Плазма как четвёртое состояние вещества¶

Плазма — это ионизированный газ, состоящий из свободных электронов, положительных и отрицательных ионов, а также нейтральных атомов и молекул. В отличие от обычного газа, частицы плазмы электрически заряжены, что определяет её коллективное поведение и взаимодействие с электромагнитными полями. Благодаря этим свойствам плазму выделяют в отдельное, четвёртое состояние вещества — наряду с твёрдым, жидким и газообразным.

¶Физическая природа

Переход газа в плазму называется ионизацией. Она происходит при нагреве до высоких температур, под действием электрических разрядов, излучения или сильных электрических полей. Когда энергия частиц превышает энергию связи электрона с ядром, атомы теряют электроны и превращаются в ионы.

Степень ионизации — доля ионизированных частиц — служит ключевой характеристикой плазмы. Слабоионизованная плазма встречается, например, в пламени и газоразрядных лампах, полностью ионизованная — в звёздных недрах и термоядерных установках.

Важнейшее свойство плазмы — квазинейтральность: в достаточно больших объёмах суммарный заряд положительных и отрицательных частиц практически равен нулю. При этом на малых расстояниях (в пределах дебаевской длины экранирования) электрические поля отдельных зарядов экранируются.

¶Классификация

Плазму классифицируют по нескольким признакам:

• По температуре: низкотемпературная (до 10⁵ K) — газовые разряды, дуги, пламя; высокотемпературная (10⁶ K и выше) — термоядерная плазма.
• По степени ионизации: слабо-, частично- и полностью ионизованная.
• По условиям существования: природная и искусственная.
• По плотности: разреженная (космическая) и плотная (лабораторная, в звёздах).

¶Распространённость во Вселенной

Плазма — самое распространённое состояние вещества в природе. На её долю приходится, по оценкам, более 99 % видимой массы Вселенной. К природным плазменным объектам относятся:

• звёзды, включая Солнце, вещество которых находится в состоянии высокотемпературной плазмы;
• солнечный ветер — поток ионизованного газа, истекающий из солнечной короны;
• межзвёздная и межгалактическая среда;
• ионосфера Земли, где под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучения газ частично ионизован;
• молнии и полярные сияния.

¶Техническое применение

Плазма широко используется в технике и технологиях:

• Газоразрядные источники света: люминесцентные и неоновые лампы.
• Плазменная резка и сварка: концентрированный поток плазмы позволяет обрабатывать металлы.
• Плазменные двигатели: электрореактивные установки для космических аппаратов.
• Термоядерный синтез: удержание высокотемпературной плазмы в токамаках и стеллараторах.
• Плазмохимия и нанотехнологии: нанесение покрытий, травление в микроэлектронике.
• Медицина: плазменные стерилизаторы и обработка ран.

¶Методы исследования

Поскольку плазма существует при экстремальных температурах, её изучают дистанционно и в лабораторных условиях. Основные диагностические методы включают спектроскопию, зондовые измерения (зонды Ленгмюра), интерферометрию и магнитные измерения. Теоретическое описание опирается на магнитную гидродинамику и кинетическую теорию.

¶Значение

Концепция плазмы как четвёртого состояния вещества была сформулирована в 1920-х годах; термин ввёл американский физик Ирвинг Ленгмюр. Изучение плазмы лежит в основе физики звёзд, управляемого термоядерного синтеза и множества промышленных технологий, что делает её одной из центральных областей современной физики.