Академик В. ФОРТОВ, директор Института теплофизики экстремальных состояний Российской академии наук.
В апреле 2005 года академик Владимир Евгеньевич Фортов получил престижную международную награду - золотую медаль имени Альберта Эйнштейна, присужденную ему за выдающийся вклад в развитие физической науки и международного научного сотрудничества. Научные интересы академика Фортова лежат в области физики экстремальных состояний вещества, включая плазму. Если не считать темную материю, плазма - самое распространенное состояние вещества в природе: по оценкам, в этом состоянии находится примерно 95% обычной материи во Вселенной. Звезды - это сгустки плазмы, ионизованного газа с температурой в десятки и сотни миллионов градусов. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна. Плазма излучает свет в электроразрядных лампах, создает цветное изображение в плазменных панелях. В плазменных реакторах потоки плазмы используют для производства микросхем, упрочнения металлов и очистки поверхностей. Плазменные установки перерабатывают отходы и производят энергию. Физика плазмы - активно развивающаяся область науки, в которой по сей день совершаются удивительные открытия, наблюдаются необычные явления, требующие понимания и объяснения. Одно из интереснейших явлений, обнаруженных недавно в низкотемпературной плазме, - образование "плазменного кристалла", то есть пространственно-упорядоченной структуры из мелкодисперсных частиц - плазменной пыли.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Космонавты С. Крикалев и Ю. Гидзенко устанавливают аппаратуру "Плазменный кристалл" на МКС (2001 г.).
ЧТО ТАКОЕ ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА?
Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий пылинки - частицы твердого вещества. Такая плазма часто встречается в космосе: в планетных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках. Она обнаружена вблизи искусственных спутников Земли и в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием, а также в плазменных реакторах, дугах, разрядах.
В лабораторных условиях пылевую плазму впервые получил американец Ирвинг Лэнгмюр еще в 20-х годах прошлого века. Однако активно изучать ее начали лишь в последнее десятилетие. Повышенный интерес к свойствам пылевой плазмы возник с развитием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, а также производства тонких пленок и наночастиц. Наличие твердых частиц, которые попадают в плазму в результате разрушения электродов и стенок разрядной камеры, не только приводит к загрязнению поверхности полупроводниковых микросхем, но и возмущает плазму, зачастую непредсказуемым образом. Чтобы уменьшить или предотвратить эти негативные явления, необходимо разобраться в том, как идут процессы образования и роста конденсированных частиц в газоразрядной плазме и как плазменные пылинки влияют на свойства разряда.
ПЛАЗМЕННЫЙ КРИСТАЛЛ
Размеры пылевых частиц относительно велики - от долей микрона до нескольких десятков, иногда сотен микрон. Их заряд может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию. Получается плазма, которую называют сильнонеидеальной, поскольку ее поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).
Теоретические расчеты равновесных свойств пылевой плазмы показывают, что при некоторых условиях сильное электростатическое взаимодействие "берет верх" над низкой тепловой энергией и заставляет заряженные частицы выстраиваться в пространстве определенным образом. Образуется упорядоченная структура, которая получила название кулоновского или плазменного кристалла. Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твердом теле. Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.
Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооруженным глазом. В ранних экспериментах образование кристаллических структур регистрировали в системе заряженных частиц железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых переменным и статическим электрическими полями. В более поздних работах произведены наблюдения кулоновской кристаллизации макрочастиц в слабоионизованной плазме высокочастотного разряда при низком давлении. Энергия электронов в такой плазме составляет несколько электронвольт (эВ), а энергия ионов близка к тепловой энергии атомов, которые имеют комнатную температуру (~ 0,03 эВ). Это связано с тем, что электроны более подвижны и их поток, направленный на нейтральную пылевую частицу, значительно превышает поток ионов. Частица "ловит" электроны и начинает заряжаться отрицательно. Этот накапливающийся отрицательный заряд в свою очередь вызывает отталкивание электронов и притяжение ионов. Заряд частицы меняется до тех пор, пока потоки электронов и ионов на ее поверхности не сравняются. В экспериментах с высокочастотным разрядом заряд пылевых частиц был отрицательным и довольно большим (порядка 10 4 - 10 5 электронных зарядов). Облако заряженных пылевых частиц зависало вблизи поверхности нижнего электрода, поскольку там устанавливалось равновесие между гравитационными и электростатическими силами. При диаметре облака в несколько сантиметров в вертикальном направлении число слоев частиц составляло несколько десятков, а расстояние между частицами - несколько сотен микрометров.
УПОРЯДОЧЕННЫЕ СТРУКТУРЫ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ...
В Институте теплофизики экстремальных состояний РАН (ИТЭС РАН) с 1991 года изучают пылевую плазму и создают разнообразные методы ее диагностики. Исследована пылевая плазма разных видов: термическая плазма, газоразрядная плазма тлеющего и высокочастот ного разрядов, фотоэмиссионная и ядерно-возбуждаемая плазма.
Термическая плазма, образующаяся в пламени газовой горелки при атмосферном давлении, имеет температуру от 1700 до 2200 К, причем температуры электронов, ионов и нейтральных частиц в ней равны. В потоке такой плазмы изучали поведение частиц диоксида церия (CeO 2). Особенность этого вещества в том, что электроны довольно легко улетают с его поверхности - работа выхода электрона составляет всего около 2,75 эВ. Поэтому пылевые частицы заряжаются как потоками электронов и ионов из плазмы, так и за счет термоэлектронной эмиссии - испусканием электронов нагретой частицей, что создает положительный заряд.
Пространственные структуры макрочастиц анализировали при помощи лазерного излучения, дающего корреляционную функцию g(r) , смысл которой состоит в следующем. Если зафиксировать расположение в пространстве одной из частиц, то функция показывает вероятность нахождения любой другой частицы на расстоянии r от данной. А это позволяет сделать вывод о пространственном расположении частиц - хаотическом или упорядоченном, характерном для жидкостных и кристаллических структур.
Типичные корреляционные функции g(r) для частиц CeO 2 в аэрозольной струе при комнатной температуре и в плазме представлены на илл. 1. При высокой температуре плазмы (2170 K) и невысокой концентрации макрочастиц (б) корреляционная функция имеет почти такой же вид, как для струи обычного аэрозоля при комнатной температуре (а). Это означает, что частицы в плазме взаимодействуют слабо и образования упорядоченных структур не происходит. При меньшей температуре плазмы (1700 К) и более высокой концентрации частиц корреляционная функция принимает вид, характерный для жидкости: есть ярко выраженный максимум, что свидетельствует о наличии ближнего порядка в расположении частиц (в). В этом эксперименте положительный заряд частиц составлял величину около 1000 зарядов электрона. Относительно слабую упорядоченность структуры можно объяснить малым временем существования плазмы (около 20 тысячных долей секунды), за которое процесс формирования плазменного кристалла не успевает завершиться.
... И ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ
В термической плазме температура всех частиц одинакова, а в плазме тлеющего газового разряда ситуация иная - электронная температура много больше ионной. Это создает предпосылки для возникновения упорядоченных структур пылевой плазмы - плазменных кристаллов.
В тлеющем газовом разряде при определенных условиях возникают стоячие страты - неподвижные зоны неравномерной светимости, регулярно чередующиеся с темными промежутками. Концентрация электронов и электрическое поле сильно неоднородны по длине страты. Поэтому в голове каждой страты образуется электростатическая ловушка, которая при вертикальном положении разрядной трубки способна удержать мелкодисперсные частицы в области положительного столба разряда.
Процесс формирования структуры выглядит следующим образом: высыпанные из контейнера в разряд микронные частицы заряжаются в плазме и выстраиваются в структуру, сохраняющуюся сколь угодно долго при неизменных параметрах разряда. Лазерный луч подсвечивает частицы в горизонтальной или вертикальной плоскости (илл. 2). Образование пространственной структуры фиксирует видеокамера. Отдельные частицы можно видеть невооруженным глазом. В эксперименте использовали частицы нескольких типов - полые микросферы из боросиликатного стекла и частицы меламинформальдегида диаметром от одного до ста микрометров.
В центре страты образуется пылевое облако диаметром до нескольких десятков миллиметров. Частицы располагаются в горизонтальных слоях, образуя гексагональные структуры (илл. 3а). Расстояния между слоями составляют от 250 до 400 мкм, расстояния между частицами в горизонтальной плоскости - от 350 до 600 мкм. Функция распределения частиц g(r) имеет несколько ярко выраженных максимумов, что подтверждает существование дальнего порядка в расположении частиц и означает формирование кристаллической структуры, хотя плазменные пылевые кристаллы хорошо видны и невооруженным глазом.
Изменяя параметры разряда, можно влиять на форму облака частиц и даже наблюдать переход из кристаллического состояния в жидкость ("плавление" кристалла) и затем в газ. Используя несферические частицы - нейлоновые цилиндры длиной 200-300 мкм, - удалось получить также структуру, подобную жидкому кристаллу (илл. 4).
ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА В КОСМОСЕ
На Земле дальнейшему изучению плазменных кристаллов мешает сила тяжести. Поэтому было решено начать эксперименты в космосе, в условиях микрогравитации.
Первый эксперимент провели космонавты А. Я. Соловьев и П. В. Виноградов на российском орбитальном комплексе "Мир" в январе 1998 года. Им предстояло изучить образование упорядоченных плазменно-пылевых структур в невесомости под действием солнечного света.
В стеклянных ампулах, заполненных неоном, находились сферические частицы бронзы с цезиевым покрытием при давлениях 0,01 и 40 Торр. Ампулу устанавливали возле иллюминатора, встряхивали и регистрировали с помощью видеокамеры движение частиц, подсвеченных лазером. Наблюдения показали, что вначале частицы движутся хаотически, а затем появляется направленное движение, которое связано с диффузией плазмы на стенки ампулы.
Обнаружился еще один интересный факт: через несколько секунд после встряхивания ампулы частицы начинали слипаться, образуя агломераты. Под действием солнечного света агломераты распадались. Агломерация может быть связана с тем, что в начальные моменты освещения частицы приобретают разноименные заряды: положительные - за счет эмиссии фотоэлектронов, отрицательные - заряжаясь потоками плазменных электронов, эмитированных с других частиц, - и разноименно заряженные частицы слипаются друг с другом.
Анализируя поведение макрочастиц, можно оценить величину их заряда (около 1000 зарядов электрона). В большинстве случаев частицы образовывали только жидкостную структуру, хотя иногда и возникали кристаллы.
В начале 1998 года было принято решение о проведении совместного российско-германского эксперимента "Плазменный кристалл" на борту российского сегмента Международной космической станции (PC MKC). Постановку и подготовку эксперимента осуществляли ученые Института теплофизики экстремальных состояний РАН с участием Института внеземной физики Макса Планка (Германия) и Ракетно-космической корпорации "Энергия".
Основным элементом аппаратуры служит вакуумная плазменная камера (илл. 5), состоящая из двух стальных квадратных пластин и стеклянных вставок квадратного сечения. На каждой из пластин смонтированы дисковые электроды для создания высокочастотного разряда. В электроды встроены устройства для инжекции пылевых частиц в плазму. Вся оптическая система, включая две цифровые камеры и два полупроводниковых лазера для подсветки облака частиц, установлена на подвижной плите, которую можно перемещать, сканируя плазменно-пылевую структуру.
Были разработаны и изготовлены два комплекта аппаратуры: технологический (он же тренировоч ный) и полетный. В феврале 2001 года, после испытаний и предполетной подготовки на Байконуре, летный комплект доставили на служебный модуль российского сегмента МКС.
Первый эксперимент с частицами из меламинформальдегида выполнен в 2001 году. Ожидания ученых оправдались: впервые было обнаружено формирование трехмерных упорядоченных сильнозаряженных частиц микронного размера с большим параметром неидеальности - трехмерных плазменных кристаллов с гранецентрированной и объемно-центрированной решетками (илл. 7).
Возможность получать и исследовать плазменные образования различной конфигурации и протяженности возрастает, если использовать высокочастотный индукционный разряд. В области между однородной плазмой и ограничивающей ее стенкой или окружающим нейтральным газом можно ожидать левитации (зависания) как отдельных заряженных макрочастиц, так и их ансамблей. В цилиндрических стеклянных трубках, где разряд возбуждается кольцевым электродом, над плазменным образованием зависает большое число частиц. В зависимости от давления и мощности возникают либо устойчивые кристаллические структуры, либо структуры с колеблющимися частицами, либо конвективные потоки частиц. При использовании плоского электрода частицы зависают над дном наполненной неоном колбы и образуют упорядоченную структуру - плазменный кристалл. Пока что такие эксперименты проводятся в лабораториях на Земле и в условиях параболического полета, но в перспективе и эту аппаратуру планирует ся установить на МКС.
Уникальные свойства плазменных кристаллов (простота получения, наблюдения и контроля за параметрами, а также малые времена релаксации к равновесию и отклика на внешние возмущения) делают их прекрасным объектом при исследовании как свойств сильно неидеальной плазмы, так и фундаментальных свойств кристаллов. Результаты могут быть использованы для моделирования реальных атомарных или молекулярных кристаллов и изучения физических процессов с их участием.
Структуры макрочастиц в плазме - хороший инструмент и для прикладных задач, связанных с микроэлектроникой, в частности с удалением нежелательных частиц пыли при производстве микросхем, с конструированием и синтезом малого кристалла - нанокристалла, нанокластера, при плазменном напылении, с сепарацией частиц по размерам, разработкой новых высокоэффективных источников света, созданием электрических ядерных батарей и лазеров, рабочим телом в которых являются частицы радиоактивного вещества.
Наконец, вполне реально создание технологий, которые позволят осуществлять контролируемое осаждение взвешенных в плазме частиц на подложку и тем самым создавать покрытия с особыми свойствами, в том числе пористые и композитные, а также формировать частицы с многослойным покрытием из материалов с различными свойствами.
Возникают интересные задачи в микробиологии, медицине, экологии. Список возможного применения пылевой плазмы непрерывно расширяется.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Корреляционная функция g(r) показывает, с какой вероятностью можно найти другую частицу на расстоянии r от данной. Для частиц CeO 2 в воздушной струе при комнатной температуре 300 К (а) и в плазме при температуре 2170 К (б) функция указывает на хаотичное распределение частиц. В плазме при температуре 1700 К (в) функция имеет максимум, то есть возникает структура, подобная жидкости.
Илл. 2. Установка для исследования пылевой плазмы в тлеющем разряде постоянного тока представляет собой вертикально ориентированную трубку, заполненную неоном при низком давлении, в которой создается тлеющий разряд. При определенных условиях в разряде наблюдаются стоячие страты - неподвижные зоны неравномерной светимости. Пылевые частицы содержатся в контейнере с сетчатым дном над областью разряда. При встряхивании контейнера частицы падают вниз и зависают в стратах, образуя упорядоченные структуры. Чтобы пыль была видна, ее подсвечивают плоским лазерным лучом. Рассеянный свет регистрируется видеокамерой. На экране монитора - видеоизображение плазменно-пылевых структур, полученное при освещении пылевых частиц лазерным пучком в зеленой области спектра.
Илл. 3. В тлеющем разряде возникает упорядоченная пылевая структура (а), которой соответствует корреляционная функция g(r) с несколькими выраженными максимума ми, характерными для кристалла (б).
Илл. 4. Удлиненные пылевые частицы (имеющие форму цилиндра) выстраиваются параллельно некоторой общей оси. Такое состояние называют плазменным жидким кристаллом по аналогии с молекулярными жидкими кристаллами, где имеется выделенное направление в ориентации длинных молекул.
Илл. 5. Вакуумная плазменная камера для изучения пылевой плазмы на Международной космической станции (МКС).
Илл. 6. В Институте теплофизики экстремальных состояний РАН сконструирована специальная установка для изучения плазменных кристаллов в высокочастотном разряде низкого давления. Кристаллическая структура хорошо видна при освещении пылевых частиц лазерными пучками в зеленой и красной областях спектра.
Илл. 7. Структуры пылевых частиц в трех горизонтальных слоях плазменно -пылевого образования: с объемно-центриро ванной решеткой (вверху), гранецентрированной решеткой (в центре) и с гексагональной плотной упаковкой (внизу).
КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА
КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА
-
плазма
в космич. пространстве и космич. объектах. К. п. условно можно разделить по предметам исследований: околопланетная, межпланетная , плазма звёзд и звёздных атмосфер, плазма квазаров и галактич. ядер, межзвёздная и межгалактич. плазма. Указанные типы К. п. различаются своими параметрами (ср. плотностями п,
ср. энергиями частиц и т. п.), а также состояниями: термодинамически равновесными, частично или полностью неравновесными.
Межпланетная К. п.
Состояние околопланетной плазмы, а также структура занимаемого ею пространства зависят от наличия собственного магн. поля у планеты и её удалённости от Солнца. Магн. планеты существенно увеличивает область удержания околопланетной плазмы, образуя естественные магнитные ловушки.
Поэтому область удержания околопланетной плазмы является неоднородной. Большую роль в формировании околопланетной плазмы играют потоки солнечной плазмы, двигающиеся практически ради-ально от Солнца (т. н. солнечный ветер),
плотности к-рых падают с расстоянием от Солнца. Непосредственные измерения плотности частиц солнечного ветра вблизи Земли с помощью космич. аппаратов дают значения п
(1-10) см -3 . Плазма околоземного космич. пространства обычно разделяется на плазму ионосферы,
имеющую п
до 10 5 см -3 на высотах 350 км, плазму радиационных поясов
Земли ( п
10 7 см -3) и магнитосферы Земли
;вплоть до неск.
радиусов Земли простирается т. н. плазмосфера, плотность к-рой п
10 2 см -3 .
Особенность плазмы верх. ионосферы, радиац. поясов и магнитосферы в том, что она является бесстолкновительной, т. е. пространственно-временные масштабы волновых и колебат. процессов в ней намного меньше столкновительных. Релаксация по энергиям и импульсам протекает не за счёт столкновений, а через коллективных степеней свободы плазмы - колебаний и волн. В плазме подобного типа, как правило, отсутствует термодинамич. равновесие, в частности между электронной и ионной компонентами. Быстропротекающие в них, напр. ударные , также определяются возбуждением мелкомасштабных колебаний и волн. Характерным примером является бесстолкновительная , образующаяся при обтекании солнечным ветром магнитосферы Земли.
Звёздная К. п.
Солнце и можно рассматривать как гигантские сгустки К. п. с плотностью, постоянно возрастающей от внеш. частей к центру: корона, хромосфера, фотосфера , конвективная зона, ядро. В т. н. нормальных звёздах высокие темп-ры обеспечивают термич. ионизацию вещества и переход его в состояние плазмы. Высокое плазмы поддерживает гидростатич. равновесие. Макс. расчётная плотность К. п. в центре нормальных звёзд п
10 24 см -3 , темп-pa до 10 9 К. Несмотря на высокие плотности, плазма здесь обычно идеальная за счёт высоких темп-р; только в звёздах с малыми массами (0.5 массы Солнца) появляются эффекты, связанные с неидеальностью плазмы. В центр. областях нормальных звёзд длины свободного пробега частиц малы, поэтому плазма в них столкновительная, равновесная; в верх. слоях, в особенности хромосфере и короне, плазма бесстолкновительная. (Эти расчётные модели основаны на ур-ниях магнитной гидродинамики.
)
В массивных и компактных звёздах плотность К. п. может быть на неск. порядков выше, чем в центре нормальных звёзд. Так, в белых карликах
плотность настолько велика, что электроны оказываются вырожденными (см. Вырожденный газ).
Ионизация вещества обеспечивается за счёт большой величины кинетич. энергии частиц, определяемой фер ми-энергией
;.
это же является причиной идеальности К. п. в белых карликах. Статич. равновесие обеспечивается фермиевским давлением электронов вырожденной плазмы. Ещё большие плотности вещества, возникающие в нейтронных звёздах, приводят к вырождению не только электронов, но и нуклонов. К нейтронным звёздам относятся - компактные звёзды, имеющие диаметры 20 км при массе 1 М
.
Пульсары характеризуются быстрым вращением (играющим важную роль в механич. равновесии звезды) и магн. полем дипольного типа (10 12 Гс на поверхности), причём магн. ось не обязательно совпадает с осью вращения. Пульсары обладают магнитосферой, заполненной релятивистской плазмой, к-рая является источником излучения эл.-магн. волн.
Диапазон темп-р и плотностей К. п. огромен. На рис. схематически показано разнообразие видов плазмы и их примерное расположение на диаграмме температура-плотность. Как видно из диаграммы, последовательность в уменьшении плотности К. п. приблизительно такова: плазма звёзд, околопланетная плазма, плазма квазаров и галактич. ядер, межпланетная плазма, межзвёздная и межгалактич. плазма. За исключением плазмы ядер звёзд и ниж. слоев околопланетной плазмы, К. п. является бесстолкновительной. Поэтому она часто бывает термодинамически неравновесной, а ф-ции распределения составляющих её заряж. частиц по скоростям и энергиям далеки от максвелловских. В частности, они могут содержать пики, соответствующие отд. пучкам заряж. частиц, быть анизотропными, в особенности в магн. космич. полях, и т. п. Такая плазма "избавляется" от неравновесности не через столкновения, а наиб. быстрым путём - через возбуждение эл.-магн. колебаний и волн (см. Бесстолкновительные ударные волны).
Это приводит к тому, что излучения космич. объектов, содержащих бесстолкновительную плазму, намного превосходит мощность равновесного излучения, а заметно отличается от планковского. Примером является квазаров,
к-рое и в радио- и в оптич. диапазоне имеет неравновесный характер. И, несмотря на неоднозначность теоретич. интерпретации наблюдаемого излучения, все теории указывают на важность роли потоков релятивистских электронов, распространяющихся на фоне основной плазмы.
Др. источник неравновесного радиоизлучения - радиогалактики,
к-рые по размерам значительно превосходят галактики, видимые в оптич. диапазоне. Здесь также важную роль играют релятивистские электроны, выбрасываемые из галактик и распространяющиеся на фоне окружающей галактики плазмы. Неравновесность магнитосферной плазмы, проявляющаяся также в наличии пучков заряж. частиц, приводит к километровому радиоизлучению Земли.
Классификация видов плазмы: ГР - плазма газового разряда; МГД - плазма в магни-тогидродинамичес-них генераторах; ТЯП-М - плазма в термоядерных магнитных ловушках; ТЯП-Л - плазма в условиях лазерного термоядерного синтеза: ЭГМ - в металлах; ЭДП - электронно-дырочная плазма в полупроводниках; БК- вырожденный электронный в белых карликах; И - плазма ионосферы; СВ - плазма солнечного ветра; СК - плазма солнечной короны; С - плазма в центре Солнца; МП - плазма в магнитосферах пульсаров.
Неравновесные плазменные явления приводят также к тому, что плазма не только мощно излучает, но и становится турбулентной за счёт того, что определ. типы возбуждаемых волн и колебаний либо "задерживаются" в плазме долго либо вообще не могут "покинуть" плазму (напр., ленгмюровские ). Это позволяет найти путь для решения проблемы т. н. "обойдённых" элементов в теории происхождения элементов во Вселенной. Наиб. распространённая теория происхождения элементов предполагает, что из исходных протонов и нейтронов образуются путём последоват. захвата нейтронов, а когда новый изотоп перегружен нейтронами, то в результате его радиоактивного распада с испусканием электрона и возникает новый элемент. Однако есть "обойдённые" элементы (напр., литий, бор и т. д.), образование к-рых нельзя объяснить захватом нейтронов; их происхождение, возможно, связано с ускорением заряж. частиц в областях с высокой степенью плазменной турбулентности и последующими ядерными реакциями ускоренных частиц.
К. п. удалённых объектов исследуется дистанционными спектральными методами с помощью оптич. телескопов, радиотелескопов, внеатмосферных спутниковых телескопов в рентгеновском и g-диапазонах излучения. С помощью приборов, установленных на ракетах, спутниках и космич. аппаратах, быстро расширяется диапазон прямых измерении параметров К. п. в пределах Солнечной системы. Эти методы включают в себя использование зондовых, волновых низко- и высокочастотных спектрометрич. измерений, измерений магн. и электрич. полей (см. Диагностика плазмы).
Так были обнаружены радиац. пояса Земли, бесстолкновительная ударная волна впереди магнитосферы Земли, хвост магнитосферы, километровое излучение Земли, магнитосферы планет от Меркурия до Сатурна и т. д.
Совр. космич. техника позволяет проводить т. н. активные эксперименты в космосе - активно воздействовать на К. п., в первую очередь околоземную, радиоизлучениями, пучками заряж. частиц, плазменными сгустками и т. п. Эти методы используются для диагностики, моделирования естеств. процессов в реальных условиях, инициирования естеств. явлений (напр., полярных сияний).
Типы К. п. в космологии. По coвp. представлениям, Вселенная возникла во т. н. большого взрыва (big-bang). В период разлёта вещества (расширяющаяся Вселенная), помимо гравитации, определяющей разлёт, три остальных типа взаимодействия (сильное, слабое и эл.-магнитное) вносят свой вклад в плазменные явления на разных стадиях разлёта. При чрезвычайно высоких темп-pax, характерных для ранних стадий разлёта, такие частицы, как, напр., W +- и Z 0 -бозоны, ответственные за слабые взаимодействия,
были безмассовыми, как и фотоны ( эл.-магн. и слабых взаимодействий). Это означает, что являлось дальнодействующим, в к-ром аналогом самосогласованному эл.-магн. полю было Янга - Миллса поле.
Т. о., вся лептонная компонента вещества находилась в состоянии плазмы. Учитывая имеющуюся в стандартной модели связь времени разлёта t
и темп-ры термодинамически равновесного вещества Т
: t(c
)1/T
2 .
(темп-pa в МэВ), можно оценить время, в течение к-poro существовала такая лептонная плазма. При темп-pax Т,
приближающихся к энергии покоя Z 0 -бозона Mz
с 2 100 ГэВ (соответствующее время t
10 -10 с), происходит со спонтанным нарушением симметрии
слабых и эл.-магн. взаимодействий, приводящий к появлению масс у W +-
и Z 0 -бoзонoв, после чего лишь заряженные взаимодействуют с помощью только одних дальнодействующих сил - электромагнитных.
Адронная (сильно взаимодействующая) компонента вещества при столь высоких темп-pax также находится в своеобразном плазменном состоянии, наз. кваркглюонной плазмой.
Здесь между кварками осуществляется также безмассовыми глюонными полями. При плотностях горячей кварк-глюонной плазмы ( п
Т 3
)со ср. расстоянием между элементарными частицами 10 -13 см - радиус нуклона (при этом Т
100 МэВ) кварк-глюонная плазма является идеальной и может быть бесстолкновительной. При дальнейшем остывании Вселенной, когда за время t
10 -4 с темп-pa падает до T
100 МэВ (энергии покоя -мезонов), происходит новый фазовый переход: кварк-глюонная плазма - адронное (характеризующееся короткодействием с радиусом взаимодействия 10 -13 см). Это вещество состоит из стабильных нуклонов и быстро распадающихся адронов. Общее состояние К. п. в последующий затем период определяется заряж. лептонной (в основном элект-ронно-позитронной) компонентой, т. к. во Вселенной сохраняется отношение полного барионного заряда к лептонному и само это отношение весьма мало (10 -9). В итоге при малых временах (t
1 с) К. п. является ультрарелятивистской и в основном электронно-позитронной. В момент времени t
1 с темп-pa электронно-позитронной плазмы падает до 1 МэВ и ниже, при этом начинается интенсивная аннигиляция электронно-позитронных , после чего К. п. медленно приближалась к совр. состоянию, мало меняясь по составу элементарных частиц.
Лит.: Пикельнер С. Б., Основы космической электродинамики, 2 изд., М., 1966; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная
Задумывались ли Вы когда-нибудь над тем, что содержится в межзвёздном или в межгалактическом пространстве? В космосе абсолютный физический вакуум, а стало быть ничего не содержится. И Вы будете правы, потому что в среднем в межзвёздном пространстве около 1000 атомов на кубический сантиметр и на очень огромных расстояниях плотность вещества ничтожно мала. Но тут не всё так просто и однозначно. Пространственное распределение межзвёздной среды нетривиально. Помимо общегалактических структур, таких как перемычка (бар) и спиральные рукава галактик, есть и отдельные холодные и тёплые облака, окружённые более горячим газом. В межзвёздной среде (МЗС) огромное количество стуктур: гигантские молекулярные облака, отражательные туманности, протопланетные туманности, планетарные туманности, глобулы и т. д. Это приводит к широкому спектру наблюдательных проявлений и процессов, происходящих в среде. Далее списком перечисляются стуктуры, присутствующие в МЗС:
- Корональный газ
- Яркие области HII
- Зоны HII низкой плотности
- Межоблачная среда
- Тёплые области HI
- Мазерные конденсации
- Облака HI
- Гигантские молекулярные облака
- Молекулярные облака
- Глобулы
Мы не будем сейчас вдаваться в подробности что есть каждая структура, так как тема данной публикации - плазма. К плазматическим структрам можно отнести: корональный газ, яркие области HII, Тёплые области HI, Облака HI, т.е. практически весь список можно назвать плазмой. Но, возразите Вы, космос физический вакуум, и как же там может быть плазма с такой концентрацией частиц?
Чтобы ответить на данный вопрос, надо дать определение: что же такое плазма и по каким параметрам физики считают данное состояние вещества плазмой?
Согласно современным представлениям о плазме, это четвёртое состояние вещества, которое находится в газообразном состоянии, сильно ионизированное (первое состояние - твёрдое тело, второе - жидкое состояние и наконец третье - газообразное). Но не каждый газ, даже ионизированный, является плазмой.
Плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами являются положительные ионы и дырки(плазма твёрдого тела), а отрицательно заряженными частицами - электроны и отрицательные ионы. Прежде всего необходимо знать концентрации того или иного сорта частиц. Плазма считается слабо ионизированная, если так называемая степень ионизации, равная
$$display$$r = N_e/N_n$$display$$
$inline$N_e$inline$
Концентрация электронов,
$inline$N_n$inline$
Концентрация всех нейтральных частиц в плазме, лежит в диапазоне
$inline$(r . А полностью ионизированная плазма имеет степень ионизации $inline$r to infty$inline$
Но как было сказанно выше, что не всякий ионизованный газ представляет собой плазму. Необходимо чтобы плазма обладала свойством квазинейтральности , т.е. в среднем за достаточно большие промежутки времени и на достаточно больших расстояниях плазма была в целом нейтральная. Но каковы эти промежутки времени и расстояния, при котором газ можно считать плазмой?
Итак, требование квазинейтральности следующее:
$$display$$sum_{alpha}e_{alpha}N_{alpha} = 0$$display$$
Давайте сначала выясним, как физики оценивают временной масштаб разделения зарядов. Представим себе, что некоторый электрон в плазме отклонился от своего первоначального равновесного положения в пространстве. На электрон начинает действовать кулоновская сила , стремящаяся вернуть электрон в равновесное состояние, т.е.
$inline$F approx e^2/{r^2}_{ср}$inline$
$inline$r_{ср}$inline$
Среднее расстояние между электронами. Это расстояние примерно оценивается следующим образом. Допустим концентрация электронов (т.е. количество электронов в единице объёма) есть
$inline$N_e$inline$
Электроны находятся в среднем на расстоянии друг друга
$inline$r_{ср}$inline$
Значит занимают объём в среднем
$inline$V = frac{4}{3}pi r_{ср}^3$inline$
Отсюда, если в этом объёме 1 электрон,
$inline$r_{ср} = (frac{3}{4pi N_e})^{1/3}$inline$
В результате электрон начнёт колебаться около равновесного положения с частотой
$$display$$omega approx sqrt{frac{F}{mr_{ср}}} approx sqrt{frac{4pi e^2 N_e}{3m}}$$display$$
Более точная формула
$$display$$omega_{Le} = sqrt{frac{4pi e^2 N_e}{m}}$$display$$
Эта частота называется электронной ленгмюровской частотой . Её вывел американский химик Ирвин Ленгмюр, лауреат нобелевской премии по химии «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений».
Таким образом естесственно принять за временной масштаб разделения зарядов величину, обратную ленгмюровской частоте
$$display$$tau = 2pi / omega_{Le}$$display$$
В космосе, в огромных масштабах, за отрезки времени
$inline$t >> tau$inline$
частицы совершают много колебаний около равновесного положения и плазма в целом будет квазинейтральная, т.е. по временным масштабам межзвёздную среду можно принять за плазму.
Но также необходимо оценить и пространственные масштабы, чтобы точно показать, что космос - это плазма. Из физических соображений ясно, что этот пространственный масштаб определяется длиной, на которую может сместится возмущение плотности заряженных частиц вследствие их теплового движения за время, равное периоду плазменных колебаний. Таким образом, пространнственный масштаб равен
$$display$$r_{De} approx frac{upsilon_{Te}}{omega_{Le}} = sqrt{frac{kT_e}{4pi e^2 N_e}}$$display$$
$inline$upsilon_{Te} = sqrt{frac{kT_e}{m}}$inline$
Откуда взялась эта замечательная формула, спросите Вы. Будем рассуждать так. Электроны в плазме при равновесной температуре термостата постоянно двигаются с кинетической энергией
$inline$E_k = frac{m upsilon^2}{2}$inline$
С другой стороны, из статистической термодинамики известен закон равномерного распределения энергии, и в среднем на каждую частицу приходится
$inline$E = frac{1}{2} kT_e$inline$
Если сравнять эти две энергии, то мы получим формулу скорости, представленную выше.
Итак, мы получили длину, которую в физике называют электронный дебаевский радиус или длина .
Сейчас я покажу более строгий вывод уравнения Дебая. Опять представим себе N электронов, которые под действием электрического поля смещаются на некоторую величину. При этом образуется слой объёмного заряда с плотностью равной
$inline$sum e_j n_j$inline$
$inline$e_j$inline$
Заряд электрона,
$inline$n_j$inline$
Концентрация электронов. Из электростатики хорошо известна формула Пуассона
$$display$$bigtriangledown^2 phi({r}) = – frac{1}{epsilon epsilon_0} sum e_j n_j$$display$$
$inline$epsilon$inline$
Диэлектрическая проницаемость среды. С другой стороны электроны двигаются за счёт теплового движения и электроны распределяются согласно распределению Больцмана
$$display$$n_j ({r}) = n_0 exp(- frac{e_j phi({r})}{kT_e})$$display$$
Подставим уравнение Больцмана в уравнение Пуассона, получим
$$display$$bigtriangledown^2 phi({r}) = – frac{1}{epsilon epsilon_0} sum e_j n_0 exp(- frac{e_j phi({r})}{kT_e})$$display$$
Это уравнение Пуассона-Больцмана. Разложим экспоненту в этом уравнении в ряд Тейлора и отбросим величины второго порядка и выше.
$$display$$exp(- frac{e_j phi({r})}{kT_e}) = 1 – frac{e_j phi({r})}{kT_e}$$display$$
Подставим это разложение в уравнение Пуассона-Больцмана и получим
$$display$$bigtriangledown^2 phi({r}) = (sum frac{n_{0j} e_{j}^2}{epsilon epsilon_0 kT_e}) phi({r}) – frac{1}{epsilon epsilon_0} sum n_{0j} e_{j}$$display$$
Это и есть уравнение Дебая. Более точное название - уравнение Дебая-Хюккеля. Как мы выяснили выше, в плазме, как в квазинейтральной среде, второе слагаемое в этом уравнении равно нулю. В первом слагаемом мы по сути имеем длину Дебая .
В межзвёздной среде дебаевская длина равна около 10 метров, в межгалактической среде около
$inline$10^5$inline$
метров. Мы видим что это достаточно большие величины, по сравнению например с диэлектриками. Это означает что электрическое поле распространяется без затухания на эти расстояния, распределяя заряды в объёмные заряженные слои, частицы которых колеблются около положений равновесия, с частотой равной ленгмюровской.
Из этой статьи мы узнали две фундаментальные величины, которые определяют является ли космическая среда плазмой, несмотря на то, что плотность этой среды предельно мала и космос в целом является физическим вакуумом в макроскопических масштабах. В локальных масштабах мы имеем как газ, пыль, либо плазму
С начала 1990-х годов повышенный интерес у физиков стала вызывать так называемая пылевая плазма, отличающаяся от плазмы обычной присутствием в ней относительно крупных (в сравнении с размерами ионов) микрочастиц-пылинок диаметром от 10 до 100 нанометров. Интерес ученых возник поневоле, поскольку пыль в плазме существенно портила тонкие технологические процессы плазменного травления, применяемые в производстве микрочипов. Углубленное же изучение проблемы показало, что одноименно заряженные микрочастицы, находящиеся в потоке плазмы, вопреки интуиции и законам физики не разлетаются в стороны, а притягиваются друг к другу, образуя крупные комки и загрязняя чистоту обработки.
Более тщательное изучение проблемы - эксперименты на земле и в условиях микрогравитации на борту Международной космической станции, компьютерное моделирование - привело исследователей к выводу о том, что пылевая плазма в плазменных потоках представляет собой совершенно особое состояние вещества. Одна из важнейших особенностей данного состояния - это постоянно идущие в нем сильные процессы диссипации, т.е. энергетических обменов с внешней средой, обеспечивающие образование самоорганизующихся структур. При этом плазменные потоки и электрические поля создают для пыли весьма специфические условия, обеспечивающие притяжение одноименно заряженных пылевых частиц на больших расстояниях. При подходящих условиях естественным следствием этих процессов может становиться образование в плазме устойчивых «пылевых кристаллов».
Эксперименты такого рода в условиях гравитации обычно приводят к формированию плоских кристаллов в виде решетки вихревых конвективных ячеек регулярной структуры. Однако в опытах с компьютерными симуляциями, моделирующими отсутствие силы тяжести, плоский вихрь приобретает цилиндрическую форму, а образующие его пылинки могут самоорганизовываться в структуры одинарной или двойной винтовой спирали. Не заметить сходство с ДНК тут, ясное дело, довольно сложно. И летом 2007 г. в «Новом журнале физики», быстро набравшем популярность и авторитет онлайновом международном издании, была опубликована весьма дискуссионная работа о текущих итогах в изучении плазменно-пылевых кристаллов. Статью подготовили один из патриархов физики плазмы, академик Вадим Н. Цытович, и группа его коллег из институтов России, Германии и Австралии, а итоги ее свелись к выводу об открытии структур, весьма похожих на неорганическую жизнь.
В частности, исследователями установлено, что определенные условия среды, повсеместно обнаруживаемые в космосе, могут приводить к самообразованию спиралевидных структур из частиц пылевой плазмы. При этом в некоторых из таких структур отмечены так называемые бифуркации радиуса, т.е. резко изменяющиеся переходы от одного радиуса винта к другому и обратно, что предоставляет механизм для хранения информации в терминах длины и радиуса секций спирали. Более того, в некоторых компьютерных симуляциях спираль разделялась на две, эффективно воспроизводя саму себя. В других экспериментах две спирали вызывали структурные изменения друг в друге, а некоторые спирали даже демонстрировали эволюцию, с течением времени преобразуясь в более устойчивые структуры…
