Физика для всех. Электроны - Китайгородский А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Степень ионизации газа зависит не только от температуры,, но и от давления. Водород при давлении порядка 1 мм ртутного столба практически полностью будет ионизован при температуре 30 тысяч градусов. При этих условиях один нейтральный атом приходится на 20 тысяч заряженных частиц.
Плазменное состояние водорода представляет собой смесь беспорядочно движущихся, сталкивающихся между собой частиц двух газов: «газа» протонов и «газа» электронов. Плазма, образовавшаяся из других веществ, является смесью многих «газов». В ней мы найдем электроны, оголенные ядра, различные ионы, а также незначительное число нейтральных частиц.
Плазму с температурой в десятки и сотни тысяч градусов называют холодной. Горячая плазма — это миллионы градусов.
Но с понятием температуры плазмы надо обращаться осторожно. Как известно ,читателю, температура однозначно определяется кинетической энергией частиц. В газе, состоящем из тяжелых и легких частиц, состояние равновесия устанавливается лишь тогда, когда легкие и тяжелые частицы приобретают одну и ту же среднюю кинетическую энергию. Это значит, что в газе, живущем долгое время в стабильных условиях, тяжелые частицы движутся медленно, а легкие — быстро. Срок, за который устанавливается равновесие, зависит от
3 Физика для sees, кн. 3
65
того, что было «в начале». Но нри прочих одинаковых \ условиях равновесле наступит тем позже, чем больше : различие в массах частиц.
Именно с таким положением дела мы сталкиваемся в плазме. Ведь массы электрона и самого легкого из ядер отличаются чуть ли не в две тысячи раз. При -s ^каждом соударении электрон передаёт ядру или иону -лишь небольшую часть своей энергии. Только после I большого числа встреч средние кинетические энергии ¦ всех частиц плазмы выравниваются. Такую плазму • называют изотермической. Такова, например, плазма, находящаяся в недрах Солнца и звезд. Скорость уста- | новления равновесия в горячей плазме лежит в пре- ; делах от долей секунды до секунд.
Иначе обстоит дело в плазме газового разряда , (искре, дуге и т. д.). В этом случае частицы движутся | не только беспорядочно, но и создают электрический 1 ток. Быстро движущийся электрон в своем путешествии ; между электродами просто не успевает отдать большую j часть своей энергии лениво Движущимся ионам. По- і этому в газовом разряде средняя скорость движения; электронов много выше соответствующей величины для ионов. Такую плазму называюу неизотермической, и ее надо характеризовать двумя (а то и тремя, если учитывать нейтральные частицы) температурами. Естест-< венно, электронная температура много выше ионной.; Так, в дуговом разряде электронная температура — это 10—100 тысяч градусов, в то время как ионная;; температура близка к 1000 градусов і
Поведение частиц в плазме можно описывать с поН мощью тех же величин, которые используются в кинё-* тйческой теории газов. Разработано много способов, которые прямо .ил? косвенно позволяют 'определить: длину свободного пробега частиц, время свободного^ пробега, концентрацию частиц разных сортов.
Для того чтобы читатель имел представление о порядках величин, с которыми приходится сталкиваться^ приведем некоторые числа, описывающие водородную^ плазму высокой концентрации (1020 ионов на кубический метр). Оказывается, что в холодной плазме (тем-? пература — десять тысяч градусов) длина свободного пробега равна 0,03 см, а время свободного пробега 4-10г10 с. Эта же плазма, нагретая до ста'миллионов
№ :
градусов, характеризуется соответственно числами 3-Ю6 см и 4-Ю-* с.
Приводя подобные данные, надо обязательно^ добавлять, о каких столкновениях идет речь. Мы привели значения для встреч электронов с ионами.
Достаточно очевидно, что объем, содержащий много частиц, будет электрически нейтрален. Но нас может 'заинтересовать поведение электрического поля в какой-либо точке пространства. Оно быстро , и сильно меняется, так как около этой точки то проходят ионы, то проносятся электроны. Можно рассчитать быстроту этих изменений, можно рассчитать среднее значение поля. Плазма с огромной точностью удовлетворяет условию нейтральности. Строгость требует, чтобы мы пользовались словом «квазинейтральность», т. е. почти нейтральность. Но что означает это «почти»?
Довольно несложный расчет показывает вот что. Проведем в плазме отрезок длиной в один сантиметр. Подсчитаем когіЬ;ентрацию электронов и ионов в каждой точке этого отрезка. Квазинейтральность означает, что эти концентрации должны быть «почти» равными. А теперь представим себе, что в одном кубическом сантиметре имеется «лишняя» доля электронов, которая не нейтрализуется положительными- ионами. Окажется, что при плотности частиц, равной плотности атмосферного воздуха у поверхности Земли, на отрезке, который мы рассматриваем, образуется поле около 1000 В/см, если различие концентраций ионов и электронов будет равно одной миллиардной доле процента! Вот, что означает слово «почти».
Но даже . и это ничтожное, нарушение равенства зарядов дву? знаков будет длиться кратчайшее мгновение. . Образовавшееся поле будет выталкивать лишние частицы. Этот автоматизм действует уже для областей, измеряемых тысячными долями сантиметра.
