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

Bei hohen Temperaturen, unter dem Einfluss eines Elektromagneten. Felder hoher Intensität, wenn das Gas mit Strömen geladener Teilchen hoher Energie 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 t-roy 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 und e die Elementarspannung ist. Ladung (Elektronenladung), k ist die 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 viel geringer als die effektive Ionisierungsenergie von Gaspartikeln; Es wird davon ausgegangen, dass Hochtemperaturplasma durch das umgekehrte Verhältnis der angegebenen Energien gekennzeichnet ist (der Beitrag zersetzbarer Partikel zur Ionisierung wird berücksichtigt). Typischerweise hat ein Niedertemperaturplasma eine Teilchen-Tru von weniger als 10 5 K, ein Hochtemperaturplasma in der Größenordnung von 10 -10 8 K. Das Verhältnis der Konzentration geladener Teilchen zur Gesamtkonzentration aller Teilchen wird genannt. Grad der Plasmaionisation.

P im Labor gewonnenes Plasma. Bedingungen, liegt in der Thermodynamik. Es handelt sich um ein offenes System, das sich thermodynamisch immer im Nichtgleichgewicht befindet. Die Prozesse der Energie- und Stoffübertragung führen zu einer Verletzung der lokalen Thermodynamik. Gleichgewicht und Stationarität (siehe Chemische Thermodynamik) ist das Plancksche Gesetz für das Strahlungsfeld in der Regel nicht erfüllt. Plasma angerufen. thermisch, wenn sein Zustand im Rahmen des lokalen thermischen Modells beschrieben wird. Gleichgewicht, nämlich: alle Teilchen sind in Geschwindigkeiten gemäß dem Maxwellschen Gesetz verteilt; Versuchen Sie, dass alle Komponenten gleich sind. die Zusammensetzung des Plasmas wird durch das Massenwirkungsgesetz bestimmt, insbesondere wird die ionische Zusammensetzung durch das Gleichgewicht zwischen Ionisierung und Rekombination bestimmt (die Eggert-Saha-Formel ist im Wesentlichen ein Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante dieser Prozesse); Energiebevölkerung. Die Niveaus aller Teilchen gehorchen der Boltzmann-Verteilung. Thermisches Plasma zeichnet sich in der Regel durch einen hohen Ionisationsgrad aus und kann sein. in Gasen mit relativ geringer effektiver Ionisationsenergie bei ausreichend hoher optischer Wirkung umgesetzt. Dichte (d. h. Plasmastrahlung wird fast vollständig von ihren eigenen Partikeln absorbiert). Plasma wird üblicherweise durch das partielle lokale thermische Modell beschrieben. Gleichgewicht, das alle oben genannten Punkte umfasst. Position, erfordert jedoch die Befolgung des Boltzmann-Gesetzes der Populationen nur der angeregten 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 Bedingungen der örtlichen Thermik. Das Gleichgewicht führt zur Bildung eines Ungleichgewichtsplasmas. Offensichtlich gibt es unendlich viele Nichtgleichgewichtszustände des Plasmas. Ein Beispiel für ein stark ungleichgewichtiges Plasma ist ein Glimmentladungsplasma in Gasen bei Drücken von 10 1–10 3 Pa, bei dem die durchschnittliche Elektronenenergie 3–6 eV beträgt und die Temperatur schwerer Teilchen normalerweise 1000 K nicht überschreitet Die Existenz und Stationarität eines solchen Niist auf die Schwierigkeit des Energieaustauschs zwischen Elektronen und schweren Teilchen zurückzuführen. Im Plasma Gase zudem ineffizientEnergieaustausch zwischen intern Freiheitsgrade: elektronisch, Vibration, Rotation. Innerhalb jedes Freiheitsgrades findet der Energieaustausch relativ leicht statt, was zur Bildung von Quasi-Gleichgewichtsverteilungen der Teilchen in der entsprechenden Energie führt. Zustände. In diesem Fall spricht man von elektronisch, oszillierend, rotierend. T-Rah-Plasmapartikel.

Hauptsächlich Die Merkmale des Plasmas, 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 wie folgt.

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

2) Starker elektrischer Einfluss. und magn. Felder auf St-va-Plasma, ein Schnitt führt zum Auftreten von Lücken im Plasma. Ladungen und Ströme und verursacht eine Reihe spezifischer. St. im Plasma.

Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Plasmas ist seine Quasineutralität, d. h. nahezu vollständige gegenseitige Kompensation der Ladungen bei Entfernungen, die viel größer als der Debye-Abschirmradius sind. Elektrisch Das Feld eines einzelnen geladenen Teilchens in einem 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.

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

Im Labor Bedingungen und beim Abschlussball. Anwendungen wird Plasma mittels elektrischer Energie gewonnen. Entladung in

Menschliches Blut besteht aus zwei Komponenten: einer flüssigen Basis oder Plasma und zellulären Elementen. Was ist Plasma und wie ist seine Zusammensetzung? Welche Funktion hat Plasma? Bringen wir alles in Ordnung.

Alles rund ums Plasma

Plasma ist eine Flüssigkeit, die aus Wasser und Feststoffen besteht. Es macht den Großteil des Blutes aus – etwa 60 %. Dank Plasma hat das Blut einen flüssigen Zustand. Obwohl Plasma in Bezug auf physikalische Indikatoren (in Bezug auf die Dichte) schwerer als Wasser ist.

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

Trübes Plasma entsteht, nachdem eine Person fetthaltige Lebensmittel zu sich genommen hat.

Woraus besteht Plasma?

Die Zusammensetzung des Plasmas wird dargestellt:

• Wasser;
• Salze und organische Stoffe.

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

Wie viel Prozent des Plasmavolumens besteht aus Protein?

Dies ist die zahlreichste Plasmakomponente, sie macht 8 % des Gesamtplasmas aus. Plasma enthält Protein verschiedener Fraktionen.

Die wichtigsten sind:

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

Zusammensetzung und Aufgaben von Nichtproteinverbindungen 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 Zerstörung des Proteins und der Aufnahme großer Mengen stickstoffhaltiger Substanzen in den Körper. Letzterer Fall ist typisch für Diabetes, Hunger und Verbrennungen.
• Organische Verbindungen, die keinen Stickstoff enthalten. Dazu gehören Cholesterin, Glukose und Milchsäure. Sie werden auch von Lipiden begleitet. Alle diese Komponenten müssen überwacht werden, da sie für die Aufrechterhaltung einer vollen Lebensdauer notwendig sind.
• Anorganische Stoffe (Ca, Mg). Na- und Cl-Ionen sind für die Aufrechterhaltung eines konstanten pH-Wertes im Blut verantwortlich. Sie überwachen auch den osmotischen Druck. Ca-Ionen sind an der Muskelkontraktion beteiligt und stimulieren die Empfindlichkeit von Nervenzellen.

Eiweiß

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

Zweck von Albumin:

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

Anhand der Albuminmenge beurteilen Ärzte den Zustand der Leber. 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. Tragen Fe, Zn-Kationen, Steroidhormone, Sterole, Phospholipide.
• γ - Globuline. Antikörper oder Immunglobuline binden Histamin und sind an schützenden Immunreaktionen beteiligt. Sie werden von der Leber, dem Lymphgewebe, dem Knochenmark und der 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 überwinden.
• IgM- das erste Immunglobulin, das im ungeborenen Kind gebildet wird. Das Protein ist sehr eifrig. Es ist das erste, das nach der Impfung im Blut gefunden 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 an Stellen, an denen die Integrität der Gefäße gebrochen ist, ein Blutgerinnsel.

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 ​​reduzieren sich auf:

• Aufrechterhaltung der Homöostase und des Aggregatzustands des Blutes;
• Kontrolle von Immunantworten;
• 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, Nährstoffen.
• 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. Dies impliziert die Kontrolle über die Flüssigkeit, die während der Blutung stoppt und das gebildete Blutgerinnsel entfernt.

Die Verwendung von Plasma bei der Spende

Vollblut wird heute nicht mehr transfundiert: Zu therapeutischen Zwecken werden Plasma und geformte Bestandteile getrennt isoliert. In Blutspendestellen wird am häufigsten Blut für Plasma gespendet.

Wie bekomme ich Plasma?

Durch Zentrifugation wird aus dem Blut Plasma gewonnen. Die Methode ermöglicht es, Plasma mit einem speziellen Gerät von zellulären Elementen zu trennen, ohne diese zu beschädigen.. Die Blutzellen werden an den Spender zurückgegeben.

Eine Plasmaspende hat gegenüber einer einfachen Blutspende eine Reihe von Vorteilen:

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

Es gibt Einschränkungen bei der Plasmaspende. Ein Spender darf also höchstens 12 Mal im 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 Thermostat gegeben. Anschließend wird das entstandene Blutgerinnsel von den Wänden des Reagenzglases abgezogen und 24 Stunden lang im Kühlschrank bestimmt. 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 erbliche Pathologie, bei der ein Protein fehlt, das für die Blutgerinnung verantwortlich ist.
• Blutvergiftung oder Sepsis. Ein Phänomen, das aufgrund einer Infektion direkt im Blutkreislauf auftritt.
• DIC-Syndrom. Ein pathologischer Zustand, der durch Schock, Sepsis und schwere Verletzungen verursacht wird. Sie ist durch Störungen der Blutgerinnung gekennzeichnet, 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 tiefen Venen (hauptsächlich in den unteren Extremitäten).
• Hyperkoagulabilität. Bei den Patienten wird eine übermäßig hohe Blutgerinnung diagnostiziert. Die Viskosität des Letzteren nimmt zu.

Ein Plasmatest oder Wasserman-Reaktion ist eine Studie, die das Vorhandensein von Antikörpern im Plasma gegen blasses Treponem 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 der Existenz des ersten Materiezustandes, der über die klassische Triade hinausgeht, 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 Menschen 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. Blei und Eisen können auch in eine Flüssigkeit oder ein Gas umgewandelt werden, sie müssen lediglich stärker erhitzt werden. Seit dem späten 18. Jahrhundert beschäftigten sich Forscher mit dem Einfrieren von Gasen in Flüssigkeiten, 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 Korrektur oder Ergänzung zu bedürfen.

70 km von Marseille entfernt, in Saint-Paul-le-Durance, neben dem französischen Forschungszentrum für Atomenergie Cadarache, wird ein Forschungsfusionsreaktor ITER (von lateinisch iter – Pfad) gebaut. Die offizielle Hauptaufgabe dieses Reaktors besteht darin, „die wissenschaftliche und technologische Machbarkeit der Gewinnung 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, wenn sie erfahren hätten, dass die festen, flüssigen und gasförmigen Zustände einer atomar-molekularen Substanz nur bei relativ niedrigen Temperaturen, nicht mehr als 10.000 °C, erhalten bleiben und selbst in dieser Zone nicht alle möglichen Zustände erschöpfen Strukturen (ein Beispiel sind Flüssigkristalle). Es wäre nicht leicht zu glauben, dass sie nicht mehr als 0,01 % der Gesamtmasse des gegenwärtigen Universums ausmachen. Wir wissen heute, dass Materie in vielen exotischen Formen auftritt. Einige von ihnen (z. B. entartetes Elektronengas und Neutronenmaterie) existieren nur in superdichten kosmischen Körpern (Weiße Zwerge und Neutronensterne), und andere (z. B. Quark-Gluon-Flüssigkeit) wurden in einem kurzen Moment kurz nach dem Großen geboren und verschwanden Knall. Interessant ist jedoch, dass die Annahme über die Existenz des ersten der Staaten, die über den Rahmen der klassischen Triade hinausgehen, bereits im 19. Jahrhundert, und zwar ganz am Anfang, aufgestellt wurde. Es wurde viel später, in den 1920er Jahren, Gegenstand wissenschaftlicher Forschung. Dann bekam es seinen Namen – Plasma.

Von Faraday bis Langmuir

In der zweiten Hälfte der 1970er Jahre 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 in Vakuumröhren. Zu diesem Zeitpunkt war bekannt, dass die negative Elektrode eine Emanation unbekannter Natur aussendete, die der deutsche Physiker Eugen Goldstein 1876 Kathodenstrahlen nannte. Nach vielen Experimenten kam Crookes zu dem Schluss, 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“, strahlende Materie.

Tokamak ist ein torusförmiges Gerät zum Einschließen von Plasma mithilfe eines Magnetfelds. Das auf sehr hohe Temperaturen erhitzte Plasma berührt die Wände der Kammer nicht, sondern wird von Magnetfeldern gehalten – toroidalen, die durch Spulen erzeugt werden, und poloidalen, die entstehen, wenn Strom im Plasma fließt. Das Plasma selbst spielt die Rolle der Sekundärwicklung des Transformators (Primärspulen zur Erzeugung eines toroidalen Feldes), die für die Vorwärmung sorgt, wenn ein elektrischer Strom fließt.

Es muss zugegeben werden, dass Crookes in dieser Erklärung der Natur der Kathodenstrahlen nicht die Originale war. Bereits 1871 wurde eine ähnliche Hypothese von dem bekannten britischen Elektroingenieur Cromwell Fleetwood Varley geäußert, einem der Anführer bei der 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 Promotion of Science, dass Entladungen in verdünnten Gasen „so anders sind als alles, was in Luft oder einem anderen Gas bei normalem Druck geschieht, dass wir es in diesem Fall zu tun haben.“ ein Stoff im vierten Zustand, der sich in seinen Eigenschaften von einem gewöhnlichen Gas im gleichen Maße unterscheidet wie ein Gas von einer Flüssigkeit.

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

Auch Kathodenstrahlen wurden 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 nicht das Interesse der Physiker, wahrscheinlich weil Joseph John Thomson 1897 bewies, dass es sich bei Kathodenstrahlen nicht um geladene Gasatome, sondern um sehr leichte Teilchen handelt, die er Elektronen nannte. Diese Entdeckung schien Crookes' Hypothese unnötig zu machen.

Screenshot des Korea Superconducting Tokamak (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) Testlaufs von Koreas „erstem Plasma“ am 15. Juli 2008. KSTAR, ein Forschungsprojekt zur Erforschung der Möglichkeit der Fusion zur Energieerzeugung, verwendet 30 mit flüssigem Helium gekühlte supraleitende Magnete .

Sie wurde jedoch wie ein Phönix aus der Asche wiedergeboren. In der zweiten Hälfte der 1920er Jahre beschäftigte sich der spätere Nobelpreisträger für Chemie, Irving Langmuir, der im Labor der General Electric Corporation arbeitete, 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 hat und beschloss, ihm einen eigenen Namen zu geben. Durch eine seltsame Assoziation wählte er das Wort „Plasma“, das bis dahin nur in der Mineralogie (dies ist 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. Dreißig Jahre lang verwendeten nur wenige Menschen diesen Begriff, doch dann gelangte er endgültig 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 vernachlässigt werden). Wenn der Ionisierungsgrad nicht zu niedrig ist (in der Regel 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 Aufgaben übernehmen.

Der Einfachheit halber betrachten wir nur das Elektronen-Ionen-Plasma. Seine Teilchen werden gemäß dem Coulombschen Gesetz angezogen oder abgestoßen, und diese Wechselwirkung zeigt sich in großen Entfernungen. Genau das unterscheidet sie von den Atomen und Molekülen eines neutralen Gases, die sich nur in sehr geringen Abständen spüren. 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 beispielsweise in einem Bereich ein Überschuss an positiven Ionen gebildet wird, 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 gewöhnlichen Gases nur an Paarwechselwirkungen teil – sie kollidieren miteinander und fliegen auseinander. Plasma ist eine andere Sache. Da seine Teilchen durch weitreichende Coulomb-Kräfte gebunden sind, befindet sich jedes von ihnen im Feld seiner nahen und fernen Nachbarn. Das bedeutet, dass die Wechselwirkung zwischen Plasmateilchen nicht paarweise, sondern mehrfach – wie Physiker sagen: kollektiv – erfolgt. Daraus folgt die Standarddefinition von Plasma – ein quasineutrales System aus einer großen Anzahl geladener Teilchen mit entgegengesetzten Namen, die kollektives Verhalten zeigen.

Leistungsstarke Elektronenbeschleuniger haben eine charakteristische Länge von Hunderten von Metern und sogar Kilometern. Ihre Abmessungen können erheblich reduziert werden, wenn Elektronen nicht im Vakuum, sondern im Plasma beschleunigt werden – „auf dem Höhepunkt“ sich schnell ausbreitender Störungen in der Dichte von Plasmaladungen, den sogenannten Wakewellen, 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 beliebig schwache Felder und setzen sich sofort in Bewegung, wodurch Raumladungen und elektrische Ströme erzeugt werden. Ein weiteres wichtiges Merkmal eines 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 Coulomb-Gesetz und geht bei Abständen über einem bestimmten kritischen Wert sehr schnell gegen Null. Dieser Parameter wird Debye-Abschirmungsradius genannt, nach dem niederländischen Physiker Peter Debye, der diesen Mechanismus 1923 beschrieb.

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

kontrollierte Fusion

Plasma wird heute in den unterschiedlichsten Technologien eingesetzt. Einige davon sind jedem bekannt (Gaslampen, Plasmadisplays), andere sind für enge Spezialisten interessant (Herstellung von Hochleistungsschutzfilmbeschichtungen, Herstellung von Mikrochips, Desinfektion). Die größten Hoffnungen werden jedoch auf Plasma im Zusammenhang mit Arbeiten zur Umsetzung kontrollierter thermonuklearer Reaktionen gesetzt. Das ist verständlich. Damit Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen können, müssen sie auf eine Entfernung in der Größenordnung von einem Hundertmilliardstel Zentimeter gebracht werden – und dort wirken bereits Kernkräfte. Ein solcher Ansatz ist nur bei Temperaturen von mehreren zehn bis 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 die Umgebung für die Durchführung kontrollierter thermonuklearer Reaktionen, das Arbeitsmedium für elektrische Weltraumantriebsmotoren und vieles mehr.

Ein Plasma auf Basis von gewöhnlichem Wasserstoff wird hier zwar nicht helfen. Solche Reaktionen finden im Inneren von Sternen statt, sind aber für die terrestrische Energiegewinnung nutzlos, da die Intensität der Energiefreisetzung zu gering ist. Das am besten zu verwendende Plasma ist eine 1:1-Mischung aus schweren Wasserstoffisotopen von Deuterium und Tritium (reines Deuteriumplasma ist ebenfalls akzeptabel, liefert jedoch weniger Energie und erfordert höhere Zündtemperaturen).

Allerdings reicht Erhitzen allein nicht aus, um die Reaktion zu starten. Erstens muss das Plasma ausreichend dicht sein; Zweitens sollten die Partikel, die in die Reaktionszone gelangt sind, 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. Gemäß dieser Formel muss das Produkt aus Plasmadichte und mittlerer Partikelretentionszeit 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, sich auszudehnen, wird diese Einschlussmethode als Trägheitseinschluss bezeichnet). Physiker praktizieren diese Strategie seit Mitte der 1960er Jahre; Jetzt arbeitet das Livermore National Laboratory an seiner fortschrittlichsten Version. In diesem Jahr beginnen sie mit Experimenten zur Komprimierung von Miniatur-Berylliumkapseln (Durchmesser 1,8 mm), die mit einer Deuterium-Tritium-Mischung gefüllt sind, mithilfe von 192 ultravioletten Laserstrahlen. Die Projektmanager gehen davon aus, dass sie spätestens im Jahr 2012 nicht nur eine thermonukleare Reaktion in Gang setzen, 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 die in sie gesetzten Erwartungen voll und ganz erfüllen, wird der Weg bis zur Schaffung eines echten thermonuklearen Reaktors mit trägem Plasmaeinschluss immer noch sehr groß bleiben. Tatsache ist, dass für den Bau eines Prototyps eines Kraftwerks ein sehr schnelles System superstarker Laser erforderlich ist. Es sollte eine solche Blitzfrequenz liefern, dass Deuterium-Tritium-Ziele gezündet werden, die die Fähigkeiten des Livermore-Systems um das Tausendfache übersteigt und nicht mehr als 5-10 Schüsse pro Sekunde abgibt. Derzeit werden verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung solcher Laserpistolen aktiv diskutiert, ihre praktische Umsetzung ist jedoch noch sehr weit entfernt.

Tokamaks: die alte Garde

Alternativ können Sie mit einem verdünnten Plasma (Dichte in Nanogramm pro Kubikzentimeter) arbeiten und es mindestens einige Sekunden in der Reaktionszone belassen. Seit mehr als einem halben Jahrhundert werden bei solchen Experimenten verschiedene Magnetfallen eingesetzt, die das Plasma durch Anlegen mehrerer Magnetfelder in einem vorgegebenen 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 gibt es in verschiedenen Ländern etwa ein Dutzend solcher Installationen, von denen die größten eine Annäherung an die Erfüllung des Lawson-Kriteriums ermöglicht 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, ein Plasma zu gewinnen, das das Lawsonsche 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 man den Plasmadruck erhöhen muss, damit er noch durch ein Magnetfeld gehalten werden kann. „Es wurden auch neue hochpräzise Methoden der Plasmadiagnostik entwickelt, also Messungen verschiedener Plasmaparameter“, sagt Ian Hutchinson, Professor für Kernphysik und Kerntechnologie am Massachusetts Institute of Technology, der sich seit über 30 Jahren mit Tokamaks beschäftigt , sagte PM. „Bisher haben die größten Tokamaks eine Leistung zur Freisetzung thermischer Energie in einem Deuterium-Tritium-Plasma in der Größenordnung von 10 Megawatt für ein oder zwei Sekunden erreicht. ITER wird diese Zahlen um einige Größenordnungen übertreffen. Wenn wir uns nicht verrechnen, kann es mehrere Minuten lang mindestens 500 Megawatt liefern. 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 können. Aber aus Sicht der Plasmaphysik ist das Bild ganz klar – zumindest denken wir das. ITER muss bestätigen, dass wir uns nicht irren. Wenn alles so weitergeht, wird der Tokamak der nächsten Generation kommen, der zum Prototyp industrieller thermonuklearer Reaktoren werden wird. Aber jetzt ist es zu früh, darüber zu reden. In der Zwischenzeit gehen wir davon aus, dass ITER bis zum Ende dieses Jahrzehnts betriebsbereit sein 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 das Plasma zu einem leitenden Medium, was dazu führt, dass es (im Vergleich zu anderen Aggregatzuständen der Materie) eine viel stärkere Wechselwirkung mit magnetischen und elektrischen Feldern aufweist. Der „vierte Zustand der Materie“ wurde 1930 von William Crookes entdeckt, und der Name „Plasma“ wurde 1931 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 aufheben. Plasma hat Eigenschaften, die sowohl dem gasförmigen Zustand der Materie (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 „Nicht-Plasma“-Zustand (flüssig, fest und gasförmig) befindet. Gleichzeitig beträgt die Masse des Jupiter nur etwa 0,1 % der Masse des Sonnensystems und das Volumen ist sogar noch geringer: nur 10-15 %. Gleichzeitig können feine Staubpartikel, die den Weltraum füllen und eine bestimmte elektrische Ladung tragen, in ihrer Gesamtheit als Plasma aus superschweren Ionen betrachtet werden (siehe staubiges Plasma).

2. Eigenschaften und Parameter von Plasma

2.1. Plasmadefinition

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

2.2. Einstufung

Plasma teilt sich normalerweise, und häufig befindet sich kaltes Plasma im Ungleichgewicht und heißes Plasma im Gleichgewicht.

2.3. Temperatur

Beim Lesen populärwissenschaftlicher Literatur sieht der Leser oft einen Wert der Plasmatemperatur in der Größenordnung von Zehntausenden, Hunderttausenden oder sogar Millionen von C oder K. Um Plasma in der Physik zu beschreiben, ist es praktisch, die Temperatur nicht in C zu messen , sondern in 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 eine Temperatur von „Zehntausenden von C“ durchaus leicht erreichbar ist.

In einem Nichtgleichgewichtsplasma übersteigt die Elektronentemperatur die Temperatur der Ionen erheblich. Dies ist auf den Massenunterschied zwischen Ion und Elektron zurückzuführen, der den Prozess des Energieaustauschs behindert. Diese Situation tritt bei Gasentladungen auf, wenn Ionen eine Temperatur von etwa Hunderten und Elektronen von etwa Zehntausenden K haben.

In einem Gleichgewichtsplasma sind beide Temperaturen gleich. Da für die Durchführung des Ionisationsprozesses Temperaturen erforderlich sind, die mit dem Ionisationspotential vergleichbar sind, ist das Gleichgewichtsplasma in der Regel heiß (mit einer Temperatur von mehr als mehreren tausend K).

Konzept Hochtemperaturplasma Wird häufig für Fusionsplasma verwendet, das Temperaturen im Millionenbereich K erfordert.

2.4. Ionisationsgrad

Damit das Gas in den Plasmazustand übergeht, muss es ionisiert werden. Der Ionisierungsgrad ist proportional zur Anzahl der Atome, die Elektronen abgegeben oder absorbiert haben, und hängt stärker von der Temperatur ab. Selbst ein schwach ionisiertes Gas, bei dem weniger als 1 % der Fraktionen im ionisierten Zustand vorliegen, kann einige typische Plasmaeigenschaften aufweisen (Wechselwirkung mit einem externen elektromagnetischen Feld und hohe elektrische Leitfähigkeit). Ionisationsgrad α 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. Die Konzentration freier Elektronen in einem ungeladenen Plasma N e wird durch die offensichtliche Beziehung bestimmt N e= N Ich wo - der Durchschnittswert der Ladung von Plasmaionen.

Ein 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 Plasmaoberflächenmodifikation (Diamantfilme, Metallnitrierung, Benetzbarkeitsmodifikation), Plasmaoberflächenätzung (Halbleiterindustrie), Gas- und Flüssigkeitsreinigung (Wasserozonierung und Rußpartikelverbrennung in Dieselmotoren).

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

2.5. Dichte

Neben der Temperatur, die für die Existenz eines Plasmas von grundlegender Bedeutung ist, ist die zweitwichtigste Eigenschaft eines Plasmas seine Dichte. Phrase Plasmadichte bedeutet normalerweise Elektronendichte, diese. die Anzahl der freien Elektronen pro Volumeneinheit (streng genommen ist Dichte hier die Konzentration – nicht die Masse einer Volumeneinheit, sondern die Anzahl der Teilchen pro Volumeneinheit). In quasineutralen Plasmen Ionendichte hängt damit mit Hilfe der durchschnittlichen Ladungszahl der Ionen zusammen: . 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 dichten, nicht idealen Plasma wird der charakteristische Dichteparameter zu , der als Verhältnis des durchschnittlichen Abstands zwischen Teilchen im Bohr-Radius definiert ist.

2.6. Quasi-Neutralität

Da Plasma ein sehr guter Leiter ist, sind die elektrischen Eigenschaften wichtig. Plasmapotential oder Raumpotenzial bezeichnet den Durchschnittswert des elektrischen Potentials an einem bestimmten Punkt im Raum. Wenn ein Körper in das Plasma eingebracht wird, ist sein Potenzial aufgrund des Auftretens der Debye-Schicht im Allgemeinen geringer als das Plasmapotenzial. Dieses Potenzial heißt schwebendes Potenzial. Aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit schirmt das Plasma alle elektrischen Felder ab. Dies führt zum Phänomen der Quasineutralität – die Dichte negativer Ladungen ist mit guter Genauigkeit gleich der Dichte positiver Ladungen (). Aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit des Plasmas ist die Trennung positiver und negativer Ladungen bei Abständen größer als der Debye-Länge und bei 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 der elektrostatischen Wechselwirkung. 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 mit zunehmendem Abstand zwischen den Ladungen auch sehr schnell und exponentiell. Dabei handelt es sich um eine Überprüfung der Vorbestimmung durch Umordnung der Ladungsdichte mit entgegengesetztem Vorzeichen um eine beliebige Ladung herum. Aufgrund der Abschirmung bewegen sich die Elektronen und Ionen im Plasma wie in einem gemittelten Feld und können als freie Teilchen behandelt werden.

Aufgrund der Abschirmung dringt das äußere elektrische Feld nicht weit über die Abschirmlänge 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 magnetisiert. Das Kriterium für die Plasmamagnetisierung ist die Abwesenheit von Kollisionen zwischen Teilchen während einer Umdrehung in einem Magnetfeld. Oftmals gibt es Fälle, in denen die Elektronen bereits magnetisiert sind, die Ionen jedoch noch nicht. Magnetisiertes Plasma ist anisotrop – seine Eigenschaften hängen von der Richtung relativ zum Magnetfeld ab.

4. Grundlegende Plasmaeigenschaften

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

4.1. Frequenzen

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

• Ionenplasmafrequenz:

• Elektronenkollisionsfrequenz

• Ionenkollisionsfrequenz

4.2. Längen

• De-Broglie-Wellenlänge eines Elektrons, Elektronenwellenlänge in der Quantenmechanik:

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

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

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

• Plasma-Hautgröße, die Entfernung, in der elektromagnetische Wellen das Plasma durchdringen können:

4.3. Geschwindigkeiten

• Ionenschallgeschwindigkeit, Geschwindigkeit longitudinaler Ionenschallwellen:

4.4. Dimensionslose Mengen

• Anzahl der Teilchen in der Debye-Kugel:

• Verhältnis der Alfvenschen Geschwindigkeit zur Lichtgeschwindigkeit

• Verhältnis von Plasma- und Larmorfrequenzen für ein Elektron

• Verhältnis von Plasma- und Larmorfrequenzen für ein Ion

• Verhältnis von thermischer und magnetischer Energie

• Verhältnis der magnetischen Energie zur Ruheenergie von Ionen

5. Unterschied zu Gas

Der Hauptunterschied zwischen einem Plasma und einem Gas besteht darin, dass ein wesentlicher Teil des Plasmas neben Atomen, Ionen und Elektronen ein elektromagnetisches Feld ist. Es gibt keinen klar definierten Phasenübergang zwischen Gas und Plasma. Die Substanz geht mit zunehmendem Ionisationsgrad allmählich vom Gas in den Zustand des Plasmas 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 werden. Plasma ist durch sogenannte Plasmaoszillationen gekennzeichnet – die koordinierte Ausbreitung einer Ladungsdichtewelle einer longitudinalen elektromagnetischen Welle im Raum. Aufgrund der Tatsache, dass das 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 im Plasma werden erheblich durch ein externes Magnetfeld beeinflusst, verändern ihre Natur 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 Menge von Teilchen angewendet werden, in denen die statistischen Gesetze der gegenseitigen Kompensation und der gegenseitigen Abschirmung von Ladungen gelten. Mit einer genaueren Definition von Plasma wird daher gezeigt, dass eine Gruppe von Teilchen nur dann als Plasma betrachtet werden kann, wenn ihre Abmessungen viel größer sind als der Debye-Abschirmungsradius.

Daher 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.“ – ist etwas vereinfacht.

6. Natürliches und künstliches Plasma

Unter terrestrischen Bedingungen befindet sich die Substanz der Ionosphäre im Zustand von Plasma, dank des Blutplasmas des Nordlichts existiert Plasma in Blitzen, in den Feuern von St. Elmo. Die Flamme ionisiert außerdem größtenteils Materie 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, in Ionenmotoren, Plasmafernsehern usw.

6.1. Andere

• Böhmischer Diffusionskoeffizient

• Querspitzer-Widerstand

7. Mathematische Beschreibung

Plasma kann auf verschiedenen Detailebenen beschrieben werden. Plasma wird üblicherweise getrennt von elektromagnetischen Feldern beschrieben. Eine allgemeine Beschreibung einer leitfähigen Flüssigkeit 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, der Elektronenenergiegleichgewichtsgleichung. Im Zwei-Fluid-Modell werden Ionen auf die gleiche Weise berücksichtigt.

7.2. Kinetische Beschreibung

Manchmal reicht das Flüssigkeitsmodell nicht aus, um das Plasma zu beschreiben. Eine detailliertere Beschreibung liefert das kinetische Modell, in dem das Plasma anhand der Verteilungsfunktion der Elektronen in Koordinaten und Impulsen beschrieben wird. Das Modell basiert auf den Boltzmann-Gleichungen. Die Boltzmann-Gleichung wird verwendet, um ein Plasma geladener Teilchen mit Coulomb-Wechselwirkung aufgrund der weitreichenden Natur der Coulomb-Kräfte zu beschreiben. Um ein Plasma mit Coulomb-Wechselwirkung zu beschreiben, wird daher die Vlasov-Gleichung mit einem selbstkonsistenten elektromagnetischen Feld verwendet, das durch geladene Plasmateilchen erzeugt wird. Die kinetische Beschreibung muss in Abwesenheit eines thermodynamischen Gleichgewichts oder in Gegenwart starker Plasmainhomogenitäten angewendet werden.

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:

Aggregatzustand – 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 sprunghaften 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. Allerdings gibt es nur sehr wenige Substanzen, die in diesen als unbestreitbar und allgemein geltenden Zuständen existieren, wenn wir das gesamte Universum als Ganzes betrachten. Sie überschreiten kaum die in der Chemie als unbedeutend geltenden Spuren. Alle anderen Materien des Universums befinden sich im sogenannten Plasmazustand.

Das Wort „Plasma“ (vom griechischen „Plasma“ – „dekoriert“) in der Mitte des 19. Jahrhunderts

V. begann den farblosen Teil des Blutes (ohne rote und weiße Körper) zu nennen und

Flüssigkeit, die lebende Zellen füllt. 1929 nannten die amerikanischen Physiker Irving Langmuir (1881-1957) und Levi Tonko (1897-1971) das ionisierte Gas in einer Gasentladungsröhre 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 (Celsius) Temperaturen in einem festen Zustand, im Bereich von 0 bis 100 „C – in einem flüssigen Zustand, über 100 °C – in einem gasförmigen Zustand. Steigt die Temperatur weiter, werden Atome und Moleküle zerstört beginnen, ihre Elektronen zu verlieren – sie werden ionisiert und Gas verwandelt sich in Plasma. Bei Temperaturen über 1000000 °C ist das Plasma vollständig ionisiert – es besteht nur aus Elektronen und positiven Ionen. Plasma ist der häufigste Aggregatzustand in der Natur, heißt es für etwa 99 % der Masse des Universums. Die Sonne, die meisten Sterne und Nebel sind vollständig ionisiertes Plasma. Der äußere Teil der Erdatmosphäre (Ionosphäre) besteht ebenfalls aus Plasma.

Noch höher liegen die Strahlungsgürtel, die Plasma enthalten.

Polarlichter, Blitze und Kugeln 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 Materie in festem Zustand – Planeten, Asteroiden und Staubnebel.

Unter Plasma versteht man in der Physik ein Gas, das aus elektrischem Strom besteht

geladene und neutrale Teilchen, bei denen die gesamte elektrische Ladung Null ist, t. die Bedingung der Quasi-Neutralität 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 dicht beieinander liegender 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 Debye-Abschirmungsradius muss im Vergleich zur charakteristischen Größe des Plasmas klein sein. Dieses Kriterium bedeutet, dass die im Inneren des Plasmas auftretenden Wechselwirkungen bedeutender sind als die vernachlässigbaren Effekte an seiner Oberfläche. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann das Plasma als quasineutral betrachtet werden. Mathematisch sieht es so aus:

Plasmafrequenz: Die durchschnittliche Zeit zwischen Teilchenkollisionen muss groß sein im Vergleich zur Periode der Plasmaschwingungen. Diese Schwingungen werden durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes auf die Ladung verursacht, die durch die Verletzung der Quasineutralität des Plasmas entsteht. Dieses Feld versucht, das gestörte Gleichgewicht wiederherzustellen. Bei der Rückkehr in die Gleichgewichtslage passiert die Ladung diese Lage durch Trägheit, was wiederum zum Auftreten eines starken Rückkehrfeldes führt, 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 hat diese Bedingung die Form:

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 Plasmatemperaturen 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, sondern in °C zu messen in Einheiten der charakteristischen Energie der Teilchenbewegung, zum Beispiel in Elektronenvolt (eV). Um die Temperatur in eV umzurechnen, können Sie die folgende Beziehung verwenden: 1 eV = 11600 K (Kelvin). Somit wird deutlich, dass eine Temperatur von „Zehntausenden °C“ durchaus leicht erreichbar ist.

In einem Nichtgleichgewichtsplasma übersteigt die Elektronentemperatur die Temperatur der Ionen erheblich. Dies ist auf den Massenunterschied zwischen Ion und Elektron zurückzuführen, der den Prozess des Energieaustauschs behindert. Diese Situation tritt bei Gasentladungen auf, wenn Ionen eine Temperatur von etwa Hunderten und Elektronen von etwa Zehntausenden K haben.

In einem Gleichgewichtsplasma sind beide Temperaturen gleich. Da für die Durchführung des Ionisationsprozesses Temperaturen erforderlich sind, die mit dem Ionisationspotential vergleichbar sind, ist das Gleichgewichtsplasma in der Regel heiß (mit einer Temperatur von mehr als mehreren tausend K).

Das Konzept des Hochtemperaturplasmas wird üblicherweise für Fusionsplasma verwendet, das Temperaturen von mehreren Millionen K erfordert.

2.3. Ionisationsgrad

Damit das Gas in den Plasmazustand übergeht, 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. Selbst ein schwach ionisiertes Gas, in dem sich weniger als 1 % der Partikel im ionisierten Zustand befinden, kann einige typische Plasmaeigenschaften aufweisen (Wechselwirkung mit einem externen elektromagnetischen Feld und hohe elektrische Leitfähigkeit). Der Ionisationsgrad α ist definiert als α = ni/(ni + na), wobei ni die Konzentration der Ionen und na die Konzentration neutraler Atome ist. Die Konzentration freier Elektronen in einem ungeladenen Plasma ne wird durch die offensichtliche Beziehung bestimmt: ne= ni, wo - der Durchschnittswert der Ladung von Plasmaionen.

Ein 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 Plasmaoberflächenmodifikation (Diamantfilme, Metallnitrierung, Benetzbarkeitsmodifikation), das Plasmaätzen von Oberflächen (Halbleiterindustrie) und die Gas- und Flüssigkeitsreinigung (Wasserozonierung und Rußverbrennung in Dieselmotoren).