство? ne = n1 + 2n2 + 3n3 + … Такое соотношение между концентрацией отрицательных и положительных зарядов в плазме говорит о том, что плазма в целом квазинейтральна, т.е. в ней нет заметного избытка зарядов одного знака над зарядами другого. На этом свойстве плазмы следует остановиться несколько подробнее, т.к. оно имеет существенное значение и, в конечном счёте, в нём содержится самоё определение понятия «плазма». Естественно возникает вопрос? «С какой степенью точности в ионизированном газе должно соблюдаться условие квазинейтральности?». Каким бы путём не создавалась ионизация, заранее совсем не очевидно, что положительных и отрицательных зарядов должно быть поровну. Из-за различия в скоростях движения электронов и ионов, первые могут с большей лёгкостью покидать объём, в котором они возникли. Поэтому если благодаря процессам ионизации атомов первоначально образуется одинаковое количество зарядов противоположного знака, то из-за быстрого исчезновения электронов, погибающих на стенках аппаратуры, внутри которой находиться ионизированный газ, ионы, казалось бы, должны оставаться в значительном большинстве, т.е. не о какой нейтральности не может быть и речи. С другой стороны, необходимо учесть, что при преимущественной утечке зарядов одного знака в ионизированном газе немедленно образуется избыток зарядов другого знака, который способствует выравниванию потока электронов и ионов и препятствует увеличению разницы между концентрациями частиц обоих знака. Условия, при которых этот эффект будет достаточен для того, чтобы поддерживать квазинейтральность, можно описать следующим образом.
Допустим для простоты, что в ионизированном газе присут –
ствуют кроме ионов только однозарядные ионы. Квазинейтральность означает, что ne очень мало отличается от ni. Как отразиться на поведении отдельных частиц заметное отклонение ne от ni? Здесь сразу же выделяются два крайних случая. Если число заряженных частиц в объёме невелико, то создаваемые ими электрические поля слишком слабы для того, чтобы повлиять на их движение, даже если все поля складываются. В этом случае отдельные электроны и ионы в своём поведении никак не связаны друг с другом и каждая частица движется так, как будто все другие отсутствуют. Следовательно условие квазинейтральности здесь не обязательно выполняется. Противоположный случай ионизированному газу с высокой концентрацией заряженных частиц, занимающему большой объём. В этом случае избыточные заряды, возникающие при сильном нарушении равенства между ne и ni, создают электрические поля, достаточные для выравнивания потоков и восстановления квазинейтральности.
В конечном счёте всё зависит от соотношения между потен-
циальной энергией отдельного иона или электрона в электрическом поле, возникающем при нарушении квазинейтральности, и величиной средней кинетической энергии частиц, связанной с их тепловым движением.
До сих пор речь шла о газовой плазме. Однако плазменные яв-
ления возникают часто в объектах, казалось бы, далёких от газов.
Остановимся, например, на металлах или полупроводниках. По
современным представлениям их структура такова? есть решётка, состоящая из упорядоченно расположенных частиц – ионов или нейтральных частиц, и есть газ хаотически перемещающихся носителей электричества, называемых электронами (заряд отрицательный) и дырками (заряд положительный). Электроны и дырки в твёрдых телах не являются частицами в полном смысле этого слова? в свободном состоянии именно таких частиц (т.е. с соответствующими зарядом и массой) нет. Тем не менее уравнения, описывающие их движение, подобны уравнениям, описывающим движения обычных частиц – с той разницей, что роль массы здесь играют некоторые величины, зависящие от структуры вещества. Эти величины обычно именуют эффективными массами электронов и дырок. Поэтому электроны и дырки в твёрдых телах именуют квазичастицами (лат. quasi – почти). Поскольку поведение заряженных квазичастиц аналогично поведению электронов и ионов, то и свойства газа электронов и дырок сходны со свойствами газовой плазмы. Отсюда и название такой системы – твёрдотельная плазма.
Движение частиц плазмы.
Хотя мы можем рассматривать плазму как некоторую частную
форму газовой смеси (в простейшем случае как смесь двух компонент? электронного и ионного газа), однако по целому ряду основных физических свойств она отличается от обычного газа, содержащего лишь нейтральные частицы. Это различие проявляется прежде всего в поведении плазмы под действием электрических и магнитных полей. В противоположность обычному нейтральному газу, на который электрические и магнитные поля не оказывают заметного воздействия, плазма под действием таких полей может очень сильно изменять свои свойства. Под действием электрического поля (даже очень слабого) в плазме появляется электрический ток. В магнитном поле плазма ведёт себя, как очень своеобразное диамагнитное вещество. Плазма может также интенсивно взаимодействовать с электромагнитными волнами. В частности, это находит выражение в том, что радиоволны могут отражаться от плазмы, как от зеркала.
Попытаемся сначала нарисовать самую общую картину движе-
ния заряженной частицы в плазме. Путь каждого иона или электрона можно сначала очень грубо представить себе состоящим из отрезков, на протяжении которых частица движется свободно, не испытывая
модействия с соседями. Эти участки свободного движения частиц прерываются кратковременными столкновениями, в результате которых направление движения меняется. В промежутках между двумя последовательными столкновениями частица движется под действием того общего электрического или магнитного поля, которое создано в плазме за счёт внешних источников. Это очень упрощённая картина поведения частицы, и она нуждается в серьёзных поправках, учитывающих основные особенности плазмы, которые проявляются прежде всего в характере её собственного электрического поля, существующего независимо от внешних источников. Каждая заряженная частица создаёт вокруг себя электрическое поле с радиально расходящимися от неё силовыми линиями. Поля от отдельных с зарядами разных знаков, складываясь между собой, в среднем компенсируют друг друга. Однако это не означает, что в каждый данный момент времени электрическое поле в какой-либо выбранной нами точке в точности равно нулю. Поле в любой точке плазмы в действительности очень быстро изменяется и по величине, и по направлению, и эти хаотические колебания дают нуль, только если рассчитывать среднюю величину напряжённости поля за достаточно длинный интервал времени.
Напряжённость собственного электрического поля плазмы ис-
пытывает сильные хаотичес- кие колебания как во времени, так и в пространстве, быстро изменяясь на очень малых расстояниях.
Заряженная частица, находя-
щаяся в электрическом поле, движется по законам, напоми-
нающим обычные законы движения тел в поле тяжести.
Обратимся к рисунку, на котором показаны траектории заряженных частиц в электрическом поле, направленном по вертикальной оси. Стрелки изображают скорости движения частиц в некоторый момент времени. Сила, действующая на заряженную частицу, равна qE, где q – заряд и E – напряжённость поля. Для однозарядных частиц q = ? e, где e – элементарный электрический заряд, а для многозарядных ионов q представляет собой небольшое целое, кратное e (e= к). Под действием этой силы однозарядный положительный ион с массой mi приобретает ускорение , которое направленно вдоль вертикальной оси вверх. Ускорение электрона направлено вниз и численно равно , где me – масса электрона. Электрон гораздо легче иона, и поэтому ускорение, которое получает электрон, во много раз больше, чем ускорение иона. Траектория заряженной частицы в однородном электрическом поле всегда составляет собой пораболу. Форма этой пораболы зависит от свойств частицы, начальных условий движения и величины E. Пусть, например, электрическое поле направленно по оси y, а начальная скорость v0 – вдоль оси x (траектория I на рисунке). В этом случае движение частицы по оси x будет равномерным, а по оси y – равноускоренным.
Применение плазмы в науке и технике.
Электрическая дуга – наиболее подходящая среда для таких ре-
акций, которые не могут протекать в обычных условиях по термодинамическим причинам. Можно зажечь плазму в кислороде и использовать высокую реакционную способность получающегося при этом озона. В азотной плазме можно получить такие экзотические соединения, как тетрафторид азота N2F4 или нитрид титана TiN. Водородная плазма проявляет восстанавливающее действие, поэтому её можно применять для вскрытия железных руд. Продолжительность реакций в высокотемпературной плазме крайне мала. Метан, например, при 4 800 – 5 300 K за 1/10000 c на 75 – 80% превращается в ацителен. Главным преимуществом методов плазмохимии является то, что состав исходного сырья может колебаться в широких пределах. Реакции могут протекать и в холодной плазме при температурах ниже 400 K. Интересным примером может послужить азотирование в тлеющем разряде, применяемое для поверхностного упрочнения стали.
Плазма – ещё мало изученный объект не только в физике, но и
в химии (плазмохимии), астрономии и многих других науках. Поэтому важнейшие технические положения физики плазмы до сих пор не вышли из стадии лабораторной разработки. В настоящее время плазма активно изучается т.к. имеет огромное значение для науки и техники. Эта тема интересна ещё и тем, что плазма – четвёртое состояние вещества, о существовании которого люди не подозревали до XX века. Возможно, что плазма и есть тот первоэлемент, который так упорно искали алхимики средних веков?
Использованная литература?
1. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы, М, Атомиздат, 1966.
2. Вурзель Ф.Б., Полак Л.С. Плазмохимия, М, Знание, 1985.
3. Ораевский Н.В. Плазма на Земле и в космосе, К, Наукова думка, 1980.
4. Поллер З. Химия на пути в третье тысячелетие, М, Мир, 1982.
5. Франк-Каменецкий Д.А. Плазма – четвёртое состояние вещества, М, Атомиздат, 1975.
6. Энциклопедический словарь юного физика, 3 изд., М, Педагогика-Пресс, 1995.
7.
14
14
17