Chiziqli segmentning qiyaligi moddaning issiqlik sig'imi bilan aniqlanadi va

KIRISH
Har bir inson uchta agregat holatini biladi - qattiq, suyuq, gazsimon. Plazma ko'pincha moddaning to'rtinchi holati - eng yuqori harorat deb ataladi, bu transformatsiyalar zanjirini anglatadi: qattiq - suyuq - gaz - plazma, bu harorat ko'tarilganda paydo bo'ladi (ser Uilyam Krokus, 1879).
M oddaning ma'lum bir massasida (masalan, bir grammda) mavjud bo'lgan issiqlik energiyasi miqdorining uning haroratiga bog'liqligi grafigi rasmda ko'rsatilgan grafikka o'xshaydi. Etarli darajada past haroratda har qanday modda qattiq holatda bo'ladi; harorat ko'tarilgach, uning energiya tarkibi o'sadi - bu a-b bo'lim. a-b chiziqli segmentning qiyaligi moddaning issiqlik sig'imi bilan aniqlanadi va b nuqtaga qadar harorat shkalasidagi mos segment juda kichik (vodorod uchun 13,9 K) va juda katta (volfram uchun 3643 K) bo'lishi mumkin. B nuqtasida eritish boshlanadi, chunki toza moddalar uchun harorat doimiy bo'lib qoladi: energiya moddalarning zarralarini bir-biriga nisbatan tartibli tartibini belgilaydigan bog'lanishlarni uzishga sarflanadi. b-c mintaqasining kattaligi "yashirin" termoyadroviy issiqligi bilan belgilanadi. c-d kesimida haroratning yanada oshishi bilan modda suyuq holatda qoladi, uning molekulalarining harakatlanish energiyasi oshadi. c-d chiziqli segmentning qiyaligi suyuq holatdagi moddaning issiqlik sig'imi bilan belgilanadi. d nuqtasida qaynash boshlanadi va modda gaz holatiga o'tadi. d-e segmentida harorat doimiy bo'lib qoladi, energiya molekulalar orasidagi aloqalarni uzishga sarflanadi. Maydonning kattaligi bug'lanish issiqligi deb ataladi. Shuni ta'kidlash kerakki, ushbu bosim ba'zi bir bosimlarda to'g'ri. Darhaqiqat, qattiq moddalar ustida har doim ma'lum bir to'yingan bug' bosimi bor, bu ko'pchilik moddalar uchun juda kichikdir. Ammo ba'zi moddalar ustida u hali ham katta (masalan, 387 K haroratdagi yod uchun u 90 mm Hg).
Yuqoridagi mulohaza biz uchun ma'lum bo'lgan materiyaning agregat holatlarining haroratga qarab o'zgarishini tasvirlash xususiyatiga ega. Harorat ko'tarilishi bilan molekulalarning energiyasi oshadi, bog'lanishlar kamayadi va bug'langandan so'ng barcha molekulalar erkin bo'ladi. Agar biz ushbu erkin molekulalarning energiyasini ko'paytirishni davom ettirsak (masalan, gazni isitamiz), u holda o'zaro to'qnashuvda molekulalar atomlarga ajrala boshlaydi. Ammo bu tubdan yangi jarayon - energiyaning bir qismi gaz tarkibini sifat jihatidan o'zgartiradigan jarayonga sarflanadi.
Ma'lumki, gaz erkin zarrachalar - molekulalar (odatda) yoki atomlar (kamroq) yig'indisidir. Ushbu zarralar bir-biri bilan, tomir devorlari bilan to'qnashadi va to'qnashuvlar natijasida zarrachalarning tezlikda aniq taqsimlanishi o'rnatiladi. Har bir berilgan haroratda zarrachalarning asosiy qismi ma'lum (eng ehtimol) tezlikka ega, ammo har doim sekinroq va tezroq zarralar mavjud. Eng tezkor tezlikdan (ikkala B.2-rasm yo'nalishida. Tushish funksiyasi kamayish va o'sish yo'nalishi bo'yicha) qanchalik uzoq bo'lsa, shunchalik zarrachalar shunchalik kamroq bo'ladi, eng katta ehtimoliy tezlikdan.
B .2-rasmda, illyustratsiya usuli bilan, v tezlik moduli kattaligiga qarab dv tezlik oralig'idagi dn / ndv zarralarning nisbiy soni ko'rsatilgan. Bu Maksvellning ma'lum taqsimoti. Eng muhimi, har qanday haroratda har doim tezkor zarralar mavjud va harorat qancha yuqori bo'lsa, shuncha ko'p bo'ladi.
Oddiy sharoitlarda, masalan, xona haroratida, bunday zarrachalarning ulushi juda kichik, shuning uchun ko'p sonli zarrachalarning energiyasi molekulani (yoki undan ham ko'proq atomni) yo'q qilish uchun etarli emas, shuning uchun faqat elastik to'qnashuvlar ustunlik qiladi, natijada umumiy kinetik energiya Ikkala to'qnashgan zarrachalarning hammasi o'zgarishsiz qoladi. Bu odatdagi gaz uchun odatiy holdir, bunday to'qnashuvlar Maksvell taqsimotini o'rnatishga olib keladi (tezliklarda yoki energiyalarda, chunki zarrachaning ma'lum massasi uchun uning kinetik energiyasi tezlik bilan aniqlanadi: E = mv² / 2; gaz umuman tinch holatda deb taxmin qilinadi).
Har doim mavjud bo'lgan tezkor zarralar molekulalarni va hatto atomlarni sindirib tashlaydi, ammo gaz harorati yuqori bo'lmasa, ular ahamiyatsiz.
Molekulalarning atomlarga parchalanish jarayoni dissotsiatsiya, elektronning atomdan ajralib chiqish jarayoni ionlanish, bitta elektronni (yoki undan ko'pini) yo'qotgan atom ion deb ataladi. Oddiy sharoitlarda 1 sm³ havo 10³ - 10⁵ ionni o'z ichiga oladi, bu har bir kub santimetrdagi 2,7*10¹⁹ molekula soniga nisbatan ahamiyatsiz. Biroq, harorat ko'tarilishi bilan tobora tezroq zarralar paydo bo'lib, dissotsilanish va ionlanish jarayonlari tez-tez sodir bo'ladi. Ushbu jarayonlarda zarrachalarning kinetik energiyasining bir qismi molekula ichidagi (yoki atom ichidagi) jarayonlarga sarflanadi; shuning uchun to'qnashuvgacha bo'lgan to'qnashgan ikkita zarrachaning umumiy kinetik energiyasi endi to'qnashuvdan keyin ularning kinetik energiyasiga teng bo'lmaydi. Bunday jarayonlar noelastik deyiladi. Oddiy gazda elastik bo'lmagan jarayonlarning roli ahamiyatsiz, ammo yetarlicha yuqori haroratda ular muhim ahamiyatga ega bo'ladi. Natijada yangi zarralar hosil bo'ladi: dissotsiatsiya paytida - atomlar, ionlanish paytida - ionlar va elektronlar. Ikkinchisi ayniqsa muhimdir. Atomlar, molekulalar singari, elektr neytral, ammo ionlar va elektronlar elektr zaryadlariga ega. Elektr zaryadlarining mavjudligi zarralar orasidagi o'zaro ta'sirning xususiyatini sezilarli darajada o'zgartiradi. Axir neytral zarrachalar o'zaro ta'sir qiladi, qo'pol qilib aytganda, faqat elastik billiard to'plari singari to'g'ridan-to'g'ri to'qnashuvda, chunki neytral zarralarning o'zaro ta'sir kuchlari maydonining potentsiali zarralar orasidagi kichik masofalarda tez pasayib, ularning orasidagi zaif tortishish bilan almashtiriladi (van der Vals kuchlari). Zaryadlangan zarralar atrofda kengaytirilgan elektr maydonlarini hosil qiladi, masofa bilan sekinroq kamayadi va shuning uchun zaryadlangan zarralar orasidagi o'zaro ta'sir kuchi (Kulon kuchi) zarralar orasidagi masofa ortib borishi bilan ancha sekin kamayadi. Erkin zaryadlarni o'z ichiga olgan gazda sifat jihatidan yangi - plazma ta'siriga olib keladigan zaryadlangan zarralar orasidagi kuchlarning uzoq masofali tabiati. Bu sifat jihatidan yangi gaz: zaryadlangan zarrachalarning sezilarli sonini o'z ichiga olgan gaz.
Ushbu gaz plazma deb ataladi. "Plazma" atamasining o'zi paydo bo'lgan Langmuir va Tonksning 1928 yildagi ishidan keyingi fanning kundalik hayoti va shunday bo'ldi unga hamroh bo'ladigan hodisalar to'plamini tavsiflash uchun kiritilgan gazdagi elektr razryad. Neytral zarralar gazi va gaz plazmasi o'rtasida aniq chegara yo'qligini anglash oson: oddiy gaz zaryadlangan zarrachalarning o'zaro ta'sirining roli, agar hal qiluvchi bo'lmasa, ma'lum bir moddaning xatti-harakatlari uchun muhim bo'lib qolishi bilanoq plazma bo'ladi. Shubhasiz, harorat oshishi bilan yuzaga keladigan va qattiq jismni suyuqlikka, so'ngra suyuqlikni gazga aylantiradigan keskin fazali o'tishlardan farqli o'laroq, bu chegara ancha loyqa. Zaryadlangan zarralarning ma'lum bir muvozanat soni (aniqlangan)
Saha formulasi) har qanday haroratda gazda mavjud, masalan, oddiy shamning olovidagi erkin zaryadlar. Ammo bunday zaif ionlangan gazni deyarli plazma deb atash mumkin emas. Shu bilan birga, kelajakda biz gaz plazmasida odatda barcha zarrachalarning foiz foizigina fraktsiyalari ionlashtirilganda ham plazma jarayonlari kuzatilishini ko'ramiz. Qarama-qarshi tomondan ham bahslashish mumkin: "haqiqiy" plazma erkin ionlar va elektronlardan iborat va neytral zarrachalarning aralashmasi uning xususiyatlarini sezilarli darajada o'zgartirmaguncha plazma bo'lib qoladi. Ammo, masalan, fizik eksperimentlarda keng qo'llaniladigan tezlashtirilgan zarrachalarning kompensatsiyalanmagan zarralarini nurlarini plazma deb atash mumkinmi degan savol tug'iladi? Yulduzlar nurlanishi bilan ionlangan juda kamyob yulduzlararo yoki galaktikalararo gazni plazma deb atash mumkinmi? Ma'lumki, zaryadlangan va neytral zarrachalar to'plami plazma ekanligini aniqlash uchun miqdoriy mezon zarur. Bunday mezon Langmuir chastotasi va skriningning Deby radiusi (yoki uzunligi) tushunchalari asosida tuzilishi mumkin.
Plazma fizikasidagi ushbu asosiy parametrlar plazma kvazineytralligini saqlash (yoki o'z-o'zidan sindirish) uchun minimal xarakterli vaqt va makon o'lchovlarini belgilaydi. Shular asosida tushunchalariga asoslanib, nima uchun plazma xususiyatlarini birinchi qarashda turli xil vositalar - metallarda elektron gaz, yarimo'tkazgichlarning elektron teshigi "suyuqligi" yoki masalan, kosmosning kamyob gazi namoyon bo'lishini aniqlash mumkin.
Ushbu va boshqa vositalar, masalan, elektrolitlar ba'zida plazma o'xshash deb ataladigan tirik tizimlarning "ishlaydigan suyuqliklari" ham kiradi [3,4]. Bu juda ko'p miqdordagi tabiiy ob'ektlarning xususiyatlarini tavsiflashda plazma uchun xarakterli qonunlarning muhimligini ta'kidlaydi, bu amaliy qo'llanishda juda muhimdir. Metalllarning elektron plazmasi degenerat deyiladi. Ma'lumki, degeneratsiya mezonlari zarralar kontsentratsiyasining oshishi bilan ortib boradigan Fermi energiyasi va issiqlik energiyasi o'rtasidagi nisbatdir. Agar issiqlik energiyasi Fermi energiyasidan kam bo'lsa, u holda plazma degeneratsiyalangan va kvant effektlari katta ahamiyatga ega. Biz noaniq plazma bilan shug'ullanamiz, ya'ni. plazma bilan zaryadlangan zarrachalarning konsentratsiyasi etarlicha past (yoki harorat etarlicha yuqori). To'liq aytganda, ko'plab fiziklar qo'shimcha shartlarni joriy qilishadi - ular, masalan, elektromagnit nurlanishni plazmaning majburiy komponenti deb hisoblashadi. Ikkinchisi, shubhasiz, zich plazmadagi katta narsalar, masalan, yulduzlar uchun to'g'ri keladi.
Ularda radiatsiya "qulflangan" - radiatsiya faqat tashqariga chiqishi mumkin nisbatan yupqa tashqi qatlamlar. Ko'pgina laboratoriya qurilmalarida plazma optik jihatdan ingichka, nurlanish qulflanmagan - butun plazmadan bemalol o'tib ketadi.
Xulosa qilaylik. Zamonaviy tushunchalarga ko'ra, plazma qisman yoki to'liq ionlashgan gaz bo'lib, unda ijobiy va manfiy zaryadlarning hajm zichligi deyarli bir xil bo'ladi. Plazmaning bu xususiyati kvazineytrallik deb ataladi. Zaryadlangan plazma zarralari uzoq masofaga ta'sir qilish bilan tavsiflangan kuch bilan o'zaro ta'sir qiladi. Ushbu holat juft to'qnashuvlardan tashqari, plazmadagi alohida rolni belgilaydi individual zarralar, kollektiv effektlar, ya'ni. ko'pchilikning dalalari plazma tebranishlari, shovqin to'lqinlarining o'sishida namoyon bo'ladigan zarralar, o'z navbatida plazma zarralari harakatiga ta'sir qiladi. Agar etarli miqdordagi erkinlik darajasi hayajonlansa, plazmadagi tebranishlar tartibsiz bo'lib, u turbulent holatga o'tadi. Bunday sharoitda plazmadagi kollektiv qo'zg'alishlar (rejimlar) o'zaro ta'sirining chiziqli bo'lmagan ta'siri sezilarli bo'ladi. Lineer bo'lmagan hodisalar muntazam jarayonlarda ham muhim bo'lishi mumkin, masalan, plazma cheklangan amplituda to'lqinlari ta'sirida. Shuning uchun zamonaviy plazma fizikasi chiziqli bo'lmagan hodisalar fizikasi ekanligi aniq. Ushbu yangi moddaning yana bir xususiyati - plazma tashqi elektr va magnit maydonlarining unga kuchli ta'sirida bo'lib, kosmik zaryadlar va oqimlarning paydo bo'lishiga olib keladi. Shu bilan birga, kvaz neytralligi tufayli plazmadagi zaryadlarni sezilarli darajada ajratish qiyin: plazmadagi zaryadlangan komponentning etarlicha yuqori zichligi tufayli kosmik zaryad juda katta ichki plazma maydonlarining paydo bo'lishiga olib keladi, bu aslida sodir bo'lmaydi. Ma'lum ma'noda, plazmaning kvazineytralligi - bu plazmadagi asosiy rol zarrachalarning o'zaro uyg'un maydonlar orqali o'zaro ta'siri orqali o'ynaydigan xususiyatning namoyon bo'lishi. Shu nuqtai nazardan, plazmadagi dinamik jarayonlar juda murakkab hodisalardir.
Ular nafaqat berilgan zarralar dinamikasini o'rganishni talab qiladi tashqi maydonlar, shuningdek, ichki elektromagnit maydonlarning ta'sirini bir vaqtning o'zida ko'rib chiqish, bu plazma zarralarining o'zlarining harakatiga sezilarli darajada ta'sir qiladigan zarralar harakati bilan muvofiqlashtirilgan.
Xulosa qilib aytish kerakki, koinotdagi plazma va turli xil tabiiy jarayonlarda va hodisalarda juda keng ifodalanadi. Galaktikalararo, yulduzlararo va sayyoralararo plazma, yulduzlar va yulduzlar atmosferasi plazmasi, Oq mitti dan Qizil gigantgacha, neytron yulduzlar, pulsarlar va qora tuynuklar, sayyoralarning yuqori atmosferasi plazmasi va radiatsiya kamarlari plazmasi, chaqmoq razryadlari plazmasi va laboratoriya asboblari "chiqadigan plazmasi" zamonaviy termoyadroviy qurilmalarning plazmasi - bu plazma ilmining to'liq ro'yxati emas. Va nihoyat, Katta portlashdan keyin koinot hayotining birinchi lahzalarida, bizning dunyomiz tug'ilganda, materiya ham issiq plazma holatida bo'lgan deb hisoblashadi, uning aks-sadosi hozir relyef nurlanish bo'lib, u endi "sovuq" dan iborat (harorati taxminan 2,7 K), so'ngra yuqori harorat plazmasi bilan muvozanatda bo'lgan "issiq" kvantlar - yuzlab va milliard daraja.