О том, что вещество умеет существовать в четырех основных агрегатных состояниях, мы знаем еще со школы, а три из них даже регулярно наблюдаем. А что из себя представляет то самое, четвертое? Это самое популярное агрегатное состояние во Вселенной. Рассказываем, что такое плазма, и где она встречается на Земле.
Около 99,9% массы всей Вселенной составляет плазма.
Что такое плазма?
В физике плазмой называют штуку, которая талантливо проводит электричество и состоит из примерно одинакового количества плюсов и минусов — положительных и отрицательных заряженных частиц. Получается эта субстанция, когда обычный газ ионизируют, то есть заставляют его атомы терять или хватать электроны.
Отрицательный заряд в плазме обычно таскают с собой электроны — у каждого такой заряд минус один. А положительный заряд достается атомам или молекулам, которые эти самые электроны потеряли и теперь ходят грустные (но положительные). А бывает и такое, что электроны, сбежавшие от одних атомов, прибиваются к другим — тогда и получается плазма. В ней полно как положительных, так и отрицательных ионов. Самый экзотический вариант — когда заряжаются мелкие пылинки, и возникает так называемая пылевая плазма.
Главная фишка плазмы в том, что на нее, помимо обычных сил вроде гравитации, еще и мощно действуют электричество с магнетизмом. А поскольку эти силы действуют на огромных расстояниях, плазма ведет себя коллективно. Это похоже на поведение жидкости, хотя частицы в плазме сталкиваются друг с другом довольно редко.
Как получают плазму в лаборатории?
Итак, есть три основных рецепта превращения газа в плазму.
- Термический, основанный основанный на нагреве вещества до экстремально высоких температур. Растет температура, растет и кинетическая энергия атомов, а это приводит к более интенсивным и частым столкновениям, в результате которых происходит отрыв электронов от атомных ядер. Такой механизм присущ звездам, включая наше Солнце: в их недрах температуры достигают миллионов градусов, что создает условия для полной ионизации вещества.
- Воздействие электрическим разрядом. В лабораторных условиях этот метод применяется чаще термического, поскольку электрический разряд организовать проще, чем нагрев газа до сверхвысоких температур.
- Облучение. Но тут есть нюанс — эффективность этого метода зависит от плотности среды: в плотном газе ионизированные атомы быстро приходят в себя и восстанавливают нейтральное состояние. Однако в разреженных средах этот процесс протекает успешно.
Космические формы плазмы
Считается, что наша Вселенная родилась около 13,8 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва и сначала представляла собой раскаленный шар из полностью ионизированной водородной плазмы. Так это или нет, но факт остается фактом: сегодня практически вся материя в космосе существует именно в плазменном состоянии. Звезды, межзвездная среда, атмосферы планет — все это плазма. Даже наши знания о Вселенной мы получаем благодаря изучению излучения, которое эта плазма испускает и пропускает.В звездах плазму удерживает гравитация, а энергию она черпает из термоядерных реакций в недрах. Вокруг горячих звезд межзвездная среда ионизирована ультрафиолетом — такие области называют H II. А вот в облаках нейтрального водорода (области H I) ионизирована лишь ничтожная часть атомов — примерно одна на десять тысяч. И да, это тоже считается плазмой! Добавьте сюда пылинки и космические лучи — ядра атомов, начисто лишенные электронов, — и картина плазменной Вселенной станет полнее.
И повсюду в этой плазме присутствуют магнитные поля. В межзвездном пространстве они слабенькие (порядка 5 микрогауссов), в межпланетном — чуть сильнее, а в межгалактическом они и вовсе почти прозрачные. Для земной поверхности, где поле в тысячи раз мощнее, эти цифры кажутся смехотворными. Но в масштабах космоса они играют огромную роль. Настолько, что моделирование межзвездных процессов в лаборатории потребовало бы полей чудовищной силы! На Солнце среднее поле составляет всего пару гауссов, но в пятнах разгуливает до тысячи. Другие звезды тоже не отстают.
Где можно увидеть плазму на Земле?
Полярное сияние. Видимый слой Солнца — фотосфера — греет нас как черное тело с температурой почти 6000 кельвинов. Выше лежит хромосфера, а за ней — корона, которая плавно переходит в солнечный ветер. Ветром этим называют поток плазмы, постоянно дующий от Солнца во все стороны и добирающийся аж до границ Солнечной системы. Активность Солнца подчиняется 11-летнему циклу: когда пятен много, корона шире, а ветер сильнее. Бывали периоды, например минимум Маундера в XVII веке, когда пятна исчезали почти совсем. Тогда в Европе как раз случился малый ледниковый период. Связывать ли это с солнечными пятнами — вопрос спорный, но заманчивый.
Солнечный ветер врывается в окрестности Земли на скорости, обгоняющей звук и магнитные волны. Состоит он в основном из электронов и протонов и тащит с собой кусочек солнечной атмосферы прямиком к нам. На границе с магнитным полем Земли начинается самое интересное: взаимодействие двух плазм рождает полярные сияния, магнитные бури и прочую красоту, от которой метеозависимые люди приходят в ужас, а фотографы — в восторг!
Молния. Когда во время грозы все сверкает и гремит, мы наблюдаем чистейший пример природной плазмы. В момент разряда электрический ток буквально пробивает воздух, нагревая его до десятков тысяч градусов — в пять раз горячее поверхности Солнца. От такого перегрева молекулы газа разлетаются на части, теряют электроны и превращаются в ионизированную плазму, которая и дает тот самый яркий свет. Так что, любуясь грозой, знайте: вы смотрите на плазменное шоу, устроенное самой природой. Только держитесь подальше от «экрана»!
В общем, плазма — совсем не экзотика, а обычное рабочее состояние вещества, хотя мы и редко его замечаем. А зря: именно из него соткана Вселенная, и мы — ее маленькая, чуть более твердая и очень любопытная часть!