Plasma ist der vierte Aggregatzustand. Fortsetzung. Blutplasma: Zusammensetzung und Funktionen Plasmadefinition in der Physik

Bei hohen Temperaturen, unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung Felder hoher Intensität, wenn Gas durch Ströme hochenergetischer geladener Teilchen bestrahlt wird. Ein charakteristisches Merkmal von Plasma, das es von gewöhnlichem ionisiertem Gas unterscheidet, besteht darin, dass die linearen Abmessungen des vom Plasma eingenommenen Volumens viel größer sind als die sogenannten. Debye-Abschirmungsradius D (siehe Debye-Hückel-Theorie). Der Wert von D für das i-te Ion mit der Konzentration H i und dem t-ten T i wird durch den Ausdruck bestimmt:

wobei n e und T e die Konzentration bzw. t-ra der Elektronen sind, e i die Ladung des Ions ist, e-elementar elektrisch. Ladung (Elektronenladung), k-Boltzmann-Konstante. Aus diesem Ausdruck folgt, dass im Plasma in der Regel die Temperaturen von Elektronen und Ionen unterschiedlich sind.

In einem Niedertemperaturplasma ist die durchschnittliche Energie von Elektronen oder Ionen deutlich geringer als die effektive Ionisierungsenergie von Gaspartikeln; Als Hochtemperaturplasma gilt ein Plasma, das durch das umgekehrte Verhältnis der angegebenen Energien gekennzeichnet ist (der Beitrag zersetzter Teilchen zur Ionisierung wird berücksichtigt). Typischerweise hat Niedertemperaturplasma eine Partikeltemperatur von weniger als 10 5 K, Hochtemperaturplasma etwa 10 -10 8 K. Man nennt das Verhältnis der Konzentration geladener Teilchen zur Gesamtkonzentration aller Teilchen. Grad der Plasmaionisation.

P im Labor gewonnenes Lasma. Bedingungen, liegt in der Thermodynamik. Sinn, ein offenes System und ist thermodynamisch immer ungleichgewichtig. Energie- und Stofftransportprozesse führen zu Störungen der lokalen Thermodynamik. Gleichgewicht und Stationarität (siehe Chemische Thermodynamik) ist das Plancksche Gesetz für das Strahlungsfeld in der Regel nicht erfüllt. Plasma heißt thermisch, wenn sein Zustand im Rahmen eines lokalen thermischen Modells beschrieben wird. Gleichgewicht, nämlich: alle Teilchen werden gemäß dem Maxwellschen Gesetz durch Geschwindigkeit verteilt; die Parameter aller Komponenten sind gleich; die Plasmazusammensetzung wird durch das Massenwirkungsgesetz bestimmt, insbesondere wird die Ionenzusammensetzung durch das Gleichgewicht zwischen Ionisierung und Rekombination bestimmt (die Eggert-Sach-Formel ist im Wesentlichen ein Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante dieser Prozesse); Bevölkerungsenergie Die Niveaus aller Teilchen gehorchen der Boltzmann-Verteilung. Thermisches Plasma zeichnet sich normalerweise durch einen hohen Ionisationsgrad aus und kann. in Gasen mit relativ geringer effektiver Ionisationsenergie bei ausreichend hohem optischen Wert umgesetzt. Dichte (d. h. Plasmastrahlung wird fast vollständig von ihren eigenen Partikeln absorbiert). Plasma wird üblicherweise durch ein partielles lokales thermisches Modell beschrieben. Gleichgewicht, das alle oben genannten Punkte umfasst. Position, erfordert jedoch die Unterordnung des Boltzmann-Gesetzes von Populationen nur angeregter Ebenen von Plasmapartikeln, mit Ausnahme ihrer Grundzustände. Dieses Plasma heißt Quasi-Gleichgewicht; ein Beispiel für eine quasi-gleichgewichtige plasmaelektrische Säule. Bögen bei atm. Druck

Nichteinhaltung mindestens einer der örtlichen thermischen Bedingungen. Das Gleichgewicht führt zur Entstehung eines Nichtgleichgewichtsplasmas. Offensichtlich gibt es unendlich viele Nichtgleichgewichts-Plasmazustände. Ein Beispiel für ein stark ungleichgewichtiges Plasma ist das Plasma einer Glimmentladung in Gasen bei Drücken von 10 1–10 3 Pa, in dem die durchschnittliche Energie der Elektronen 3–6 eV beträgt und die Temperatur schwerer Teilchen normalerweise 1000 nicht überschreitet K. Die Existenz und Stationarität eines solchen Niwird durch die Schwierigkeit des Energieaustauschs zwischen Elektronen und schweren Teilchen verursacht. Im Plasmamol. Gase zudem unwirksamEnergieaustausch zwischen verschiedenen intern Freiheitsgrade: elektronisch, Vibration, Rotation. Innerhalb jedes Freiheitsgrades findet der Energieaustausch relativ leicht statt, was zur Bildung von Quasi-Gleichgewichtsverteilungen der Teilchen entsprechend den entsprechenden Energien führt. Zustände. In diesem Fall spricht man von Elektronik, Schwingung, Rotation. t-x von Plasmapartikeln.

Basic Die Merkmale von Plasma, die es von einem neutralen Gas unterscheiden und es uns ermöglichen, Plasma als einen besonderen vierten Zustand der Materie (den vierten Aggregatzustand der Materie) zu betrachten, sind folgende.

1) Kollektive Interaktion, d.h. gleichzeitige Interaktion miteinander einer großen Anzahl von Teilchen (in gewöhnlichen Gasen unter normalen Bedingungen erfolgt die Wechselwirkung zwischen Teilchen normalerweise paarweise), da die Coulomb-Anziehungs- und Abstoßungskräfte mit der Entfernung viel langsamer abnehmen als die Wechselwirkungskräfte. neutrale Teilchen, d.h. Interaktion im Plasma sind „weitreichend“.

2) Starker Einfluss von Elektrizität. und Mag. Felder beeinflussen die Eigenschaften des Plasmas, was zur Entstehung von Hohlräumen im Plasma führt. Ladungen und Ströme und ermittelt eine Reihe spezifischer. Plasmalicht.

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Plasma ist seine Quasineutralität, d. h. nahezu vollständige gegenseitige Ladungskompensation bei Entfernungen, die deutlich größer als der Debye-Abschirmradius sind. Elektrisch Das Feld eines einzelnen geladenen Teilchens im Plasma wird durch die Felder von Teilchen mit einer Ladung entgegengesetzten Vorzeichens abgeschirmt, d. h. nimmt bei Abständen in der Größenordnung des Debye-Radius vom Teilchen praktisch auf Null ab. Jede Verletzung der Quasineutralität im vom Plasma eingenommenen Volumen führt zum Auftreten starker elektrischer Ströme. Felder der Räume. Ladungen, die die Quasineutralität des Plasmas wiederherstellen.

Der überwiegende Teil des Universums befindet sich in einem Plasmazustand – Sterne, Sternatmosphären, galaktische. Nebel und interstellares Medium. In der Nähe der Erde existiert Plasma in Form des „Sonnenwinds“ im Weltraum und füllt die Magnetosphäre der Erde (bildet den Strahlungsgürtel der Erde) und die Ionosphäre. Prozesse im erdnahen Plasma werden durch Magnetfelder verursacht. Stürme und Polarlichter. Die Reflexion von Radiowellen vom ionosphärischen Plasma ermöglicht die Funkkommunikation über große Entfernungen auf der Erde.

Zum Labor. Bedingungen und Industrie Bei vielen Anwendungen wird Plasma elektrisch erzeugt. Rang ein

Menschliches Blut besteht aus zwei Komponenten: einer flüssigen Basis oder Plasma und zellulären Elementen. Was ist Plasma und wie ist seine Zusammensetzung? Was ist der funktionelle Zweck von Plasma? Schauen wir uns alles der Reihe nach an.

Alles rund ums Plasma

Plasma ist eine Flüssigkeit, die aus Wasser und Trockensubstanzen besteht. Es macht den Großteil des Blutes aus – etwa 60 %. Dank Plasma hat Blut einen flüssigen Zustand. Obwohl Plasma nach physikalischen Indikatoren (Dichte) schwerer als Wasser ist.

Makroskopisch ist Plasma eine transparente (manchmal trübe) homogene Flüssigkeit von hellgelber Farbe. Es sammelt sich im oberen Teil der Gefäße, wenn sich die gebildeten Elemente absetzen. Die histologische Analyse zeigt, dass Plasma die interzelluläre Substanz des flüssigen Teils des Blutes ist.

Das Plasma wird trüb, nachdem eine Person fetthaltige Lebensmittel zu sich genommen hat.

Woraus besteht Plasma?

Die Plasmazusammensetzung wird dargestellt:

• Wasser;
• Salze und organische Substanzen.

• Proteine;
• Aminosäuren;
• Glucose;
• Hormone;
• Enzymsubstanzen;
• Mineralien (Na, Cl-Ionen).

Wie viel Prozent des Plasmavolumens besteht aus Protein?

Dies ist der zahlreichste Bestandteil des Plasmas, er macht 8 % des gesamten Plasmas aus. Plasma enthält Protein verschiedener Fraktionen.

Die wichtigsten:

• Albumin (5 %);
• Globuline (3 %);
• Fibrinogen (gehört zu den Globulinen, 0,4 %).

Zusammensetzung und Ziele von Nicht-Protein-Verbindungen im Plasma

Plasma enthält:

• Organische Verbindungen auf Stickstoffbasis. Vertreter: Harnsäure, Bilirubin, Kreatin. Ein Anstieg der Stickstoffmenge signalisiert die Entwicklung einer Azotomie. Dieser Zustand entsteht aufgrund von Problemen bei der Ausscheidung von Stoffwechselprodukten im Urin oder aufgrund der aktiven Proteinzerstörung und dem Eintritt großer Mengen stickstoffhaltiger Substanzen in den Körper. Letzterer Fall ist typisch für Diabetes, Fasten und Verbrennungen.
• Organische Verbindungen, die keinen Stickstoff enthalten. Dazu gehören Cholesterin, Glukose und Milchsäure. Lipide leisten ihnen auch Gesellschaft. Alle diese Komponenten müssen überwacht werden, da sie zur Aufrechterhaltung der vollen Funktionsfähigkeit notwendig sind.
• Anorganische Stoffe (Ca, Mg). Na- und Cl-Ionen sind für die Aufrechterhaltung eines konstanten pH-Wertes des Blutes verantwortlich. Sie überwachen auch den osmotischen Druck. Ca-Ionen sind an der Muskelkontraktion beteiligt und stimulieren die Empfindlichkeit von Nervenzellen.

Eiweiß

Albumin im Plasmablut ist der Hauptbestandteil (mehr als 50 %). Es hat ein kleines Molekulargewicht. Der Ort der Bildung dieses Proteins ist die Leber.

Zweck von Albumin:

• Transportiert Fettsäuren, Bilirubin, Medikamente, Hormone.
• Beteiligt sich am Stoffwechsel und an der Proteinbildung.
• Reserviert Aminosäuren.
• Bildet onkotischen Druck.

Ärzte beurteilen den Zustand der Leber anhand der Albuminmenge. Wenn der Albumingehalt im Plasma verringert ist, deutet dies auf die Entwicklung einer Pathologie hin. Niedrige Werte dieses Plasmaproteins erhöhen bei Kindern das Risiko, Gelbsucht zu entwickeln.

Globuline

Globuline werden durch großmolekulare Verbindungen dargestellt. Sie werden von Leber, Milz und Thymus produziert.

Es gibt verschiedene Arten von Globulinen:

• α – Globuline. Sie interagieren mit Thyroxin und Bilirubin und binden diese. Katalysieren Sie die Bildung von Proteinen. Verantwortlich für den Transport von Hormonen, Vitaminen und Lipiden.
• β – Globuline. Diese Proteine ​​binden Vitamine, Fe und Cholesterin. Sie transportieren Fe- und Zn-Kationen, Steroidhormone, Sterine und Phospholipide.
• γ – Globuline. Antikörper oder Immunglobuline binden Histamin und sind an schützenden Immunreaktionen beteiligt. Sie werden von Leber, Lymphgewebe, Knochenmark und Milz produziert.

Es gibt 5 Klassen von γ-Globulinen:

• IgG(etwa 80 % aller Antikörper). Es zeichnet sich durch eine hohe Avidität (das Verhältnis von Antikörper zu Antigen) aus. Kann die Plazentaschranke durchdringen.
• IgM- das erste Immunglobulin, das im ungeborenen Kind gebildet wird. Das Protein hat eine hohe Avidität. Es ist das erste, das nach der Impfung im Blut nachgewiesen wird.
• IgA.
• IgD.
• IgE.

Fibrinogen ist ein lösliches Plasmaprotein. Es wird von der Leber synthetisiert. Unter dem Einfluss von Thrombin wird das Protein in Fibrin umgewandelt, eine unlösliche Form von Fibrinogen. Dank Fibrin bildet sich ein Blutgerinnsel an Stellen, an denen die Integrität der Gefäße beeinträchtigt ist.

Andere Proteine ​​und Funktionen

Kleinere Anteile an Plasmaproteinen nach Globulinen und Albuminen:

• Prothrombin;
• Transferrin;
• Immunproteine;
• C-reaktives Protein;
• Thyroxin-bindendes Globulin;
• Haptoglobin.

Die Aufgaben dieser und anderer Plasmaproteine ​​lassen sich auf Folgendes reduzieren:

• Aufrechterhaltung der Homöostase und des Aggregatzustands des Blutes;
• Kontrolle von Immunreaktionen;
• Transport von Nährstoffen;
• Aktivierung des Blutgerinnungsprozesses.

Funktionen und Aufgaben von Plasma

Warum braucht der menschliche Körper Plasma?

Seine Funktionen sind vielfältig, aber im Wesentlichen lassen sie sich auf drei Hauptfunktionen reduzieren:

• Transport von Blutzellen und Nährstoffen.
• Herstellung der Kommunikation zwischen allen Körperflüssigkeiten, die sich außerhalb des Kreislaufsystems befinden. Diese Funktion ist aufgrund der Fähigkeit des Plasmas möglich, die Gefäßwände zu durchdringen.
• Sicherstellung der Blutstillung. Dabei geht es darum, die Flüssigkeit, die die Blutung stoppt, zu kontrollieren und das entstehende Blutgerinnsel zu entfernen.

Die Verwendung von Plasma bei der Spende

Vollblut wird heute nicht mehr transfundiert: Plasma und gebildete Bestandteile werden zu therapeutischen Zwecken getrennt isoliert. An Blutspendestellen wird am häufigsten Blut gezielt für Plasma gespendet.

Wie bekomme ich Plasma?

Mittels Zentrifugation wird aus dem Blut Plasma gewonnen. Mit dieser Methode können Sie Plasma mit einem speziellen Gerät von zellulären Elementen trennen, ohne diese zu beschädigen. Die Blutzellen werden an den Spender zurückgegeben.

Das Plasmaspendeverfahren hat gegenüber der einfachen Blutspende eine Reihe von Vorteilen:

• Der Blutverlust ist geringer, wodurch die Gesundheit weniger geschädigt wird.
• Nach 2 Wochen kann wieder Blut für Plasma gespendet werden.

Es gibt Einschränkungen bei der Plasmaspende. Somit kann ein Spender maximal 12 Mal pro Jahr Plasma spenden.

Die Plasmaspende dauert nicht länger als 40 Minuten.

Plasma ist die Quelle eines so wichtigen Materials wie Blutserum. Serum ist das gleiche Plasma, jedoch ohne Fibrinogen, aber mit den gleichen Antikörpern. Sie sind diejenigen, die Erreger verschiedener Krankheiten bekämpfen. Immunglobuline tragen zur schnellen Entwicklung einer passiven Immunität bei.

Um Blutserum zu gewinnen, wird steriles Blut 1 Stunde lang in einen Inkubator gegeben. Anschließend wird das entstandene Blutgerinnsel von den Wänden des Reagenzglases abgezogen und für 24 Stunden in den Kühlschrank gestellt. Die resultierende Flüssigkeit wird mit einer Pasteurpipette in ein steriles Gefäß gegeben.

Blutpathologien, die die Beschaffenheit des Plasmas beeinflussen

In der Medizin gibt es mehrere Krankheiten, die die Zusammensetzung des Plasmas beeinflussen können. Sie alle stellen eine Gefahr für die Gesundheit und das Leben der Menschen dar.

Die wichtigsten sind:

• Hämophilie. Hierbei handelt es sich um eine Erbkrankheit, bei der es an Protein mangelt, das für die Blutgerinnung verantwortlich ist.
• Blutvergiftung oder Sepsis. Ein Phänomen, das dadurch entsteht, dass eine Infektion direkt in den Blutkreislauf gelangt.
• DIC-Syndrom. Ein pathologischer Zustand, der durch Schock, Sepsis und schwere Verletzungen verursacht wird. Sie zeichnet sich durch Störungen der Blutgerinnung aus, die gleichzeitig zu Blutungen und der Bildung von Blutgerinnseln in kleinen Gefäßen führen.
• Tiefe Venenthrombose. Bei der Krankheit kommt es zur Bildung von Blutgerinnseln in den tiefen Venen (hauptsächlich in den unteren Extremitäten).
• Hyperkoagulation. Bei den Patienten wird eine übermäßige Blutgerinnung diagnostiziert. Die Viskosität des Letzteren nimmt zu.

Der Plasmatest oder die Wasserman-Reaktion ist eine Studie, die das Vorhandensein von Antikörpern gegen Treponema pallidum im Plasma nachweist. Basierend auf dieser Reaktion wird die Syphilis sowie die Wirksamkeit ihrer Behandlung berechnet.

Plasma ist eine Flüssigkeit mit komplexer Zusammensetzung, die im menschlichen Leben eine wichtige Rolle spielt. Es ist verantwortlich für Immunität, Blutgerinnung und Homöostase.

Video - Gesundheitsratgeber (Blutplasma)

Was ist der vierte Zustand der Materie, wie unterscheidet er sich von den anderen drei und wie kann er einem Menschen dienen?

Die Annahme, dass es den ersten Materiezustand jenseits der klassischen Triade gibt, wurde zu Beginn des 19. Jahrhunderts aufgestellt und erhielt in den 1920er Jahren seinen Namen – Plasma

Alexey Levin

Vor 150 Jahren glaubten fast alle Chemiker und viele Physiker, dass Materie nur aus Atomen und Molekülen bestehe, die zu mehr oder weniger geordneten oder völlig ungeordneten Verbindungen verbunden seien. Nur wenige bezweifelten, dass alle oder fast alle Stoffe in drei verschiedenen Phasen existieren können – fest, flüssig und gasförmig, die sie je nach äußeren Bedingungen annehmen. Es wurden jedoch bereits Hypothesen über die Möglichkeit anderer Materiezustände geäußert.

Dieses universelle Modell wurde sowohl durch wissenschaftliche Beobachtungen als auch durch jahrtausendealte Erfahrungen im Alltag bestätigt. Schließlich weiß jeder, dass Wasser beim Abkühlen zu Eis wird und beim Erhitzen kocht und verdunstet. Auch Blei und Eisen können in Flüssigkeit und Gas umgewandelt werden, sie müssen lediglich stärker erhitzt werden. Seit dem späten 18. Jahrhundert hatten Forscher Gase in Flüssigkeiten eingefroren, und es schien plausibel, dass sich prinzipiell jedes verflüssigte Gas zum Erstarren bringen ließe. Im Allgemeinen schien ein einfaches und verständliches Bild der drei Zustände der Materie keiner Korrekturen oder Ergänzungen zu bedürfen.

70 km von Marseille entfernt, in Saint-Paul-les-Durance, neben dem französischen Atomenergieforschungszentrum Cadarache, wird ein thermonuklearer Forschungsreaktor ITER (von lateinisch iter – Pfad) gebaut. Die offizielle Hauptaufgabe dieses Reaktors besteht darin, „die wissenschaftliche und technologische Machbarkeit der Erzeugung von Fusionsenergie für friedliche Zwecke zu demonstrieren“. Langfristig (30–35 Jahre) können auf Basis der bei Experimenten am ITER-Reaktor gewonnenen Daten Prototypen sicherer, umweltfreundlicher und wirtschaftlich rentabler Kraftwerke entstehen.

Die damaligen Wissenschaftler wären ziemlich überrascht gewesen, als sie erfahren hätten, dass die festen, flüssigen und gasförmigen Zustände der atomar-molekularen Materie nur bei relativ niedrigen Temperaturen, nicht mehr als 10.000 °C, erhalten bleiben und selbst in dieser Zone nicht alle möglichen Strukturen erschöpft sind ( beispielsweise Flüssigkristalle). Es wäre nicht leicht zu glauben, dass sie nicht mehr als 0,01 % der Gesamtmasse des gegenwärtigen Universums ausmachen. Jetzt wissen wir, dass sich Materie in vielen exotischen Formen verwirklicht. Einige von ihnen (wie entartetes Elektronengas und Neutronenmaterie) existieren nur in superdichten kosmischen Körpern (Weiße Zwerge und Neutronensterne), und andere (wie Quark-Gluon-Flüssigkeit) wurden in einem kurzen Moment kurz nach der Entstehung geboren und verschwanden Urknall. Interessant ist jedoch, dass die Annahme über die Existenz des ersten der Staaten, die über die klassische Triade hinausgehen, im selben 19. Jahrhundert, und zwar ganz am Anfang, gemacht wurde. Es wurde viel später, in den 1920er Jahren, Gegenstand wissenschaftlicher Forschung. Daher erhielt es seinen Namen – Plasma.

Von Faraday bis Langmuir

In der zweiten Hälfte der 70er Jahre des 19. Jahrhunderts interessierte sich William Crookes, Mitglied der Royal Society of London, ein sehr erfolgreicher Meteorologe und Chemiker (er entdeckte Thallium und bestimmte dessen Atomgewicht äußerst genau), für Gasentladungen im Vakuum Röhren. Zu diesem Zeitpunkt war bekannt, dass die negative Elektrode Emanationen unbekannter Natur aussendet, die der deutsche Physiker Eugen Goldstein 1876 Kathodenstrahlen nannte. Nach vielen Experimenten entschied Crookes, dass diese Strahlen nichts anderes als Gasteilchen waren, die nach der Kollision mit der Kathode eine negative Ladung annahmen und sich in Richtung Anode zu bewegen begannen. Er nannte diese geladenen Teilchen „strahlende Materie“.

Tokamak ist eine toroidförmige Anlage zum Einschließen von Plasma mithilfe eines Magnetfelds. Auf sehr hohe Temperaturen erhitztes Plasma berührt die Wände der Kammer nicht, sondern wird durch Magnetfelder gehalten – toroidale Felder, die von den Spulen erzeugt werden, und poloidale Felder, die entstehen, wenn Strom im Plasma fließt. Das Plasma selbst fungiert als Sekundärwicklung des Transformators (die Primärwicklung ist die Spule zur Erzeugung eines toroidalen Feldes), die beim Fließen von elektrischem Strom für die Vorwärmung sorgt.

Es sollte zugegeben werden, dass Crookes bei dieser Erklärung der Natur der Kathodenstrahlen nicht die Originale war. Eine ähnliche Hypothese wurde bereits 1871 vom bekannten britischen Elektroingenieur Cromwell Fleetwood Varley aufgestellt, einem der Leiter der Arbeiten zur Verlegung des ersten transatlantischen Telegraphenkabels. Die Ergebnisse von Experimenten mit Kathodenstrahlen führten Crookes jedoch zu einem sehr tiefgreifenden Gedanken: Das Medium, in dem sie sich ausbreiten, ist kein Gas mehr, sondern etwas völlig anderes. Am 22. August 1879 erklärte Crookes auf einer Sitzung der British Association for the Advancement of Science, dass Entladungen in verdünnten Gasen „so anders sind als alles, was in Luft oder einem anderen Gas unter normalem Druck geschieht, dass wir es in diesem Fall zu tun haben.“ ein Stoff im vierten Zustand, der sich in seinen Eigenschaften von gewöhnlichem Gas in demselben Maße unterscheidet, wie sich ein Gas von einer Flüssigkeit unterscheidet.“

Es wird oft geschrieben, dass es Crookes war, der als erster über den vierten Zustand der Materie nachdachte. Tatsächlich kam Michael Faraday viel früher auf diese Idee. Im Jahr 1819, 60 Jahre vor Crookes, schlug Faraday vor, dass Materie in festen, flüssigen, gasförmigen und strahlenden Zuständen existieren könnte, dem strahlenden Zustand der Materie. In seinem Bericht sagte Crookes direkt, dass er von Faraday entlehnte Begriffe verwendete, aber aus irgendeinem Grund vergaßen seine Nachkommen dies. Faradays Idee war jedoch noch eine spekulative Hypothese und Crookes untermauerte sie mit experimentellen Daten.

Kathodenstrahlen wurden auch nach Crookes intensiv untersucht. Diese Experimente führten William Röntgen 1895 zur Entdeckung einer neuen Art elektromagnetischer Strahlung und führten zu Beginn des 20. Jahrhunderts zur Erfindung der ersten Radioröhren. Aber Crookes' Hypothese eines vierten Materiezustands erregte bei Physikern kein Interesse, höchstwahrscheinlich weil Joseph John Thomson 1897 bewies, dass es sich bei Kathodenstrahlen nicht um geladene Gasatome, sondern um sehr leichte Teilchen handelte, die er Elektronen nannte. Diese Entdeckung schien Crookes' Hypothese unnötig zu machen.

Foto des Teststarts des Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor (KSTAR), der am 15. Juli 2008 das „erste Plasma“ erzeugte. KSTAR, ein Forschungsprojekt zur Untersuchung der Möglichkeit der Kernfusion zur Energiegewinnung, verwendet 30 supraleitende Magnete, die mit flüssigem Helium gekühlt werden.

Sie wurde jedoch wie ein Phönix aus der Asche wiedergeboren. In der zweiten Hälfte der 1920er Jahre begann der spätere Chemie-Nobelpreisträger Irving Langmuir, der im Labor der General Electric Corporation arbeitete, ernsthaft mit der Untersuchung von Gasentladungen. Damals wussten sie bereits, dass Gasatome im Raum zwischen Anode und Kathode Elektronen verlieren und sich in positiv geladene Ionen verwandeln. Langmuir erkannte, dass ein solches Gas viele besondere Eigenschaften hatte und beschloss, ihm einen eigenen Namen zu geben. Aufgrund einer seltsamen Assoziation wählte er das Wort „Plasma“, das zuvor nur in der Mineralogie (ein anderer Name für grünen Chalcedon) und in der Biologie (die flüssige Basis von Blut und Molke) verwendet wurde. In seiner neuen Funktion tauchte der Begriff „Plasma“ erstmals in Langmuirs 1928 veröffentlichtem Artikel „Oscillations in Ionized Gases“ auf. Ungefähr dreißig Jahre lang verwendeten nur wenige Menschen diesen Begriff, doch dann gelangte er fest in die wissenschaftliche Verwendung.

Plasmaphysik

Klassisches Plasma ist ein Ionen-Elektronen-Gas, möglicherweise verdünnt mit neutralen Teilchen (streng genommen sind dort immer Photonen vorhanden, bei moderaten Temperaturen können sie jedoch ignoriert werden). Wenn der Ionisierungsgrad nicht zu niedrig ist (normalerweise reicht ein Prozent), weist dieses Gas viele spezifische Eigenschaften auf, die gewöhnliche Gase nicht besitzen. Es ist jedoch möglich, ein Plasma zu erzeugen, in dem es überhaupt keine freien Elektronen gibt und negative Ionen ihre Verantwortung übernehmen.

Der Einfachheit halber betrachten wir nur Elektronen-Ionen-Plasma. Seine Teilchen werden gemäß dem Coulombschen Gesetz angezogen oder abgestoßen, und diese Wechselwirkung manifestiert sich über große Entfernungen. Genau darin unterscheiden sie sich von Atomen und Molekülen neutralen Gases, die sich nur auf sehr kurze Entfernungen wahrnehmen. Da sich Plasmateilchen im freien Flug befinden, können sie durch elektrische Kräfte leicht verschoben werden. Damit sich das Plasma im Gleichgewicht befindet, ist es notwendig, dass sich die Raumladungen von Elektronen und Ionen vollständig kompensieren. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, entstehen im Plasma elektrische Ströme, die das Gleichgewicht wiederherstellen (wenn sich beispielsweise in einem Bereich ein Überschuss an positiven Ionen bildet, strömen Elektronen sofort dorthin). Daher sind in einem Gleichgewichtsplasma die Dichten von Partikeln unterschiedlichen Vorzeichens praktisch gleich. Diese wichtigste Eigenschaft wird Quasineutralität genannt.

Fast immer nehmen Atome oder Moleküle eines gewöhnlichen Gases nur an Paarwechselwirkungen teil – sie kollidieren miteinander und fliegen auseinander. Plasma ist eine andere Sache. Da seine Teilchen durch weitreichende Coulomb-Kräfte verbunden sind, befindet sich jedes von ihnen im Feld seiner nahen und entfernten Nachbarn. Das bedeutet, dass die Wechselwirkung zwischen Plasmateilchen nicht paarweise, sondern mehrfach – wie Physiker sagen: kollektiv – erfolgt. Dies führt zur Standarddefinition von Plasma – einem quasineutralen System aus einer großen Anzahl ungleicher geladener Teilchen, die kollektives Verhalten zeigen.

Leistungsstarke Elektronenbeschleuniger haben typischerweise eine Länge von Hunderten Metern und sogar Kilometern. Ihre Größe kann erheblich reduziert werden, wenn Elektronen nicht im Vakuum, sondern in einem Plasma beschleunigt werden – „auf dem Gipfel“ sich schnell ausbreitender Störungen in der Dichte von Plasmaladungen, den sogenannten Wake-Wellen, die durch Laserstrahlungsimpulse angeregt werden.

Plasma unterscheidet sich von neutralem Gas durch seine Reaktion auf äußere elektrische und magnetische Felder (normales Gas nimmt sie praktisch nicht wahr). Plasmateilchen hingegen spüren willkürlich schwache Felder und beginnen sich sofort zu bewegen, wobei sie Raumladungen und elektrische Ströme erzeugen. Ein weiteres wichtiges Merkmal des Gleichgewichtsplasmas ist die Ladungsabschirmung. Nehmen wir ein Plasmateilchen, sagen wir ein positives Ion. Es zieht Elektronen an, die eine Wolke negativer Ladung bilden. Das Feld eines solchen Ions verhält sich nur in seiner Nähe nach dem Coulombschen Gesetz und geht bei Entfernungen über einem bestimmten kritischen Wert sehr schnell gegen Null. Dieser Parameter wird Debye-Abschirmungsradius genannt, nach dem niederländischen Physiker Pieter Debye, der diesen Mechanismus 1923 beschrieb.

Es ist leicht zu verstehen, dass Plasma nur dann Quasineutralität behält, wenn seine linearen Abmessungen in allen Dimensionen den Debye-Radius deutlich überschreiten. Es ist erwähnenswert, dass dieser Parameter zunimmt, wenn das Plasma erhitzt wird, und abnimmt, wenn seine Dichte zunimmt. Im Plasma von Gasentladungen beträgt die Größenordnung 0,1 mm, in der Ionosphäre der Erde 1 mm und im Sonnenkern 0,01 nm.

Kontrollierte thermonukleare

Plasma wird heutzutage in den unterschiedlichsten Technologien eingesetzt. Einige davon sind jedem bekannt (Gaslampen, Plasmadisplays), andere sind für spezialisierte Spezialisten interessant (Herstellung von Hochleistungsschutzfolien, Herstellung von Mikrochips, Desinfektion). Die größten Hoffnungen für Plasma werden jedoch im Zusammenhang mit Arbeiten zur Umsetzung kontrollierter thermonuklearer Reaktionen gesetzt. Das ist verständlich. Damit Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen können, müssen sie auf einen Abstand von etwa einem Hundertmilliardstel Zentimeter zusammengebracht werden – und dann beginnen die Kernkräfte zu wirken. Eine solche Annäherung ist nur bei Temperaturen von mehreren zehn und hundert Millionen Grad möglich – in diesem Fall reicht die kinetische Energie positiv geladener Kerne aus, um die elektrostatische Abstoßung zu überwinden. Daher erfordert die kontrollierte thermonukleare Fusion ein Hochtemperatur-Wasserstoffplasma.

Plasma ist in der umgebenden Welt nahezu allgegenwärtig – es kommt nicht nur in Gasentladungen vor, sondern auch in der Ionosphäre von Planeten, in der Oberfläche und in tiefen Schichten aktiver Sterne. Dies ist ein Medium für die Durchführung kontrollierter thermonuklearer Reaktionen, ein Arbeitsmedium für elektrische Weltraumantriebsmotoren und vieles mehr.

Zwar wird Plasma auf Basis von gewöhnlichem Wasserstoff hier nicht helfen. Solche Reaktionen finden in den Tiefen von Sternen statt, sind aber für die terrestrische Energiegewinnung nutzlos, da die Intensität der Energiefreisetzung zu gering ist. Am besten verwenden Sie Plasma aus einer Mischung der schweren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium im Verhältnis 1:1 (reines Deuteriumplasma ist ebenfalls akzeptabel, liefert jedoch weniger Energie und erfordert höhere Temperaturen zur Zündung).

Allerdings reicht Erhitzen allein nicht aus, um die Reaktion zu starten. Erstens muss das Plasma ausreichend dicht sein; Zweitens sollten Partikel, die in die Reaktionszone gelangen, diese nicht zu schnell verlassen, da sonst der Energieverlust die Freisetzung übersteigt. Diese Anforderungen lassen sich in Form eines Kriteriums darstellen, das 1955 vom englischen Physiker John Lawson vorgeschlagen wurde. Nach dieser Formel muss das Produkt aus Plasmadichte und durchschnittlicher Partikeleinschlusszeit höher als ein bestimmter Wert sein, der durch die Temperatur, die Zusammensetzung des thermonuklearen Brennstoffs und den erwarteten Wirkungsgrad des Reaktors bestimmt wird.

Es ist leicht zu erkennen, dass es zwei Möglichkeiten gibt, das Lawson-Kriterium zu erfüllen. Es ist möglich, die Einschlusszeit auf Nanosekunden zu reduzieren, indem man das Plasma beispielsweise auf 100–200 g/cm3 komprimiert (da das Plasma keine Zeit hat, auseinanderzufliegen, wird diese Einschlussmethode als Trägheit bezeichnet). An dieser Strategie arbeiten Physiker seit Mitte der 1960er Jahre; Derzeit wird die fortschrittlichste Version vom Livermore National Laboratory entwickelt. In diesem Jahr beginnen sie mit Experimenten zur Komprimierung von Miniatur-Berylliumkapseln (Durchmesser 1,8 mm), gefüllt mit einer Deuterium-Tritium-Mischung, mithilfe von 192 ultravioletten Laserstrahlen. Die Projektleiter gehen davon aus, dass sie spätestens im Jahr 2012 nicht nur eine thermonukleare Reaktion zünden, sondern auch eine positive Energieausbeute erzielen können. Möglicherweise wird in den kommenden Jahren ein ähnliches Programm im Rahmen des HiPER-Projekts (High Power Laser Energy Research) in Europa gestartet. Doch selbst wenn die Experimente in Livermore ihre Erwartungen voll erfüllen, wird der Weg bis zur Schaffung eines echten thermonuklearen Reaktors mit trägem Plasmaeinschluss immer noch sehr groß bleiben. Tatsache ist, dass zum Bau eines Prototyps eines Kraftwerks ein sehr schnell feuerndes System superstarker Laser benötigt wird. Es sollte eine Blitzfrequenz liefern, die Deuterium-Tritium-Ziele zündet, die tausendmal höher ist als die Fähigkeiten des Livermore-Systems, das nicht mehr als 5-10 Schüsse pro Sekunde abfeuert. Derzeit werden verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung solcher Laserpistolen aktiv diskutiert, ihre praktische Umsetzung ist jedoch noch sehr weit entfernt.

Tokamaki: die alte Garde

Alternativ kann man mit einem verdünnten Plasma (Dichte Nanogramm pro Kubikzentimeter) arbeiten und es für mindestens einige Sekunden in der Reaktionszone halten. Bei solchen Experimenten werden seit mehr als einem halben Jahrhundert verschiedene Magnetfallen eingesetzt, die das Plasma durch Anlegen mehrerer Magnetfelder in einem bestimmten Volumen halten. Am vielversprechendsten gelten Tokamaks – geschlossene Magnetfallen in Form eines Torus, die erstmals von A.D. Sacharow und I.E. vorgeschlagen wurden. Tamm im Jahr 1950. Derzeit sind in verschiedenen Ländern ein Dutzend solcher Anlagen in Betrieb, von denen die größten das Lawson-Kriterium näher an die Erfüllung gebracht haben. Auch der internationale experimentelle thermonukleare Reaktor, der berühmte ITER, der im Dorf Cadarache in der Nähe der französischen Stadt Aix-en-Provence gebaut wird, ist ein Tokamak. Wenn alles nach Plan verläuft, wird es ITER erstmals ermöglichen, Plasma zu erzeugen, das das Lawson-Kriterium erfüllt, und darin eine thermonukleare Reaktion zu zünden.

„In den letzten zwei Jahrzehnten haben wir enorme Fortschritte beim Verständnis der Prozesse gemacht, die in magnetischen Plasmafallen, insbesondere Tokamaks, ablaufen. Im Allgemeinen wissen wir bereits, wie sich Plasmateilchen bewegen, wie instabile Zustände von Plasmaströmen entstehen und inwieweit der Plasmadruck erhöht werden kann, damit er noch von einem Magnetfeld gehalten werden kann. Es wurden auch neue hochpräzise Methoden der Plasmadiagnostik entwickelt, also der Messung verschiedener Plasmaparameter“, sagt Ian Hutchinson, Professor für Kernphysik und Kerntechnologie am Massachusetts Institute of Technology, der seit über 30 Jahren an Tokamaks arbeitet , sagte PM. — Bisher haben die größten Tokamaks in einem Deuterium-Tritium-Plasma thermische Energiefreisetzungsleistungen in der Größenordnung von 10 Megawatt für ein bis zwei Sekunden erreicht. ITER wird diese Werte um einige Größenordnungen übertreffen. Wenn wir uns in unseren Berechnungen nicht irren, wird es innerhalb weniger Minuten mindestens 500 Megawatt produzieren können. Wenn man wirklich Glück hat, wird die Energie zeitlich unbegrenzt und in einem stabilen Modus erzeugt.“

Professor Hutchinson betonte auch, dass die Wissenschaftler nun ein gutes Verständnis für die Natur der Prozesse haben, die in diesem riesigen Tokamak ablaufen müssen: „Wir kennen sogar die Bedingungen, unter denen das Plasma seine eigenen Turbulenzen unterdrückt, und das ist sehr wichtig für die Steuerung des Betriebs.“ Der Reaktor. Natürlich ist es notwendig, viele technische Probleme zu lösen – insbesondere die Entwicklung von Materialien für die Innenauskleidung der Kammer abzuschließen, die einem intensiven Neutronenbeschuss standhalten. Aber aus Sicht der Plasmaphysik ist das Bild ganz klar – zumindest denken wir das. ITER muss bestätigen, dass wir uns nicht irren. Wenn alles gut geht, wird der Tokamak der nächsten Generation an der Reihe sein, der zum Prototyp industrieller thermonuklearer Reaktoren werden wird. Aber jetzt ist es zu früh, darüber zu sprechen. In der Zwischenzeit gehen wir davon aus, dass ITER bis zum Ende dieses Jahrzehnts in Betrieb gehen wird. Höchstwahrscheinlich wird es, zumindest nach unseren Erwartungen, frühestens 2018 in der Lage sein, heißes Plasma zu erzeugen.“ Aus wissenschaftlicher und technischer Sicht hat das ITER-Projekt also gute Aussichten.

Plasma ist Null. Das Vorhandensein freier elektrischer Ladungen macht Plasma zu einem leitenden Medium, wodurch es im Vergleich zu anderen Aggregatzuständen der Materie deutlich stärker mit magnetischen und elektrischen Feldern interagiert. Der „vierte Zustand der Materie“ wurde 1930 von William Crookes entdeckt, und der Name „Plasma“ wurde 1990 von Irving Langmuir vorgeschlagen.

Wie Materie in jedem anderen Aggregatzustand ist Plasma äußerlich neutral, da es eine Mischung aus positiven und negativen Ionen in einer solchen Menge und Konzentration ist, dass sich ihre Ladungen gegenseitig kompensieren. Plasma hat Eigenschaften, die sowohl dem gasförmigen Zustand der Substanz (Partikel bewegen sich frei und der Abstand zwischen den Partikeln ist viel größer als die Partikelgröße) als auch dem flüssigen (hohe Viskosität) und dem festen Zustand (Elektronen bewegen sich frei aus den Atomkernen) ähneln.

1. Formen von Plasma

Nach heutigen Vorstellungen ist der Phasenzustand des größten Teils der Materie (etwa 99,9 % der Masse) im Universum Plasma. Alle Sterne bestehen aus Plasma und sogar der Raum zwischen ihnen ist mit Plasma gefüllt, wenn auch sehr verdünnt (siehe interstellarer Raum). Beispielsweise hat der Planet Jupiter fast die gesamte Materie des Sonnensystems in sich konzentriert, die sich in einem „nichtplasmatischen“ Zustand (flüssig, fest und gasförmig) befindet. Gleichzeitig beträgt die Masse des Jupiter nur etwa 0,1 % der Masse des Sonnensystems und sein Volumen ist sogar noch kleiner: nur 10-15 %. In diesem Fall können kleine Staubpartikel, die den Weltraum füllen und eine bestimmte elektrische Ladung tragen, zusammen als Plasma betrachtet werden, das aus superschweren Ionen besteht (siehe staubiges Plasma).

2. Eigenschaften und Parameter von Plasma

2.1. Plasmabestimmung

Plasma ist ein teilweise oder vollständig ionisiertes Gas, in dem die Dichten positiver und negativer Ladungen nahezu gleich sind. Nicht jedes System geladener Teilchen kann als Plasma bezeichnet werden. Plasma hat folgende Eigenschaften:

2.2. Einstufung

Plasma teilt sich normalerweise ziemlich oft, kaltes Plasma ist nicht im Gleichgewicht und heißes Plasma ist im Gleichgewicht.

2.3. Temperatur

Beim Lesen populärwissenschaftlicher Literatur sieht der Leser oft einen Plasmatemperaturwert in der Größenordnung von Zehntausenden, Hunderttausenden oder sogar Millionen von C oder K. Um Plasma in der Physik zu beschreiben, ist es zweckmäßig, die Temperatur nicht in C, sondern in zu messen Maßeinheiten, die für die Energie der Teilchenbewegung charakteristisch sind, beispielsweise in Elektronenvolt (eV). Um die Temperatur in eV umzurechnen, können Sie die folgende Beziehung verwenden: 1 eV = 11600 K (Kelvin). Somit wird deutlich, dass Temperaturen von „Zehntausenden von C“ durchaus leicht erreichbar sind.

In einem Nichtgleichgewichtsplasma übersteigt die Elektronentemperatur die Ionentemperatur deutlich. Dies geschieht aufgrund der unterschiedlichen Massen von Ion und Elektron, was den Prozess des Energieaustauschs erschwert. Diese Situation tritt bei Gasentladungen auf, wenn Ionen eine Temperatur von etwa Hunderten und Elektronen eine Temperatur von etwa Zehntausenden K haben.

In einem Gleichgewichtsplasma sind beide Temperaturen gleich. Da der Ionisationsprozess Temperaturen erfordert, die mit dem Ionisationspotential vergleichbar sind, ist das Gleichgewichtsplasma normalerweise heiß (mit einer Temperatur von mehr als mehreren tausend K).

Konzept Hochtemperaturplasma Wird normalerweise für thermonukleares Fusionsplasma verwendet, das Temperaturen von Millionen K erfordert.

2.4. Ionisationsgrad

Damit aus einem Gas ein Plasma wird, muss es ionisiert werden. Der Ionisationsgrad ist proportional zur Anzahl der Atome, die Elektronen abgegeben oder aufgenommen haben, und hängt stärker von der Temperatur ab. Auch ein schwach ionisiertes Gas, bei dem weniger als 1 % der Anteile im ionisierten Zustand vorliegen, kann einige typische Eigenschaften eines Plasmas aufweisen (Wechselwirkung mit einem äußeren elektromagnetischen Feld und hohe elektrische Leitfähigkeit). Ionisationsgrad α ist definiert als α = N ich/ (N ich+ N a), wo N i ist die Konzentration von Ionen und N a ist die Konzentration neutraler Atome. Konzentration freier Elektronen in ungeladenem Plasma N e wird durch die offensichtliche Beziehung bestimmt N e = N Ich wo - Durchschnittswert der Plasmaionenladung.

Niedertemperaturplasma zeichnet sich durch einen geringen Ionisationsgrad (bis zu 1 %) aus. Da Plasmen häufig in technologischen Prozessen eingesetzt werden, werden sie manchmal auch als technologische Plasmen bezeichnet. Meistens werden sie durch elektrische Felder erzeugt, die Elektronen beschleunigen, die wiederum Atome ionisieren. Durch induktive oder kapazitive Kopplung werden elektrische Felder in das Gas eingebracht (siehe induktiv gekoppeltes Plasma). Zu den typischen Anwendungen von Niedertemperaturplasma gehören die Plasmamodifikation von Oberflächeneigenschaften (Diamantfilme, Metallnitrierung, Benetzbarkeitsmodifikation), das Plasmaätzen von Oberflächen (Halbleiterindustrie), die Reinigung von Gasen und Flüssigkeiten (Ozonierung von Wasser und Verbrennung von Rußpartikeln in Dieselmotoren). .

Heißes Plasma ist fast immer vollständig ionisiert (Ionisationsgrad ~ 100 %). Normalerweise ist dies mit dem „vierten Zustand der Materie“ gemeint. Ein Beispiel ist die Sonne.

2.5. Dichte

Neben der Temperatur, die für die Existenz eines Plasmas grundlegend ist, ist die zweitwichtigste Eigenschaft eines Plasmas seine Dichte. Kollokation Plasmadichte bedeutet normalerweise Elektronendichte, diese. die Anzahl der freien Elektronen pro Volumeneinheit (streng genommen wird Dichte hier als Konzentration bezeichnet – nicht die Masse einer Volumeneinheit, sondern die Anzahl der Teilchen pro Volumeneinheit). In quasineutralen Plasmen Ionendichte verbunden mit der durchschnittlichen Ladungszahl der Ionen: . Die nächste wichtige Größe ist die Dichte neutraler Atome. In einem heißen Plasma ist der Wert gering, kann aber dennoch für die Physik von Prozessen im Plasma wichtig sein. Bei der Betrachtung von Prozessen in einem dicken, nichtidealen Plasma wird der charakteristische Dichteparameter zu , der als Verhältnis des durchschnittlichen Abstands zwischen Partikeln im Bohr-Radius definiert ist.

2.6. Quasi-Neutralität

Da Plasma ein sehr guter Leiter ist, sind die elektrischen Eigenschaften wichtig. Plasmapotential oder Potenzial des Raumes wird der Durchschnittswert des elektrischen Potentials an einem bestimmten Punkt im Raum genannt. Wenn ein Körper in das Plasma eingebracht wird, ist sein Potenzial aufgrund des Auftretens einer Debye-Schicht im Allgemeinen niedriger als das Plasmapotenzial. Dieses Potenzial heißt schwebendes Potenzial. Aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit schirmt Plasma tendenziell alle elektrischen Felder ab. Dies führt zum Phänomen der Quasineutralität – die Dichte negativer Ladungen ist gleich der Dichte positiver Ladungen (mit guter Genauigkeit). Aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit des Plasmas ist die Trennung positiver und negativer Ladungen bei Abständen größer als der Debian-Länge und einer Zeit größer als der Periode der Plasmaschwingungen unmöglich.

Ein Beispiel für ein nichtquasineutrales Plasma ist ein Elektronenstrahl. Allerdings muss die Dichte nichtneutraler Plasmen sehr gering sein, da sie sonst aufgrund der Coulomb-Abstoßung schnell zerfallen.

3. Physikalische Eigenschaften

Ein charakteristisches Merkmal von Plasma ist im Gegensatz zu anderen Aggregatzuständen die Abschirmung elektrostatischer Wechselwirkungen. In einem Gas, sei es fest oder flüssig, führt die Polarisation von Atomen und Molekülen zu einer Verringerung der Wechselwirkung zwischen Ladungen um einen Betrag, der durch die Dielektrizitätskonstante bestimmt wird. Im Plasma nimmt die Wechselwirkung nicht nur ab, sie zerfällt auch sehr schnell und exponentiell mit zunehmendem Abstand zwischen den Ladungen. Dies ist die Abschirmung der Prädestination durch Umstrukturierung der Ladungsdichte des entgegengesetzten Vorzeichens um jede Ladung herum. Dank der Abschirmung bewegen sich Elektronen und Ionen im Plasma wie in einem Durchschnittsfeld und können als freie Teilchen behandelt werden.

Dank der Abschirmung dringt das äußere elektrische Feld nicht weit über die Abschirmungslänge in das Plasma ein. Allerdings kann ein Magnetfeld das Plasma durchdringen. Ein Plasma, in dem das Magnetfeld stark genug ist, um die Bewegung geladener Teilchen zu beeinflussen, wird als magnetisiert bezeichnet. Das Kriterium für die Plasmamagnetisierung ist die Abwesenheit von Kollisionen zwischen Teilchen während einer Umdrehung in einem Magnetfeld. Es kommt häufig vor, dass Elektronen bereits magnetisiert sind, Ionen jedoch noch nicht. Magnetisiertes Plasma ist anisotrop – seine Eigenschaften hängen von der Richtung relativ zum Magnetfeld ab.

4. Grundlegende Eigenschaften von Plasma

Alle Größen werden in Gaußschen GHS-Einheiten angegeben, mit Ausnahme der Temperatur, die in eV angegeben wird, und der Ionenmasse, die in Protonenmasseneinheiten angegeben wird; Z- Gebührennummer; k- Boltzmann-Konstante ZU- Wellenlänge; γ – adiabatischer Index; ln Λ - Coulomb-Logarithmus.

4.1. Frequenzen

• Larmorfrequenz des Ions, Kreisfrequenz der Kreisbewegung des Ions in einer Ebene senkrecht zum Magnetfeld:

• Ionenplasmafrequenz:

• Elektronenkollisionsfrequenz

• Ionenkollisionsfrequenz

4.2. Längen

• De-Broglie-Elektronenwellenlänge, Elektronenwellenlänge in der Quantenmechanik:

• Mindestannäherungsabstand im klassischen Fall, die Mindestentfernung, die zwei geladene Teilchen bei einem Frontalzusammenstoß erreichen können, und eine Anfangsgeschwindigkeit, die der Temperatur der Teilchen entspricht, wobei quantenmechanische Effekte vernachlässigt werden

• gyromagnetischer Radius zu einem Elektron, Radius der Kreisbewegung eines Elektrons in einer Ebene senkrecht zum Magnetfeld:

• gyromagnetischer Radius des Ions, Radius der Kreisbewegung des Ions in einer Ebene senkrecht zum Magnetfeld:

• Größe der Plasmahautschicht, die Entfernung, bis zu der elektromagnetische Wellen Plasma durchdringen können:

4.3. Geschwindigkeiten

• Geschwindigkeit des Ionenschalls, Geschwindigkeit longitudinaler Ionenschallwellen:

4.4. Dimensionslose Mengen

• Anzahl der Teilchen in der Debye-Kugel:

• Verhältnis der Alfvenschen Geschwindigkeit zur Lichtgeschwindigkeit

• Verhältnis der Plasma- und Larmoritfrequenzen für ein Elektron

• Verhältnis von Plasma- und Larmorfrequenz für ein Ion

• Verhältnis von thermischer und magnetischer Energie

• Verhältnis der magnetischen Energie zur Ionenruheenergie

5. Unterschied zu Gas

Der Hauptunterschied zwischen Plasma und Gas besteht darin, dass ein wesentlicher Bestandteil des Plasmas neben Atomen, Ionen und Elektronen das elektromagnetische Feld ist. Es gibt keinen klar definierten Phasenübergang zwischen Gas und Plasma. Mit zunehmendem Ionisationsgrad geht die Substanz vom Gas allmählich in den Plasmazustand über.

Das Vorhandensein von Ladungen verändert die Art der Wechselwirkung zwischen Teilchen erheblich. Gasatome interagieren nur bei Kollisionen miteinander, wenn die Abstände zwischen ihnen gering sind. Die Coulomb-Wechselwirkung von Ladungen wirkt über große Entfernungen, daher ist die Bewegung geladener Teilchen in einem Plasma kollektiv – eine Änderung der Position eines Teilchens führt zu einer Verschiebung anderer Teilchen, was wiederum zu einer weiteren Verschiebung noch weiterer Teilchen führt. Diese Verschiebungen gehen mit der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Plasma einher, die durch eine lokale Änderung der Ladungsdichte verursacht wird. Plasma ist durch sogenannte Plasmaoszillationen gekennzeichnet – die gleichmäßige Ausbreitung einer Ladungsdichtewelle einer longitudinalen elektromagnetischen Welle im Raum. Aufgrund der Tatsache, dass Plasma aus mindestens zwei Arten geladener Teilchen besteht: Elektronen und Ionen, gibt es verschiedene Arten von Plasmaschwingungen – elektronische Plasmaschwingungen und Ionenschwingungen, den sogenannten Ionenschall.

Kollektive Schwingungen in einem Plasma werden maßgeblich durch ein äußeres Magnetfeld beeinflusst, verändern ihren Charakter und führen zur Entstehung einer erheblichen Anzahl unterschiedlicher Wellentypen. Im Gegensatz zu Gas weist Plasma eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf.

5.1. Mindestmaße

Der Begriff Plasma kann nur auf eine makroskopische Ansammlung von Teilchen angewendet werden, in der die statistischen Gesetze der gegenseitigen Kompensation und der gegenseitigen Abschirmung von Ladungen gelten. Mit einer genaueren Definition von Plasma zeigen sie daher, dass eine Ansammlung von Partikeln nur dann als Plasma betrachtet werden kann, wenn ihre Abmessungen deutlich größer als der Debye-Abschirmradius sind.

Folglich ist die Definition von Plasma als „ein gasförmiges Medium, in dem die Konzentrationen positiver und negativer Ladungen praktisch gleich sind und die chaotische Bewegung der Teilchen selbst in einem elektrischen Feld Vorrang vor ihrer geordneten Bewegung hat.“

6. Natürliches und künstliches Plasma

Unter terrestrischen Bedingungen liegt die Substanz der Ionosphäre im Zustand von Plasma vor; das Nordlicht existiert in Form von Blitzen, im Feuer von St. Elmo. Die Flamme ionisiert die Substanz größtenteils auch und bildet ein Plasma. Freie Elektronen in Metallen, die sich zwischen positiv geladenen Ionenkernen bewegen, können ebenfalls als Plasma betrachtet werden – ihr Verhalten in externen elektrischen und elektromagnetischen Feldern ähnelt dem Verhalten von Plasma.

Plasma wird vom Menschen auch dort künstlich erzeugt, wo eine elektrische Entladung zum Einsatz kommt: in Bogen- und Leuchtstofflampen, in Lichtbögen beim Elektroschweißen, in Ionenmotoren, Plasmafernsehern usw.

6.1. Andere

• Böhmischer Diffusionskoeffizient

• Spitzer-Querwiderstand

7. Mathematische Beschreibung

Plasma kann auf verschiedenen Detailebenen beschrieben werden. Normalerweise wird Plasma getrennt von elektromagnetischen Feldern beschrieben. Eine allgemeine Beschreibung leitfähiger Flüssigkeiten und elektromagnetischer Felder findet sich in der Theorie magnetohydrodynamischer Phänomene oder MHD-Theorie.

7.1. Fluid-(Flüssigkeits-)Modell

Im Flüssigkeitsmodell werden Elektronen anhand von Dichte, Temperatur und Durchschnittsgeschwindigkeit beschrieben. Das Modell basiert auf: der Gleichgewichtsgleichung für die Dichte, der Impulserhaltungsgleichung und der Elektronenenergiebilanzgleichung. Im Zwei-Fluid-Modell werden Ionen auf die gleiche Weise behandelt.

7.2. Kinetische Beschreibung

Manchmal reicht das Flüssigkeitsmodell nicht aus, um Plasma zu beschreiben. Eine detailliertere Beschreibung liefert das kinetische Modell, in dem das Plasma anhand der Verteilungsfunktion von Elektronen über Koordinaten und Impulse beschrieben wird. Das Modell basiert auf der Boltzmann-Gleichung. Die Boltzmann-Gleichung wird verwendet, um ein Plasma geladener Teilchen mit Coulomb-Wechselwirkungen zu beschreiben, die aus der weitreichenden Natur der Coulomb-Kräfte resultieren. Um Plasma mit Coulomb-Wechselwirkung zu beschreiben, wird daher die Vlasov-Gleichung mit einem in sich konsistenten elektromagnetischen Feld verwendet, das durch geladene Plasmateilchen erzeugt wird. Die kinetische Beschreibung muss verwendet werden, wenn kein thermodynamisches Gleichgewicht vorliegt oder starke Plasmainhomogenitäten vorliegen.

Ministerium für Bildung und Wissenschaft der Russischen Föderation

Bundesamt für Bildung

Pacific State Economic University

Abteilung für Physik

Thema: Plasma – der vierte Zustand der Materie

Durchgeführt:

Der Aggregatzustand ist ein Zustand der Materie, der durch bestimmte qualitative Eigenschaften gekennzeichnet ist: die Fähigkeit oder Unfähigkeit, Volumen und Form beizubehalten, das Vorhandensein oder Fehlen einer Fern- und Nahordnung und andere. Eine Änderung des Aggregatzustands kann mit einer abrupten Änderung der freien Energie, der Entropie, der Dichte und anderer grundlegender physikalischer Eigenschaften einhergehen.

Es ist bekannt, dass jede Substanz nur in einem von drei Zuständen existieren kann: fest, flüssig oder gasförmig. Ein klassisches Beispiel dafür ist Wasser, das in Form von Eis, Flüssigkeit und Dampf vorliegen kann. Wenn wir jedoch das gesamte Universum als Ganzes betrachten, gibt es nur sehr wenige Substanzen, die sich in diesen als unbestreitbar und weit verbreitet angesehenen Zuständen befinden. Es ist unwahrscheinlich, dass sie die in der Chemie als vernachlässigbar geltenden Spuren überschreiten. Alle anderen Materien im Universum befinden sich im sogenannten Plasmazustand.

Das Wort „Plasma“ (aus dem Griechischen „Plasma“ – „gebildet“) entstand Mitte des 19. Jahrhunderts

V. wurde der farblose Teil des Blutes (ohne rote und weiße Körper) genannt und

Flüssigkeit, die lebende Zellen füllt. Im Jahr 1929 bezeichneten die amerikanischen Physiker Irving Langmuir (1881–1957) und Levi Tonko (1897–1971) ionisiertes Gas in einer Gasentladungsröhre als Plasma.

Der englische Physiker William Crookes (1832–1919), der Elektrotechnik studierte

Entladung in Rohren mit verdünnter Luft, schrieb: „Phänomene in der Evakuierung

Röhren eröffnen der Physik eine neue Welt, in der Materie in einem vierten Zustand existieren kann.“

Abhängig von der Temperatur verändert jeder Stoff seine Eigenschaften

Zustand. So ist Wasser bei negativen Temperaturen (Celsius) im festen Zustand, im Bereich von 0 bis 100 °C im flüssigen Zustand, oberhalb von 100 °C im gasförmigen Zustand. Steigt die Temperatur weiter, entstehen Atome und Moleküle Sie beginnen, ihre Elektronen zu verlieren – sie werden ionisiert und Gas wird zu Plasma. Bei Temperaturen über 1.000.000 °C ist Plasma vollständig ionisiert – es besteht nur aus Elektronen und positiven Ionen Etwa 99 % der Masse des Universums, die meisten Sterne, sind vollständig ionisiertes Plasma. Auch der äußere Teil der Erdatmosphäre (Ionosphäre) ist Plasma.

Noch höher liegen die Strahlungsgürtel, die Plasma enthalten.

Polarlichter, Blitze, einschließlich Kugelblitze, sind allesamt verschiedene Arten von Plasma, die unter natürlichen Bedingungen auf der Erde beobachtet werden können. Und nur ein unbedeutender Teil des Universums besteht aus fester Materie – Planeten, Asteroiden und Staubnebeln.

Unter Plasma versteht man in der Physik ein aus elektrischer Energie bestehendes Gas

geladene und neutrale Teilchen, bei denen die gesamte elektrische Ladung Null ist, d.h. die Bedingung der Quasineutralität ist erfüllt (daher ist beispielsweise ein im Vakuum fliegender Elektronenstrahl kein Plasma: Er trägt eine negative Ladung).

1.1. Die typischsten Formen von Plasma

Eigenschaften und Parameter von Plasma

Plasma hat folgende Eigenschaften:

Ausreichende Dichte: Geladene Teilchen müssen nahe genug beieinander sein, damit jedes von ihnen mit einem ganzen System benachbarter geladener Teilchen interagiert. Die Bedingung gilt als erfüllt, wenn die Anzahl der geladenen Teilchen im Einflussbereich (einer Kugel mit Debye-Radius) ausreicht, um kollektive Effekte (solche Erscheinungen sind eine typische Eigenschaft von Plasma) hervorzurufen. Mathematisch lässt sich diese Bedingung wie folgt ausdrücken:

Priorität interner Wechselwirkungen: Der Radius des Debye-Screenings muss im Vergleich zur charakteristischen Größe des Plasmas klein sein. Dieses Kriterium bedeutet, dass die im Inneren des Plasmas auftretenden Wechselwirkungen im Vergleich zu den vernachlässigbaren Auswirkungen an seiner Oberfläche bedeutender sind. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann das Plasma als quasineutral betrachtet werden. Mathematisch sieht es so aus:

Plasmafrequenz: Die durchschnittliche Zeit zwischen Teilchenkollisionen muss im Vergleich zur Periode der Plasmaschwingungen groß sein. Diese Schwingungen werden durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes auf die Ladung verursacht, die aufgrund einer Verletzung der Quasineutralität des Plasmas entsteht. Dieses Feld versucht, das gestörte Gleichgewicht wiederherzustellen. Bei der Rückkehr in die Gleichgewichtslage durchläuft die Ladung diese Lage durch Trägheit, was wiederum zum Auftreten eines starken Rückkehrfeldes führt und es treten typische mechanische Schwingungen auf. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, haben die elektrodynamischen Eigenschaften des Plasmas Vorrang vor den molekularkinetischen. In der Sprache der Mathematik sieht diese Bedingung so aus:

2.1. Einstufung

Plasma wird normalerweise in ideales und nicht ideales Plasma, Niedertemperatur- und Hochtemperaturplasma, Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht unterteilt, während kaltes Plasma häufig Nichtgleichgewicht und heißes Plasma Gleichgewicht ist.

2.2. Temperatur

Beim Lesen populärwissenschaftlicher Literatur sieht der Leser häufig Plasmatemperaturwerte in der Größenordnung von Zehntausenden, Hunderttausenden oder sogar Millionen °C oder K. Um Plasma in der Physik zu beschreiben, ist es zweckmäßig, die Temperatur nicht in °C zu messen , sondern in Maßeinheiten der charakteristischen Energie der Teilchenbewegung, beispielsweise in Elektronenvolt (eV). Um die Temperatur in eV umzurechnen, können Sie die folgende Beziehung verwenden: 1 eV = 11600 K (Kelvin). Somit wird deutlich, dass Temperaturen von „Zehntausenden °C“ durchaus problemlos erreichbar sind.

In einem Nichtgleichgewichtsplasma übersteigt die Elektronentemperatur die Ionentemperatur deutlich. Dies geschieht aufgrund der unterschiedlichen Massen von Ion und Elektron, was den Prozess des Energieaustauschs erschwert. Diese Situation tritt bei Gasentladungen auf, wenn Ionen eine Temperatur von etwa Hunderten und Elektronen eine Temperatur von etwa Zehntausenden K haben.

In einem Gleichgewichtsplasma sind beide Temperaturen gleich. Da der Ionisationsprozess Temperaturen erfordert, die mit dem Ionisationspotential vergleichbar sind, ist das Gleichgewichtsplasma normalerweise heiß (mit einer Temperatur von mehr als mehreren tausend K).

Der Begriff Hochtemperaturplasma wird üblicherweise für thermonukleares Fusionsplasma verwendet, das Temperaturen von mehreren Millionen K erfordert.

2.3. Ionisationsgrad

Damit sich ein Gas in ein Plasma umwandeln kann, muss es ionisiert werden. Der Ionisierungsgrad ist proportional zur Anzahl der Atome, die Elektronen abgegeben oder absorbiert haben, und hängt vor allem von der Temperatur ab. Auch ein schwach ionisiertes Gas, bei dem sich weniger als 1 % der Partikel im ionisierten Zustand befinden, kann einige typische Eigenschaften eines Plasmas aufweisen (Wechselwirkung mit einem äußeren elektromagnetischen Feld und hohe elektrische Leitfähigkeit). Der Ionisationsgrad α wird als α = ni/(ni + na) bestimmt, wobei ni die Konzentration der Ionen und na die Konzentration neutraler Atome ist. Die Konzentration freier Elektronen im ungeladenen Plasma ne wird durch die offensichtliche Beziehung bestimmt: ne= ni, wo - Durchschnittswert der Plasmaionenladung.

Niedertemperaturplasma zeichnet sich durch einen geringen Ionisationsgrad (bis zu 1 %) aus. Da solche Plasmen häufig in technologischen Prozessen eingesetzt werden, werden sie manchmal auch als technologische Plasmen bezeichnet. Meistens werden sie durch elektrische Felder erzeugt, die Elektronen beschleunigen, die wiederum Atome ionisieren. Durch induktive oder kapazitive Kopplung werden elektrische Felder in das Gas eingebracht (siehe induktiv gekoppeltes Plasma). Zu den typischen Anwendungen von Niedertemperaturplasma gehören die Plasmamodifikation von Oberflächeneigenschaften (Diamantfilme, Metallnitrierung, Benetzbarkeitsmodifikation), das Plasmaätzen von Oberflächen (Halbleiterindustrie), die Reinigung von Gasen und Flüssigkeiten (Ozonierung von Wasser und Verbrennung von Rußpartikeln in Dieselmotoren). .