Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

Подавляющее большинство веществ не образует стекол или жидких кристаллов. Почти все известные науке химические соединения, за редким исключением, способны существовать лишь в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. При очень высоких температурах, не встречающихся на Земле в естественных условиях, практически любое вещество можно перевести в плазменное состояние. Однако молекулы вещества окажутся полностью разрушены. В чем же заключается плазменное состояние материи, сокращенно называемое плазмой?

Плазма — значительно ионизированный газ, который по своим физическим свойствам резко отличается от обыкновенного, нейтрального газа. В природных условиях у поверхности Земли невозможно наблюдать плазму ни в какой ее форме, поскольку ионизационные процессы в воздухе очень слабы. Приземный воздух насыщен разнообразными ионами, причем для человека наиболее важны катионы (отрицательно заряженные молекулы), поскольку именно они поддерживают наше дыхание.

Естественно, избыточные электроны появляются у атома лишь потому, что их потерял другой атом. Процесс утраты электронов атомом, называемый ионизацией, приводит к образованию плазмы. Но если сравнить воздух с настоящей плазмой, то окажется, что нас окружает в целом нейтральная газовая смесь. Число катионов и анионов, называемых в совокупности аэроионами, ничтожно, а главное — слишком мала степень их ионизации.

Степень ионизации как величина означает количество электронов, утерянных ранее нейтральным атомом. Степень ионизации — очень важная физическая величина, потому что она может рассказать о свойствах плазмы и ее разновидностях. Во время грозовых разрядов, случающихся на нашей планете по 8 млн раз в день, на короткое время у земной поверхности рождается самая настоящая плазма с очень высокой температурой и большой степенью ионизации. В канале молнии (стримере) течет поток ионов, представляющих собой атомарные кислород и водород, и противоположный ему поток свободных электронов.

Напряжение, вызывающее разряд, равно 300 000 В, а сила тока достигает 1 А. Температура газов в канале молнии равна +27 тыс. °С. Этого вполне достаточно, чтобы вызывать кратковременные термоядерные реакции. В частности, во время примерно 1,24 % всех грозовых разрядов рождаются в ходе таких реакций потоки элементарных частиц нейтрино. Но постоянно такая плазма существовать не может, она быстро разрушается.

Человек научился создавать плазму самостоятельно. Ионизированный искусственным путем газ можно найти сейчас в каждой рекламной трубке. Неоновое газоразрядное свечение очень слабо ионизирует газ, ионы в нем холодны и движутся медленно. Зато электроны под действием постоянного напряжения разогреваются и разгоняются до больших скоростей.

Температура электронов в рекламной трубке достигает +10 000 °C, во что трудно поверить. Однако они действительно настолько горячи, вот только не способны передать свою тепловую энергию окружающим атомам. Электроны существуют совершенно независимо от ионов, образуя т. н. электронный газ. Вообще, настоящая плазма всегда представляет собой смесь из двух независимых газов — ионного и электронного.

На большой высоте над земной поверхностью царят подходящие условия для длительного существования слабо ионизированной низкотемпературной плазмы. Здесь происходят естественные процессы фотоионизации молекул воздуха под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Слой этой плазмы, начинающийся на высоте около 60 км, получил название ионосферы. Ионосферой обладают и другие планеты Солнечной системы.

При слабой ионизации заряженные частицы составляют лишь 1 % от общей плотности плазмы. Космос является миром газа, подвергшегося более значительной ионизации. Громадными скоплениями такого газа оказались сильно разреженные туманности, сложенные продуктами взрывов сверхновых и т. д. Высокотемпературная сильно ионизированная плазма существует на горячих поверхностях звезд. Температура солнечной поверхности сравнительно холодна, она равняется +6000 °C. Существуют и более низкие звездные температуры — много менее +3000 °C. Самые горячие звезды, светила т. н. бело-голубого класса, нагреты до +20 000 °C и более.