Задумывались ли Вы когда-нибудь над тем, что содержится в межзвёздном или в межгалактическом пространстве? В космосе технический вакуум, а стало быть ничего не содержится (не в абсолютном смысле, что ничего не содержится, а в относительном смысле). 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

Где - концентрация электронов, - концентрация всех нейтральных частиц в плазме, лежит в диапазоне . А полностью ионизированная плазма имеет степень ионизации

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:

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. , где - среднее расстояние между электронами. Это расстояние примерно оценивается следующим образом. Допустим концентрация электронов (т.е. количество электронов в единице объёма) есть . Электроны находятся в среднем на расстоянии друг друга , значит занимают объём в среднем . Отсюда, если в этом объёме 1 электрон, . В результате электрон начнёт колебаться около равновесного положения с частотой
Более точная формула
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

В космосе, в огромных масштабах, за отрезки времени 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

где . Откуда взялась эта замечательная формула, спросите Вы. Будем рассуждать так. Электроны в плазме при равновесной температуре термостата постоянно двигаются с кинетической энергией . С другой стороны, из статистической термодинамики известен закон равномерного распределения энергии, и в среднем на каждую частицу приходится . 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 , где - заряд электрона, - концентрация электронов. Из электростатики хорошо известна формула Пуассона

Здесь - диэлектрическая проницаемость среды. С другой стороны электроны двигаются за счёт теплового движения и электроны распределяются согласно распределению Больцмана
Подставим уравнение Больцмана в уравнение Пуассона, получим
Это уравнение Пуассона-Больцмана. Разложим экспоненту в этом уравнении в ряд Тейлора и отбросим величины второго порядка и выше.
Подставим это разложение в уравнение Пуассона-Больцмана и получим
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 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

Теги:

• плазма
• физика
• космос

Добавить метки

Основная особенность физического состояния межзвездной среды (МЗС) ее крайне низкая плотность. Типичные величины - 0.1-1000 атомов в куб. см, и при характерных скоростях молекул около 10 км/с время столкновения между отдельными частицами достигает десятков и тысяч лет. Это время на много порядков превышает характерные времена жизни атомов в возбужденных состояниях (на разрешенных уровнях - порядка с). Следовательно, поглощенный атомом фотон успевает вновь излучаться с возбужденного уровня, вероятность истинного поглощения неионизующих квантов атомами МЗС (когда энергия поглощенного фотона переходит в кинетическую энергию хаотического движения частиц) крайне мала.

Линия поглощения становится различимой на фоне непрерывного спектра (континуума) уже при оптических толщинах в центре линии . Сечение поглощения связано с оптической толщой соотношением где - число атомов на луче зрения. Т.к. поглощающий в линии атом можно представить как гармонический осциллятор с затуханием, то расчет и классический, и квантовомеханический дает для профиля сечения поглощения

(формула Лоренца), где [c] - полная вероятность перехода между атомными уровнями, который отвечает за данную линию поглощения (величина характеризует полуширину линии), , . В оптическом диапазоне A, поэтому в центре линии см 4.1 . По линиям поглощения МЗС, наблюдаемых в спектрах звезд, можно определять примеси с крайне малой концентрацией. Например, взяв расстояние 300 пк см (характерное расстояние до ярких звезд) находим, что по межзвездным линиям поглощения можно определять концентрацию поглощающих атомов см - 1 атом в объеме кубометров!

4.1.1 Отсутствие локального термодинамического равновесия

Прозрачность МЗС для излучения определят важнейшее физическое свойство межзвездной плазмы - отсутствие локального термодинамического равновесия (ЛТР). Напомним, что в условиях полного термодинамического равновесия все прямые и обратные процессы идут с одинаковыми скоростями (т.н. принцип детального баланса) и существует только одно значение температуры, которое определяет физическое состояние среды (локальное ТДР означает, что в каждой точке детальное равновесие существует и поддерживает ТДР, но температура является функцией координат и времени) 4.2 .

Приближение ЛТР отлично работает в случае больших оптических толщин (например, в недрах звезд), причем не-ЛТР эффекты становятся заметными только с (например, в фотосферах звезд, откуда фотоны свободно уходят в пространство).

В межзвездной среде концентрация атомов мала, частиц в куб. см, оптические толщины малы и ЛТР не выполняется. Это связано с тем, что (а) температура излучения в МЗС (в основном, излучение звезд) высока К, а электронная и ионная температуры плазмы определяются столкновениями частиц и могут сильно отличаться от температуры излучения. Распределение атомов и ионов по населенностям уровней определяется балансом процессов ионизации и рекомбинации, однако в отличие от ЛТР, не выполняется принцип детального баланса. Например, в корональном приближении (предел низкой плотности частиц, название происходит от физического состояния плазмы в Солнечной короне) ионизациия атомов производится электронным ударом, а снятие возбуждения - спонтанными излучательными переходами, в зонах HII и в квазарах газ ионизован жестким УФ-излучением центрального источника и населенность уровней определяется процессами излучательной рекомбинации. В этих примерах прямые и обратные элементарные процессы имеют разную природу, поэтому условия далеки от равновесных. Однако даже в очень разреженной космической плазме Максвелловское распределение электронов по скоростям устанавливается (со своей температурой) за время много меньше характерного времени между соударениями частиц из-за дальнодействия кулоновских сил 4.3 поэтому для распределения частиц по энергиям можно пользоваться формулой Больцмана.

4.1.2 Вмороженность магнитного поля

Важнейшей компонентой МЗС, во многом определяюшей ее динамику, является крупномасштабное магнитное поле галактики. Среднее значение магнитного поля Галактики около Гс. В условиях космической плазмы магнитное поле в подавляющем большинстве ситуаций вморожено в среду. Вмороженность магнитного поля в среду означает сохранение магнитного потока через замкнутый проводящий контур при его деформации: . В лабораторных условиях сохранение магнитного потока возникает в средах с высокой проводимостью 4.4 . Однако в условиях космической плазмы более существенны большие характерные размеры рассматриваемых контуров и, соответственно, большие времена затухания магнитного поля по сравнению с временем изучаемого процесса. Покажем это. Рассмотрим объем плазмы , в котором текут токи с плотностью (плотность тока есть сила тока отнесенная к единичной площадке, перпендикулярной направлению тока). В соответствии с уравнениями Максвелла, токи порождают магнитное поле . Ток в плазме с конечной проводимостью затухает из-за Джоулевых потерь, связанных со столкновениями электронов с ионами. Выделяемое тепло в единицу времени в единичном объеме плазмы есть . Магнитная энергия в единице объема есть . Следовательно, характерное время диссипации магнитной энергии в тепло (и соответствующее затухание поля) в объеме с характерным размером определяется как

(эта оценка с точностью до фактора 2 совпадает с точным выражением для времени диффузии магнитного поля в среде с конечной проводимостью). Проводимость плазмы не зависит от плотности и пропорциональна и лежит в пределах ед. СГСЭ (примерно на порядок хуже, чем меди). Однако из-за больших масштабов космической плазмы (астрономическая единица и более) время затухания магнитного поля оказывается больше характерных времен изменения площади, охватываемой рассматриваемыми контурами. Это означает, что поле ведет себя как вмороженное и поток через замкнутый контур сохраняется. При сжатии облака плазмы поперек поля величина магнитного поля возрастает, причем физическая причина возрастания поля - появление ЭДС индукции, препятствующей изменению поля.

Вмороженность магнитного поля в плазму является хорошим приближением практически во всех астрофизических ситуациях (даже при динамических процессах коллапса ядер звезд из-за коротких характерных времен). Однако в малых масштабах это приближение может не выполняться, особенно на масштабах резкого изменения поля. Эти места характеризуются резкими поворотами магнитных силовых линий.

4.1.3 Запрещенные линии

.

Отличительной характеристикой излучения, возникающего в оптически тонкой разреженной среде, является возможность излучения в запрещенных линиях атомов. Запрещенные спектральные линии - линии, образующиеся при переходах в атомах с метастабильных уровней (т.е. запрещенные правилами отбора для электрических дипольных переходов). Характерное время жизни атома в метастабильном состоянии - от c до неск. суток и более. При высоких концентрациях частиц ( в земной атмосфере, см в солнечной фотосфере) столкновения частиц снимают возбуждение атомов и запрещенные линии не наблюдаются.

Действительно, рассмотрим линию, образующуюся при переходе с уровня на уровень с вероятностью перехода (число переходов в единицу времени), выходящую из объема оптически тонкой плазмы. Светимость в линии

(4.1)

Где - энергия одного фотона, , - относительная концентрация иона элемента Х на уровне , - обилие элемента Х относительно водорода. Т.к. вероятность мала, запрещенные линии оказываются чрезвычайно слабыми. В условиях ЛТР заселенность уровня определяется формулой Больцмана и не зависит от концентрации электронов.

В условиях низкой плотности ситуация иная. Рассмотрим, например, корональное приближение , когда ионизация атомов осуществляется только электронными ударами. При Максвелловском распределении по скоростям доля электронов с энергией, достаточной для возбуждения -го уровня . Частота столкновений, приводящая к возбуждению, ( [см/c]- скорость возбуждения атома на -й уровень электронным ударом, отнесенная к единичному объему). Полная вероятность радиативного распада уровня на остальные уровни , и из баланса возбуждения-распада получаем относительную концентрацию

Отсюда видно, что, во-первых, заселенность уровня иона зависит от концентрации электронов . Во-вторых, поскольку , оказывается , чем в равновесном (Больцмановском) случае. Формула для светимости линии в корональном приближении принимает вид

(4.2)

Видно, что (1) и (2) фактор ветвления может быть порядка 1 (например, для нижних возбужденных уровней). Это означает, что мощность излучения как в разрешенных, так и в запрещенных линиях в корональном приближении должна быть одного порядка и зависит от величины

В космич. пространстве и космич. объектах. К. п. условно можно разделить по предметам исследований: околопланетная, межпланетная плазма, 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. поле 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 плотность 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 возбуждение коллективных степеней свободы плазмы - колебаний и волн. В плазме подобного типа, как правило, отсутствует термодинамич. равновесие, в частности между электронной и ионной компонентами. Быстропротекающие процессы в них, напр. ударные волны, также определяются возбуждением мелкомасштабных колебаний и волн. Характерным примером является бесстолкновительная ударная волна, образующаяся при обтекании солнечным ветром магнитосферы Земли.

Звёздная К. п . Солнце и звёзды 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 давление 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 пульсары - 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 мощность излучения космич. объектов, содержащих бесстолкновительную плазму, намного превосходит мощность равновесного излучения, а спектр заметно отличается от планковского. Примером является излучение 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 - электронный газ в металлах; ЭДП - электронно-дырочная плазма в полупроводниках; БК- вырожденный электронный газ 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 колебания). 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 элементы образуются путём последоват. захвата нейтронов, а когда новый изотоп перегружен нейтронами, то в результате его радиоактивного распада с испусканием электрона и антинейтрино возникает новый элемент. Однако есть "обойдённые" элементы (напр., дейтерий, 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, солнечный ветер, 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 cовp. представлениям, Вселенная возникла во время 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 (симметрия эл--магн. и слабых взаимодействий). Это означает, что слабое взаимодействие являлось дальнодействующим, в к-ром аналогом самосогласованному эл--магн. полю было самосогласованное 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 фазовый переход со спонтанным нарушением симметрии слабых и эл--магн. взаимодействий, приводящий к появлению масс у W +- и Z 0 -бозонов, после чего лишь заряженные лептоны 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 взаимодействие 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 вещество (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 пар, 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 физика, пер. с англ., ч. 1-2, М., 1974-75; Арцимович Л. А., Сагдеев Р. 3., Физика плазмы для физиков, М., 1979.

В. Н. Ораевский, Р. 3. Сагдеев .

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 , пер. с англ., ч. 1-2, М., 1974-75; Арцимович Л. А., Сагдеев Р. 3., Физика плазмы для физиков, М., 1979.

В. Н. Ораевский, Р. 3. Сагдеев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

>>Физика: Плазма

Сейчас вы познакомитесь с четвертым состоянием вещества - плазмой. Это состояние не является экзотическим. Подавляющая часть вещества Вселенной находится именно в состоянии плазмы.
При очень низких температурах все вещества находятся в твердом состоянии. Их нагревание вызывает переход веществ из твердого состояния в жидкое. Дальнейшее повышение температуры приводит к превращению жидкостей в газ.
При достаточно больших температурах начинается ионизация газа за счет столкновений быстродвижущихся атомов или молекул. Вещество переходит в новое состояние, называемое плазмой . Плазма - это частично или полностью ионизованный газ, в котором локальные плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой. В зависимости от условий степень ионизации плазмы (отношение числа ионизованных атомов к их полному числу) может быть различной. В полностью ионизованной плазме нейтральных атомов нет.
Наряду с нагреванием, ионизация газа и образование плазмы могут быть вызваны различными излучениями или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными частицами. При этом получается так называемая низкотемпературная плазма .
Свойства плазмы. Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое, четвертое состояние вещества.
Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю.
В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы , сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому, наряду с беспорядочным (тепловым) движением, частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных (коллективных) движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.
Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ее ионизации. При высоких температурах полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.
Плазма в космическом пространстве. В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселенной. Вследствие высокой температуры Солнце и другие звезды состоят в основном из полностью ионизованной плазмы.
Из плазмы состоит и межзвездная среда, заполняющая пространство между звездами и галактиками. Плотность межзвездной среды очень мала - в среднем менее одного атома на 1 см 3 . Ионизация атомов межзвездной среды вызывается излучением звезд и космическими лучами - потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд температура межзвездной плазмы очень мала.
Плазмой окружена и наша планета. Верхний слой атмосферы на высоте 100-300 км представляет собой ионизованный газ - ионосферу . Ионизация воздуха в верхнем слое атмосферы вызывается преимущественно излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Выше ионосферы простираются радиационные пояса Земли, открытые с помощью спутников. Радиационные пояса также состоят из плазмы.
Многими свойствами плазмы обладают свободные электроны в металлах. В отличие от обычной плазмы в плазме твердого тела положительные ионы не могут перемещаться по всему телу.
Частично или полностью ионизованный газ называют плазмой. Звезды состоят из плазмы. Расширяется техническое применение плазмы .

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,