Akademiku V. FORTOV, Drejtor i Institutit të Termofizikës së Shteteve Ekstreme të Akademisë Ruse të Shkencave.

Në prill 2005, akademiku Vladimir Evgenievich Fortov mori një çmim prestigjioz ndërkombëtar - Medaljen e Artë Albert Einstein, që iu dha për kontributin e tij të jashtëzakonshëm në zhvillimin e shkencës fizike dhe bashkëpunimit shkencor ndërkombëtar. Interesat shkencore të akademik Fortovit qëndrojnë në fushën e fizikës së gjendjeve ekstreme të materies, duke përfshirë plazmën. Përveç materies së errët, plazma është gjendja më e zakonshme e materies në natyrë, me rreth 95% të materies së zakonshme në Univers në këtë gjendje. Yjet janë grumbuj plazme, gazi jonizues me temperatura dhjetëra e qindra miliona gradë. Vetitë e plazmës përbëjnë bazën e teknologjive moderne, fushëveprimi i të cilave është i gjerë. Plazma lëshon dritë në llambat e shkarkimit elektrik dhe krijon një imazh me ngjyra në panelet e plazmës. Reaktorët e plazmës përdorin rryma plazmatike për të prodhuar mikroçipe, për të forcuar metalet dhe për të pastruar sipërfaqet. Impiantet e plazmës përpunojnë mbetjet dhe prodhojnë energji. Fizika e plazmës është një fushë e shkencës në zhvillim aktiv, në të cilën deri më sot po bëhen zbulime të mahnitshme, vërehen fenomene të pazakonta që kërkojnë kuptim dhe shpjegim. Një nga fenomenet më interesante të zbuluara kohët e fundit në plazmën me temperaturë të ulët është formimi i një "kristali plazmatik", domethënë një strukturë e rregulluar hapësinore e grimcave të imëta - pluhuri i plazmës.

Shkenca dhe jeta // Ilustrime

Shkenca dhe jeta // Ilustrime

Kozmonautët S. Krikalev dhe Yu. Gidzenko instalojnë pajisjen Plasma Crystal në ISS (2001).

ÇFARË ËSHTË PLAZMA E PLUHUR?

Plazma e pluhurosur është një gaz i jonizuar që përmban kokrra pluhuri - grimca të lëndës së ngurtë. Plazma e tillë gjendet shpesh në hapësirë: në unazat planetare, bishtat e kometave, retë ndërplanetare dhe ndëryjore. Ai u zbulua pranë satelitëve artificialë të Tokës dhe në rajonin afër murit të instalimeve termonukleare me izolim magnetik, si dhe në reaktorët plazmatikë, harqet dhe shkarkimet.

Plazma e pluhurit u mor për herë të parë në kushte laboratorike nga amerikani Irving Langmuir në vitet 20 të shekullit të kaluar. Sidoqoftë, ajo filloi të studiohej në mënyrë aktive vetëm në dekadën e fundit. Rritja e interesit për vetitë e plazmës së pluhurosur u ngrit me zhvillimin e teknologjive të spërkatjes dhe gdhendjes së plazmës në mikroelektronikë, si dhe me prodhimin e filmave të hollë dhe nanogrimcave. Prania e grimcave të ngurta që hyjnë në plazmë si rezultat i shkatërrimit të elektrodave dhe mureve të dhomës së shkarkimit jo vetëm që çon në ndotjen e sipërfaqes së çipave gjysmëpërçues, por gjithashtu shqetëson plazmën, shpesh në mënyra të paparashikueshme. Për të reduktuar ose parandaluar këto dukuri negative, është e nevojshme të kuptohet se si ndodhin proceset e formimit dhe rritjes së grimcave të kondensuar në plazmën e shkarkimit të gazit dhe si ndikojnë grimcat e pluhurit plazmatik në vetitë e shkarkimit.

KRISTAL PLAZME

Madhësitë e grimcave të pluhurit janë relativisht të mëdha - nga fraksionet e një mikron në disa dhjetëra, ndonjëherë qindra mikronë. Ngarkesa e tyre mund të jetë jashtëzakonisht e madhe dhe të tejkalojë ngarkesën e një elektroni me qindra dhe madje qindra mijëra herë. Si rezultat, energjia mesatare e ndërveprimit Kulomb të grimcave, proporcionale me katrorin e ngarkesës, mund të tejkalojë shumë energjinë mesatare termike të tyre. Rezultati është një plazmë që quhet shumë joideale, pasi sjellja e saj nuk u bindet ligjeve të një gazi ideal. (Kujtojmë se plazma mund të konsiderohet një gaz ideal nëse energjia e ndërveprimit të grimcave është shumë më e vogël se energjia e tyre termike).

Llogaritjet teorike të vetive të ekuilibrit të plazmës së pluhurosur tregojnë se, në kushte të caktuara, ndërveprimi i fortë elektrostatik "merr" energji të ulët termike dhe detyron grimcat e ngarkuara të rreshtohen në hapësirë ​​në një mënyrë të caktuar. Formohet një strukturë e renditur, e cila quhet kristal Kulomb ose plazma. Kristalet e plazmës janë të ngjashme me strukturat hapësinore në një lëng ose të ngurtë. Këtu mund të ndodhin tranzicione fazore si shkrirja dhe avullimi.

Nëse grimcat e plazmës së pluhurit janë mjaft të mëdha, kristali i plazmës mund të vëzhgohet me sy të lirë. Në eksperimentet e hershme, formimi i strukturave kristalore u regjistrua në një sistem grimcash të ngarkuara me madhësi mikrometri të hekurit dhe aluminit të mbajtura nga fusha elektrike të alternuara dhe statike. Në punimet e mëvonshme, u bënë vëzhgime të kristalizimit të Kulombit të makrogrimcave në plazmën e jonizuar dobët të një shkarkimi me frekuencë të lartë në presion të ulët. Energjia e elektroneve në një plazmë të tillë është disa elektron volt (eV), dhe energjia e joneve është afër energjisë termike të atomeve, të cilat janë në temperaturën e dhomës (~ 0,03 eV). Kjo për faktin se elektronet janë më të lëvizshme dhe fluksi i tyre i drejtuar në një grimcë pluhuri neutral e tejkalon ndjeshëm fluksin e joneve. Grimca "kap" elektronet dhe fillon të ngarkohet negativisht. Kjo ngarkesë negative e akumuluar nga ana tjetër bën që elektronet të zmbrapsen dhe jonet të tërhiqen. Ngarkesa e grimcave ndryshon derisa flukset e elektroneve dhe joneve në sipërfaqen e saj të bëhen të barabarta. Në eksperimentet me shkarkime me frekuencë të lartë, ngarkesa e grimcave të pluhurit ishte negative dhe mjaft e madhe (në rendin e 10 4 - 10 5 ngarkesave elektronike). Një re grimcash pluhuri të ngarkuara rrinte pezull pranë sipërfaqes së elektrodës së poshtme ndërsa aty u vendos një ekuilibër midis forcave gravitacionale dhe elektrostatike. Me një diametër reje prej disa centimetrash në drejtim vertikal, numri i shtresave të grimcave ishte disa dhjetëra, dhe distanca midis grimcave ishte disa qindra mikrometra.

KONSTRUKSIONE TE POROSITUARA NE PLAZMA TERMALE...

Që nga viti 1991, Instituti i Termofizikës së Shteteve Ekstreme të Akademisë Ruse të Shkencave (ITES RAS) ka studiuar plazmën me pluhur dhe ka krijuar metoda të ndryshme për diagnostikimin e saj. Është studiuar plazma e pluhurit të llojeve të ndryshme: plazma termike, plazma e shkarkimit të gazit me shkëlqim dhe shkarkime me frekuencë të lartë, fotoemetim dhe plazma e ngacmuar nga bërthama.

Plazma termike e formuar në flakën e një djegësi gazi në presionin atmosferik ka një temperaturë nga 1700 në 2200 K, dhe temperaturat e elektroneve, joneve dhe grimcave neutrale në të janë të barabarta. Sjellja e grimcave të dioksidit të ceriumit (CeO 2) u studiua në një rrjedhë të tillë plazme. E veçanta e kësaj substance është se elektronet fluturojnë shumë lehtë nga sipërfaqja e saj - funksioni i punës së elektroneve është vetëm rreth 2.75 eV. Prandaj, grimcat e pluhurit ngarkohen si nga rrjedhat e elektroneve dhe joneve nga plazma, ashtu edhe për shkak të emetimit termionik - emetimit të elektroneve nga një grimcë e nxehtë, e cila krijon një ngarkesë pozitive.

Strukturat hapësinore të makrogrimcave u analizuan duke përdorur rrezatim lazer, i cili jep një funksion korrelacioni g(r), kuptimi i të cilit është si më poshtë. Nëse rregulloni vendndodhjen në hapësirën e njërës prej grimcave, atëherë funksioni tregon probabilitetin për të gjetur ndonjë grimcë tjetër në distancë r nga ky. Dhe kjo na lejon të nxjerrim një përfundim në lidhje me rregullimin hapësinor të grimcave - kaotike ose të renditura, karakteristike për strukturat e lëngshme dhe kristalore.

Funksionet tipike të korrelacionit g(r) për grimcat CeO 2 në një avion aerosol në temperaturën e dhomës dhe në plazmë janë paraqitur në Fig. 1. Në një temperaturë të lartë të plazmës (2170 K) dhe një përqendrim të ulët të makrogrimcave (b), funksioni i korrelacionit ka pothuajse të njëjtën formë si për një rrymë aerosoli të zakonshëm në temperaturën e dhomës (a). Kjo do të thotë që grimcat në plazmë ndërveprojnë dobët dhe nuk ndodh formimi i strukturave të renditura. Në një temperaturë më të ulët të plazmës (1700 K) dhe një përqendrim më të lartë të grimcave, funksioni i korrelacionit merr formën karakteristike të një lëngu: ka një maksimum të theksuar, i cili tregon praninë e rendit me rreze të shkurtër në rregullimin e grimcave (c) . Në këtë eksperiment, ngarkesa pozitive e grimcave ishte rreth 1000 herë më e madhe se ngarkesa e një elektroni. Renditja relativisht e dobët e strukturës mund të shpjegohet me jetëgjatësinë e shkurtër të plazmës (rreth 20 të mijtët e sekondës), gjatë së cilës procesi i formimit të kristalit plazmatik nuk ka kohë për të përfunduar.

...DHE SHKARKJE SHKELQËSE

Në një plazmë termike, temperatura e të gjitha grimcave është e njëjtë, por në plazmën e një shkarkimi gazi të ndezur situata është e ndryshme - temperatura e elektronit është shumë më e lartë se temperatura e joneve. Kjo krijon parakushtet për shfaqjen e strukturave të renditura të kristaleve plazmatike të pluhurosura.

Në një shkarkim gazi të ndezur, në kushte të caktuara, shfaqen shtresa në këmbë - zona të palëvizshme me shkëlqim të pabarabartë, të alternuara rregullisht me intervale të errëta. Përqendrimi i elektroneve dhe fusha elektrike janë shumë johomogjene përgjatë gjatësisë së shtresës. Prandaj, në krye të çdo shtrese formohet një kurth elektrostatik, i cili, me tubin e shkarkimit në një pozicion vertikal, është i aftë të mbajë grimcat e imëta në rajonin e kolonës së shkarkimit pozitiv.

Procesi i formimit të strukturës është si më poshtë: grimcat me madhësi mikron të derdhura nga një enë në një shkarkim ngarkohen në plazmë dhe rreshtohen në një strukturë që zgjat për një kohë të gjatë pafundësisht me parametra konstante shkarkimi. Rrezja lazer ndriçon grimcat në një plan horizontal ose vertikal (Fig. 2). Formimi i një strukture hapësinore regjistrohet nga një videokamerë. Grimcat individuale mund të shihen me sy të lirë. Eksperimenti përdori disa lloje grimcash - mikrosfera qelqi borosilikat të uritur dhe grimca formaldehide melamine me një diametër prej një deri në njëqind mikrometra.

Në qendër të shtresës formohet një re pluhuri me një diametër deri në disa dhjetëra milimetra. Grimcat janë të vendosura në shtresa horizontale, duke formuar struktura gjashtëkëndore (Fig. 3a). Distancat midis shtresave variojnë nga 250 në 400 mikronë, distancat midis grimcave në planin horizontal - nga 350 në 600 mikronë. Funksioni i shpërndarjes së grimcave g(r) ka disa maksimum të theksuar, gjë që konfirmon ekzistencën e rendit me rreze të gjatë në rregullimin e grimcave dhe nënkupton formimin e një strukture kristalore, megjithëse kristalet e pluhurit plazmatik janë qartë të dukshme me sy të lirë.

Duke ndryshuar parametrat e shkarkimit, mund të ndikoni në formën e resë së grimcave dhe madje të vëzhgoni kalimin nga gjendja kristalore në lëng ("shkrirja" e kristalit) dhe më pas në gaz. Duke përdorur grimca jo sferike - cilindra najloni 200-300 mikron të gjatë - ishte gjithashtu e mundur të përftohej një strukturë e ngjashme me një kristal të lëngët (Fig. 4).

PLAZMA E PLUHUR NË HAPËSIRË

Në Tokë, studimi i mëtejshëm i kristaleve të plazmës pengohet nga graviteti. Prandaj, u vendos që të fillonin eksperimentet në hapësirë, në kushte mikrograviteti.

Eksperimenti i parë u krye nga kozmonautët A. Ya. Solovyov dhe P. V. Vinogradov në kompleksin orbital rus "Mir" në janar 1998. Ata duhej të studionin formimin e strukturave të rregulluara të pluhurit plazmatik në mungesë peshe nën ndikimin e dritës së diellit.

Ampulat e qelqit të mbushura me neon përmbanin grimca bronzi sferike të veshura me cezium në presionet 0.01 dhe 40 Torr. Ampula u vendos pranë vrimës, u tund dhe lëvizja e grimcave të ndriçuara nga një lazer u regjistrua duke përdorur një videokamerë. Vëzhgimet kanë treguar se në fillim grimcat lëvizin në mënyrë kaotike dhe më pas shfaqet një lëvizje e drejtuar, e cila shoqërohet me difuzionin e plazmës në muret e ampulës.

Një tjetër fakt interesant u zbulua: disa sekonda pas tundjes së ampulës, grimcat filluan të ngjiteshin së bashku, duke formuar aglomerate. Nën ndikimin e dritës së diellit, aglomeratet u shpërbënë. Aglomerimi mund të jetë për shkak të faktit se në momentet fillestare të ndriçimit grimcat fitojnë ngarkesa të kundërta: pozitive - për shkak të emetimit të fotoelektroneve, negative - duke u ngarkuar nga rrjedhat e elektroneve të plazmës të emetuara nga grimcat e tjera - dhe grimcat e ngarkuara në mënyrë të kundërt ngjiten së bashku. .

Duke analizuar sjelljen e makrogrimcave, është e mundur të vlerësohet madhësia e ngarkesës së tyre (rreth 1000 ngarkesa elektronike). Në shumicën e rasteve, grimcat formuan vetëm një strukturë të lëngshme, megjithëse ndonjëherë shfaqeshin kristale.

Në fillim të vitit 1998, u mor një vendim për të kryer një eksperiment të përbashkët ruso-gjerman të kristalit të plazmës në bordin e segmentit rus të Stacionit Ndërkombëtar të Hapësirës (PC MKC). Eksperimenti u krijua dhe u përgatit nga shkencëtarë nga Instituti i Termofizikës së Shteteve Ekstreme të Akademisë Ruse të Shkencave me pjesëmarrjen e Institutit Max Planck për Fizikën Jashtëtokësore (Gjermani) dhe Korporatës Energjia për Raketat dhe Hapësirën.

Elementi kryesor i pajisjes është një dhomë plazme me vakum (Fig. 5), e përbërë nga dy pllaka çeliku katrore dhe futje xhami katrore. Elektrodat e diskut janë montuar në secilën prej pllakave për të krijuar një shkarkim me frekuencë të lartë. Elektrodat kanë pajisje të integruara për injektimin e grimcave të pluhurit në plazmë. I gjithë sistemi optik, duke përfshirë dy kamera dixhitale dhe dy lazer gjysmëpërçues për të ndriçuar renë e grimcave, është montuar në një pllakë të lëvizshme që mund të zhvendoset për të skanuar strukturën plazma-pluhur.

U zhvilluan dhe u prodhuan dy grupe pajisjesh: teknologjike (e njohur edhe si trajnim) dhe fluturim. Në shkurt 2001, pas testimit dhe përgatitjes para fluturimit në Baikonur, kompleti i fluturimit u dorëzua në modulin e shërbimit të segmentit rus të ISS.

Eksperimenti i parë me grimcat e formaldehidit të melaminës u krye në 2001. Pritjet e shkencëtarëve u justifikuan: për herë të parë, u zbulua formimi i grimcave të renditura tre-dimensionale me madhësi shumë të ngarkuar me madhësi mikron me një parametër të madh jo ideale - kristale plazmatike tredimensionale me rrjeta të përqendruara në fytyrë dhe në qendër të trupit ( Fig. 7).

Aftësia për të marrë dhe studiuar formacione plazmatike me konfigurime dhe gjatësi të ndryshme rritet nëse përdoret një shkarkim induksioni me frekuencë të lartë. Në rajonin midis një plazme homogjene dhe murit që e kufizon atë ose gazit neutral përreth, mund të pritet ngritja (rrotullimi) i të dy makrogrimcave individuale të ngarkuara dhe ansambleve të tyre. Në tubat e qelqit cilindrikë, ku shkarkimi ngacmohet nga një elektrodë unazore, një numër i madh grimcash varen mbi formimin e plazmës. Në varësi të presionit dhe fuqisë, shfaqen ose struktura të qëndrueshme kristalore, ose struktura me grimca lëkundëse, ose rrjedhje të grimcave konvektive. Kur përdorni një elektrodë të sheshtë, grimcat rri pezull mbi fundin e një llambë të mbushur me neoni dhe formojnë një strukturë të renditur - një kristal plazma. Deri më tani, eksperimente të tilla po kryhen në laboratorë në Tokë dhe në kushte parabolike fluturimi, por në të ardhmen kjo pajisje është planifikuar të instalohet në ISS.

Vetitë unike të kristaleve të plazmës (lehtësia e prodhimit, vëzhgimi dhe kontrolli i parametrave, si dhe koha e shkurtër e relaksimit në ekuilibër dhe reagimi ndaj shqetësimeve të jashtme) i bëjnë ata një objekt të shkëlqyeshëm për studimin e vetive të plazmës shumë joideale dhe të vetive themelore të kristalet. Rezultatet mund të përdoren për të simuluar kristalet reale atomike ose molekulare dhe për të studiuar proceset fizike që përfshijnë ato.

Strukturat e makrogrimcave në plazmë janë gjithashtu një mjet i mirë për problemet e aplikuara që lidhen me mikroelektronikën, veçanërisht me heqjen e grimcave të padëshiruara të pluhurit në prodhimin e mikroqarqeve, me projektimin dhe sintezën e një kristali të vogël - një nanokristali, një nanokluster, me spërkatja e plazmës, me ndarjen e grimcave sipas madhësisë dhe zhvillimi i burimeve të reja shumë efikase të dritës, krijimi i baterive elektrike bërthamore dhe lazerëve, lëngu i punës i të cilave është grimca e lëndës radioaktive.

Së fundi, është mjaft e mundur të krijohen teknologji që do të lejojnë depozitimin e kontrolluar të grimcave të pezulluara në plazmë mbi një substrat dhe në këtë mënyrë të krijojnë veshje me veti të veçanta, duke përfshirë ato poroze dhe të përbëra, si dhe të formojnë grimca me veshje shumështresore nga materiale me veti të ndryshme.

Probleme interesante lindin në mikrobiologji, mjekësi dhe ekologji. Lista e aplikimeve të mundshme të plazmës së pluhurosur po zgjerohet vazhdimisht.

Titrat për ilustrime

I sëmurë. 1. Funksioni i korrelacionit g(r) tregon probabilitetin me të cilin mund të gjendet një grimcë tjetër në një distancë r nga kjo. Për grimcat CeO 2 në një rrymë ajri në temperaturën e dhomës 300 K (a) dhe në plazmë në një temperaturë 2170 K (b), funksioni tregon një shpërndarje kaotike të grimcave. Në plazmë në një temperaturë prej 1700 K (c), funksioni ka një maksimum, domethënë shfaqet një strukturë e ngjashme me një lëng.

I sëmurë. 2. Instalimi për studimin e plazmës së pluhurosur në një shkarkim me shkëlqim DC është një tub i orientuar vertikalisht i mbushur me neon në presion të ulët, në të cilin krijohet një shkarkesë shkëlqimi. Në kushte të caktuara, shtresat në këmbë vërehen në zonat e shkarkimit - të palëvizshme me shkëlqim të pabarabartë. Grimcat e pluhurit gjenden në një enë me një fund rrjetë mbi zonën e shkarkimit. Kur ena tundet, grimcat bien poshtë dhe varen në shtresa, duke formuar struktura të renditura. Për ta bërë pluhurin të dukshëm, ai ndriçohet me një rreze lazer të sheshtë. Drita e shpërndarë regjistrohet nga një videokamerë. Në ekranin e monitorit është një imazh video i strukturave plazma-pluhuri të marra nga ndriçimi i grimcave të pluhurit me një rreze lazer në zonën e gjelbër të spektrit.

I sëmurë. 3. Në një shkarkesë shkëlqimi, shfaqet një strukturë pluhuri e renditur (a), e cila korrespondon me një funksion korrelacioni g(r) me disa maksimum të theksuar karakteristikë të kristalit (b).

I sëmurë. 4. Grimcat e zgjatura të pluhurit (në formë cilindrike) rreshtohen paralelisht me një bosht të caktuar të përbashkët. Kjo gjendje quhet kristal i lëngshëm plazmatik në analogji me kristalet e lëngëta molekulare, ku ka një drejtim të preferuar në orientimin e molekulave të gjata.

I sëmurë. 5. Dhoma e plazmës me vakum për studimin e plazmës së pluhurit në Stacionin Ndërkombëtar të Hapësirës (ISS).

I sëmurë. 6. Instituti i Termofizikës së Shteteve Ekstreme të Akademisë Ruse të Shkencave ka ndërtuar një instalim të veçantë për studimin e kristaleve të plazmës në një shkarkim me presion të ulët me frekuencë të lartë. Struktura kristalore është qartë e dukshme kur grimcat e pluhurit ndriçohen me rreze lazer në zonat jeshile dhe të kuqe të spektrit.

I sëmurë. 7. Strukturat e grimcave të pluhurit në tre shtresa horizontale të formimit të pluhurit plazmatik: me një rrjetë me qendër trupin (lart), një rrjetë në qendër të fytyrës (në qendër) dhe me një paketim të ngushtë gjashtëkëndor (më poshtë).

A keni menduar ndonjëherë për atë që përmban hapësira ndëryjore apo ndërgalaktike? Ekziston një vakum fizik absolut në hapësirë, dhe për këtë arsye asgjë nuk është e përmbajtur. Dhe do të keni të drejtë, sepse mesatarisht në hapësirën ndëryjore ka rreth 1000 atome për centimetër kub dhe në distanca shumë të mëdha dendësia e materies është e papërfillshme. Por këtu gjithçka nuk është aq e thjeshtë dhe e paqartë. Shpërndarja hapësinore e mediumit ndëryjor është jo e parëndësishme. Përveç strukturave të përgjithshme galaktike, të tilla si shiriti dhe krahët spirale të galaktikave, ekzistojnë edhe retë individuale të ftohta dhe të ngrohta të rrethuara nga gaz më të nxehtë. Ka një numër të madh strukturash në mjedisin ndëryjor (ISM): retë molekulare gjigante, mjegullnajat reflektuese, mjegullnajat protoplanetare, mjegullnajat planetare, globulat, etj. Kjo çon në një gamë të gjerë manifestimesh dhe procesesh vëzhguese që ndodhin në mjedis. Lista e mëposhtme liston strukturat e pranishme në MZS:

• Gazi koronal
• Rajonet e ndritura të ISKSH-së
• Zonat HII me densitet të ulët
• Mjedisi ndër-re
• Zonat e ngrohta HI
• Kondensimet Maser
• Retë HI
• Retë molekulare gjigante
• Retë molekulare
• Globulat

Tani nuk do të hyjmë në detaje se çfarë është secila strukturë, pasi tema e këtij botimi është plazma. Strukturat e plazmës përfshijnë: gazin koronal, rajonet e ndritshme HII, rajonet e ngrohta HI, retë HI, d.m.th. Pothuajse e gjithë lista mund të quhet plazma. Por, ju kundërshtoni, hapësira është një vakum fizik, dhe si mund të ketë plazmë me një përqendrim të tillë grimcash?

Për t'iu përgjigjur kësaj pyetjeje, duhet të japim një përkufizim: çfarë është plazma dhe me çfarë parametrash fizikanët e konsiderojnë këtë gjendje të materies si plazmë?
Sipas ideve moderne për plazmën, kjo është gjendja e katërt e materies, e cila është në gjendje të gaztë, shumë e jonizuar (gjendja e parë është e ngurtë, e dyta është një gjendje e lëngshme dhe së fundi e treta është e gaztë). Por jo çdo gaz, edhe gazi i jonizuar, është plazma.

Plazma përbëhet nga grimca të ngarkuara dhe neutrale. Grimcat e ngarkuara pozitivisht janë jone dhe vrima pozitive (plazma në gjendje të ngurtë), dhe grimcat e ngarkuara negativisht janë elektronet dhe jonet negative. Para së gjithash, është e nevojshme të njihen përqendrimet e një lloji të caktuar të grimcave. Plazma konsiderohet e jonizuar dobët nëse e ashtuquajtura shkalla e jonizimit është e barabartë me

$$shfaq $$r = N_e/N_n$$shfaq $$

$në linjë$N_e$në linjë$

Përqendrimi i elektroneve,

$në linjë$N_n$në linjë$

Përqendrimi i të gjitha grimcave neutrale në plazmë qëndron në intervalin

$inline$(r . Dhe një plazmë plotësisht e jonizuar ka një shkallë jonizimi $inline$r deri në infty$inline$

Por siç u tha më lart, jo çdo gaz i jonizuar është një plazmë. Është e nevojshme që plazma të ketë vetinë kuazi-neutraliteti, d.m.th. mesatarisht, për periudha mjaft të gjata kohore dhe në distanca mjaft të mëdha, plazma ishte përgjithësisht neutrale. Por cilat janë këto intervale kohore dhe distanca në të cilat një gaz mund të konsiderohet plazma?

Pra, kërkesa e pothuajse neutralitetit është si më poshtë:

$$shfaq $$sum_(alfa)e_(alfa)N_(alfa) = 0$$shfaq $$

Së pari, le të zbulojmë se si fizikanët vlerësojnë shkallën kohore të ndarjes së ngarkesës. Le të imagjinojmë se një pjesë e elektroneve në plazmë ka devijuar nga pozicioni fillestar i ekuilibrit në hapësirë. Elektroni fillon të veprojë Forca e Kulonit, duke tentuar ta kthejë elektronin në një gjendje ekuilibri, d.m.th.

$inline$F përafërsisht e^2/(r^2)_(mesatare)$inline$

$inline$r_(mesatar)$inline$

Distanca mesatare midis elektroneve. Kjo distancë vlerësohet përafërsisht si më poshtë. Le të supozojmë se përqendrimi i elektroneve (d.m.th. numri i elektroneve për njësi vëllimi) është

$në linjë$N_e$në linjë$

Elektronet janë mesatarisht në një distancë nga njëri-tjetri

$inline$r_(mesatar)$inline$

Kjo do të thotë se ata zënë një vëllim mesatar

$inline$V = frac(4)(3)pi r_(avg)^3$inline$

Prandaj, nëse ka 1 elektron në këtë vëllim,

$inline$r_(avg) = (frac(3)(4pi N_e))^(1/3)$inline$

Si rezultat, elektroni do të fillojë të lëkundet rreth pozicionit të tij të ekuilibrit me një frekuencë

$$shfaq $$omega përafërsisht sqrt(frac(F)(mr_(avg))) përafërsisht sqrt(frac(4pi e^2 N_e)(3m))$$shfaq $$

Formula më e saktë

$$ekran$$omega_(Le) = sqrt(frac(4pi e^2 N_e)(m))$$shfaq $$

Kjo frekuencë quhet frekuenca elektronike Langmuir. Ai u zhvillua nga kimisti amerikan Irwin Langmuir, fitues i çmimit Nobel në Kimi "për zbulimet dhe kërkimet e tij në fushën e kimisë së fenomeneve sipërfaqësore".

Kështu, është e natyrshme të merret reciproku i frekuencës Langmuir si shkallë kohore e ndarjes së ngarkesës

$$shfaq $$tau = 2pi / omega_(Le)$$shfaq $$

Në hapësirë, në një shkallë të madhe, gjatë periudhave kohore

$inline$t >> tau$inline$

grimcat pësojnë shumë lëkundje rreth pozicionit të ekuilibrit dhe plazma në tërësi do të jetë kuazineutrale, d.m.th. në shkallët kohore, mediumi ndëryjor mund të ngatërrohet me plazmën.

Por është gjithashtu e nevojshme të vlerësohen shkallët hapësinore në mënyrë që të tregohet me saktësi se hapësira është plazma. Nga konsideratat fizike është e qartë se kjo shkallë hapësinore përcaktohet nga gjatësia me të cilën një shqetësim në densitetin e grimcave të ngarkuara mund të zhvendoset për shkak të lëvizjes së tyre termike në një kohë të barabartë me periudhën e lëkundjeve të plazmës. Kështu, shkalla hapësinore është e barabartë me

$$shfaq $$r_(De) përafërsisht frac(upsilon_(Te))(omega_(Le)) = sqrt(frac(kT_e)(4pi e^2 N_e))$$shfaq $$

$inline$upsilon_(Te) = sqrt(frac(kT_e)(m))$inline$

Nga lindi kjo formulë e mrekullueshme, ju pyesni. Le të mendojmë kështu. Elektronet në plazmë në temperaturën e ekuilibrit të termostatit lëvizin vazhdimisht me energji kinetike

$inline$E_k = frac(m upsilon^2)(2)$inline$

Nga ana tjetër, ligji i shpërndarjes uniforme të energjisë njihet nga termodinamika statistikore, dhe mesatarisht, për çdo grimcë ka

$inline$E = frac(1)(2) kT_e$inline$

Nëse krahasojmë këto dy energji, marrim formulën e shpejtësisë të paraqitur më sipër.

Pra, kemi marrë gjatësinë, e cila në fizikë quhet rrezja ose gjatësia e elektronit Debye.

Tani do të tregoj një derivim më rigoroz të ekuacionit Debye. Le të imagjinojmë përsëri elektronet N, të cilat, nën ndikimin e një fushe elektrike, zhvendosen me një sasi të caktuar. Në këtë rast, formohet një shtresë e ngarkesës hapësinore me një densitet të barabartë me

$inline$sum e_j n_j$inline$

$inline$e_j$inline$

Ngarkesa elektronike,

$inline$n_j$inline$

Përqendrimi i elektroneve. Formula e Poisson është e njohur nga elektrostatika

$$ekran $$trekëndëshi i madh^2 phi((r)) = – frac(1)(epsilon epsilon_0) shuma e_j n_j$$shfaq $$

$inline$epsilon$inline$

Konstanta dielektrike e mediumit. Nga ana tjetër, elektronet lëvizin për shkak të lëvizjes termike dhe elektronet shpërndahen sipas shpërndarjes Boltzmann

$$shfaq $$n_j ((r)) = n_0 exp(- frac(e_j phi((r)))(kT_e))$$shfaq $$

Duke zëvendësuar ekuacionin Boltzmann në ekuacionin Poisson, marrim

$$ekran $$trekëndëshi i madh^2 phi((r)) = – frac(1)(epsilon epsilon_0) shuma e_j n_0 exp(- frac(e_j phi((r)))(kT_e))$$shfaq $$

Ky është ekuacioni Poisson-Boltzmann. Le të zgjerojmë eksponencialin në këtë ekuacion në një seri Taylor dhe të hedhim poshtë sasitë e rendit të dytë dhe më të lartë.

$$shfaq $$exp(- frac(e_j phi((r)))(kT_e)) = 1 – frac(e_j phi((r)))(kT_e)$$shfaq $$

Le ta zëvendësojmë këtë zgjerim në ekuacionin Poisson-Boltzmann dhe të marrim

$$ekran $$bigtriangledown^2 phi((r)) = (shuma frac(n_(0j) e_(j)^2)(epsilon epsilon_0 kT_e)) phi((r)) – frac(1)(epsilon epsilon_0 ) shuma n_(0j) e_(j)$$shfaq $$

Ky është ekuacioni Debye. Një emër më i saktë është ekuacioni Debye-Hückel. Siç zbuluam më lart, në plazmë, si në një mjedis pothuajse neutral, termi i dytë në këtë ekuacion është i barabartë me zero. Në mandatin e parë në thelb kemi Debye gjatësi.

Në mediumin ndëryjor, gjatësia e Debye është rreth 10 metra; në mjedisin ndërgalaktik, rreth

$në linjë$10^5$në linjë$

metra. Ne shohim se këto janë vlera mjaft të mëdha, të krahasuara, për shembull, me dielektrikët. Kjo do të thotë që fusha elektrike përhapet pa dobësim në këto distanca, duke shpërndarë ngarkesa në shtresa të ngarkuara vëllimore, grimcat e të cilave lëkunden rreth pozicioneve të ekuilibrit me një frekuencë të barabartë me Langmuir.

Nga ky artikull mësuam dy sasi themelore që përcaktojnë nëse mediumi hapësinor është plazma, pavarësisht se dendësia e këtij mediumi është jashtëzakonisht e vogël dhe hapësira në tërësi është një vakum fizik në shkallë makroskopike. Në shkallë lokale kemi edhe gaz, pluhur, ose plazma

PLAZMA HAPËSINORE

PLAZMA HAPËSINORE

- plazma në hapësirë hapësirë ​​dhe kozmike objektet. Plazma kozmike mund të ndahet me kusht sipas lëndëve të hulumtimit: rrethplanetare, ndërplanetare, plazma e yjeve dhe atmosferave yjore, plazma e kuazareve dhe plazma galaktike. bërthama, ndëryjore dhe ndërgalaktike. plazma. Llojet e treguara të CP ndryshojnë në parametrat e tyre (krh. densitet P, e mërkurë energjitë e grimcave, etj.), si dhe gjendjet: ekuilibër termodinamik, pjesërisht ose plotësisht joekuilibër.

K. ndërplanetare f. Gjendja e plazmës rrethplanetare, si dhe struktura e hapësirës që ajo zë, varen nga prania e fushës së saj magnetike. fushat pranë planetit dhe largësia e tij nga Dielli. Magn. planeti rrit ndjeshëm zonën e mbajtjes së plazmës rrethplanetare, duke formuar natyrore kurthe magnetike. Prandaj, rajoni i kufizimit rrethplanetar të plazmës është johomogjen. Një rol të madh në formimin e plazmës rrethplanetare luajnë rrymat e plazmës diellore që lëvizin pothuajse në mënyrë radiale nga Dielli (të ashtuquajturat. erë me diell), dendësia e të cilave bie me largësinë nga Dielli. Matjet e drejtpërdrejta të densitetit të grimcave të erës diellore pranë Tokës duke përdorur satelitët hapësinorë. pajisjet japin vlera P(1-10) cm -3 . Plazma kozmike afër Tokës. hapësira zakonisht ndahet në plazmë jonosferë, duke pasur P deri në 10 5 cm -3 në lartësitë 350 km, plazma rripat e rrezatimit Toka ( P 10 7 cm -3) dhe magnetosfera e Tokës; deri në disa rrezet e Tokës shtrihen të ashtuquajturat. plazmasfera, prerja e densitetit P 10 2 cm -3 .

Veçori e sipërme plazma. jonosferë, rrezatim rripat dhe magnetosfera në atë që është pa përplasje, d.m.th., shkallët hapësinore-kohore të valëve dhe lëkundjeve. ka shumë më pak procese përplasjeje në të. Relaksimi në energji dhe moment nuk ndodh për shkak të përplasjeve, por përmes shkallëve kolektive të lirisë së plazmës - lëkundjeve dhe valëve. Në një plazmë të këtij lloji, si rregull, nuk ka termodinamikë. ekuilibri, veçanërisht ndërmjet komponentëve elektronikë dhe jonikë. Rrjedhin me shpejtësi në to, për shembull. goditjet përcaktohen edhe nga ngacmimi i lëkundjeve dhe valëve në shkallë të vogël. Një shembull tipik është ai pa përplasje, i cili formohet kur era diellore rrjedh rreth magnetosferës së Tokës.

Ylli K. f. Dielli mund të konsiderohet si grumbuj gjigantë të lëndës kozmike me një densitet që rritet vazhdimisht nga jashtë. pjesët në qendër: kurora, kromosfera, fotosfera, zona konvektive, bërthama. Në të ashtuquajturat Në yjet normalë, temperaturat e larta ofrojnë energji termike. jonizimi i një lënde dhe kalimi i saj në gjendjen plazmatike. Plazma e lartë mbahet hidrostatikisht. ekuilibri. Maks. llogaritur dendësinë kozmike në qendër të yjeve normalë P 10 24 cm -3, temperatura deri në 10 9 K. Pavarësisht densiteteve të larta, plazma këtu është zakonisht ideale për shkak të temperaturave të larta; Vetëm në yjet me masë të ulët (0,5 masa diellore) shfaqen efekte që lidhen me papërsosmëritë e plazmës. Deri në qendër. Në rajonet e yjeve normalë, rruga mesatare e lirë e grimcave është e vogël, kështu që plazma në to është përplasëse dhe ekuilibër; ne krye shtresa, veçanërisht kromosfera dhe korona, plazma është pa përplasje. (Këto modele llogaritëse bazohen në ekuacione hidrodinamika magnetike.)

Në yjet masive dhe kompakte, dendësia e densitetit kozmik mund të jetë disa. urdhra madhësie më të larta se në qendrën e yjeve normalë. Pra, në xhuxhët e bardhë dendësia është aq e lartë sa elektronet rezultojnë të jenë të degjeneruara (shih. Gazi i degjeneruar). Jonizimi i substancës sigurohet për shkak të vlerës së madhe kinetike. energjia e grimcave, e përcaktuar fer mi-energji;. Kjo është edhe arsyeja e idealitetit të kozmosit te xhuxhët e bardhë. Statike ekuilibri sigurohet nga presioni Fermi i elektroneve të plazmës së degjeneruar. Edhe dendësia më e lartë e materies që lind në yjet neutrone çon në degjenerim jo vetëm të elektroneve, por edhe të nukleoneve. Yjet neutron përfshijnë yje kompakte me diametër 20 km dhe një masë prej 1 M. Pulsarët karakterizohen nga rrotullimi i shpejtë (i cili luan një rol të rëndësishëm në ekuilibrin mekanik të yllit) dhe fusha magnetike. fusha e tipit dipol (10 12 G në sipërfaqe), dhe magnetike. boshti nuk përkon domosdoshmërisht me boshtin e rrotullimit. Pulsarët kanë një magnetosferë të mbushur me plazmë relativiste, e cila është një burim i rrezatimit elektromagnetik. valët

Gama e temperaturave dhe densiteteve të CP është e madhe. Në Fig. Shumëllojshmëria e llojeve të plazmës dhe vendndodhja e tyre e përafërt në diagramin e temperaturës-densisë tregohen në mënyrë skematike. Siç mund të shihet nga diagrami, sekuenca në uljen e densitetit të grimcave kozmike është afërsisht si më poshtë: plazma yjore, plazma rrethplanetare, plazma e kuazareve dhe galaktikat. bërthama, plazma ndërplanetare, ndëryjore dhe ndërgalaktike. plazma. Me përjashtim të plazmës së bërthamave yjore dhe më poshtë. shtresat e plazmës rrethplanetare, kozmosi është pa përplasje. Prandaj, shpesh është termodinamikisht jo ekuilibër, dhe shpërndarja e ngarkesave përbërëse të tij është e ndryshme. shpejtësitë dhe energjitë e grimcave janë larg nga Maksuelliane. Në veçanti, ato mund të përmbajnë maja që korrespondojnë me thellësinë. trarët e karikimit grimcat, të jenë anizotropike, veçanërisht në fushat magnetike. hapësirë fusha, etj. Një plazmë e tillë "e çliron" nga joekuilibri jo përmes përplasjeve, por më tepër. në një mënyrë të shpejtë - përmes ngacmimit elektromagnetik. dridhjet dhe valët (shih Valët goditëse pa përplasje). Kjo çon në rrezatim kozmik. objektet që përmbajnë plazmë pa përplasje, e tejkalojnë shumë fuqinë e rrezatimit të ekuilibrit dhe dallojnë dukshëm nga rrezatimi Planck. Një shembull është kuazarët, prerë si në radio ashtu edhe në atë optik. diapazoni ka një karakter joekuilibri. Dhe, pavarësisht paqartësisë së teorisë interpretimi i rrezatimit të vëzhguar, të gjitha teoritë tregojnë për rëndësinë e rolit të rrjedhave relativiste të elektroneve që përhapen në sfondin e plazmës kryesore.

Dr. burimi i emetimit të radios jo ekuilibër - galaktikat e radios, të cilat janë dukshëm më të mëdha në përmasa se galaktikat e dukshme në atë optike. varg. Këtu, një rol të rëndësishëm luajnë edhe elektronet relativiste të nxjerra nga galaktikat dhe që përhapen në sfondin e plazmës që rrethon galaktikën. Mosekuilibri i plazmës magnetosferike, i cili manifestohet edhe në praninë e rrezeve të ngarkesës. grimcat, çon në emetim radio kilometërsh nga Toka.

Klasifikimi i llojeve të plazmës: GR - plazma e shkarkimit të gazit; MHD - plazma në gjeneratorët magnetohidrodinamikë; TYAP-M - plazma në kurthe magnetike termonukleare; TYAP-L - plazma në kushtet e shkrirjes termonukleare lazer: EGM - në metale; EHP - plazma me vrima elektronike në gjysmëpërçues; BC - elektron i degjeneruar në xhuxhët e bardhë; I - plazma jonosferike; SW - plazma e erës diellore; SC - plazma e koronës diellore; C - plazma në qendër të Diellit; MP - plazma në magnetosferat e pulsarëve.

Dukuritë e plazmës jo ekuilibër çojnë gjithashtu në faktin se plazma jo vetëm që rrezaton fuqishëm, por edhe bëhet e turbullt për shkak të faktit se ajo është e përcaktuar. llojet e valëve dhe lëkundjeve të ngacmuara ose "zgjaten" në plazmë për një kohë të gjatë ose nuk mund të "lënë" fare nga plazma (për shembull, valët Langmuir). Kjo ju lejon të gjeni një mënyrë për të zgjidhur të ashtuquajturin problem. elemente të “anashkaluara” në teorinë e origjinës së elementeve në Univers. Naib. Një teori e zakonshme e origjinës së elementeve supozon se nga protonet dhe neutronet fillestare ato formohen nga të njëpasnjëshme. kapja e neutronit, dhe kur një izotop i ri mbingarkohet me neutrone, atëherë si rezultat i zbërthimit të tij radioaktiv me emetimin e një elektroni, lind një element i ri. Sidoqoftë, ka elementë "të anashkaluar" (për shembull, litium, bor, etj.), Formimi i të cilave nuk mund të shpjegohet me kapjen e neutronit; origjina e tyre mund të lidhet me përshpejtimin e karikimit. grimcat në zonat me një shkallë të lartë turbulence plazmatike dhe reaksione të mëvonshme bërthamore të grimcave të përshpejtuara.

Efikasiteti i objekteve të largëta studiohet me metoda spektrale të largëta duke përdorur teknologjinë optike. teleskopët, radioteleskopët, teleskopët satelitorë ekstra-atmosferikë në rrezet X dhe brezat g të rrezatimit. Përdorimi i instrumenteve të instaluara në raketa, satelitë dhe anije kozmike. pajisjet, gama e matjeve direkte të parametrave diellorë brenda sistemit diellor po zgjerohet me shpejtësi. Këto metoda përfshijnë përdorimin e sondës, spektrometrinë e valëve me frekuencë të ulët dhe të lartë. matje, matje magnetike dhe elektrike fushat (shih Diagnostifikimi i plazmës). Kështu u zbulua rrezatimi. brezi i Tokës, një valë goditëse pa përplasje përpara magnetosferës së Tokës, bishti i magnetosferës, rrezatimi kilometrik i Tokës, magnetosferat e planetëve nga Mërkuri në Saturn, etj.

Moderne hapësirë teknologjia ju lejon të kryeni të ashtuquajturat eksperimente aktive në hapësirë ​​- ndikojnë në mënyrë aktive në anijen kozmike, kryesisht në hapësirën afër Tokës, me emetimet e radios, rrezet e karikimit. grimcat, mpiksjet e plazmës, etj. Këto metoda përdoren për diagnostikimin, modelimin e kushteve natyrore. proceset në kushte reale, fillimin e natyrore dukuritë (p.sh. aurorat).

Llojet e elementeve kozmike në kozmologji. Sipas modernes idetë, Universi u ngrit në të ashtuquajturat. Big Bang. Gjatë periudhës së zgjerimit të materies (universi në zgjerim), përveç gravitetit, i cili përcakton zgjerimin, tre llojet e tjera të ndërveprimit (i fortë, i dobët dhe elektromagnetik) kontribuojnë në fenomenet plazmatike në faza të ndryshme të zgjerimit. Në tempo-pax jashtëzakonisht të lartë, karakteristikë e fazave të hershme të zgjerimit, grimca të tilla si, për shembull, bozonet W + - dhe Z 0 - përgjegjëse për ndërveprime të dobëta, ishin pa masë, si fotonet (ndërveprime elektronike dhe të dobëta). Kjo do të thotë se ishte me rreze të gjatë, në të cilën ishte një analog i një magneti elektrik të qëndrueshëm. fusha ishte Fusha e Young-Mills. Kështu, i gjithë përbërësi lepton i substancës ishte në gjendje plazmatike. Duke marrë parasysh lidhjen ndërmjet kohës së fluturimit të disponueshme në modelin standard t dhe temperaturat e substancës së ekuilibrit termodinamik T:t(c)1/T 2 . (temp-pa në MeV), ne mund të vlerësojmë kohën gjatë së cilës ekzistonte një plazmë e tillë lepton. Në temp-pax T, duke iu afruar energjisë së mbetur të bozonit Z 0 Mz nga 2100 GeV (koha korresponduese t 10 -10 s), ndodh me thyerja spontane e simetrisë i dobët dhe el.-magn. ndërveprimet që çojnë në shfaqjen e masave në W + - dhe Z 0 -bozonet, pas së cilës vetëm ato të ngarkuara ndërveprojnë duke përdorur vetëm forca me rreze të gjatë - ato elektromagnetike.

Komponenti hadronik (ndërveprues fort) i materies në temperatura kaq të larta është gjithashtu në një gjendje të veçantë plazmatike, e quajtur. plazma kuark-gluon. Këtu, ndërveprimi midis kuarkeve kryhet gjithashtu nga fusha gluonike pa masë. Në densitetin e plazmës së nxehtë kuark-gluon ( PT 3) nga të mërkurën. distanca midis grimcave elementare është 10 -13 cm - rrezja e nukleonit (në këtë rast T 100 MeV) plazma kuark-gluon është ideale dhe mund të jetë pa përplasje. Me ftohjen e mëtejshme të Universit, kur me kalimin e kohës t 10 -4 s temp-pa bie në T 100 MeV (energjia e pushimit të mesoneve), ndodh një tranzicion i ri fazor: plazma kuark-gluon - hadronik (karakterizohet nga ndërveprimi me rreze të shkurtër me një rreze ndërveprimi prej 10 -13 cm). Kjo substancë përbëhet nga nukleone të qëndrueshme dhe hadrone që kalbet shpejt. Gjendja e përgjithshme e qelisë në periudhën pasuese përcaktohet nga tarifa. komponenti lepton (kryesisht elektron-pozitron), pasi raporti i ngarkesës totale të barionit ndaj ngarkesës së leptonit ruhet në Univers dhe vetë ky raport është shumë i vogël (10 -9). Si rezultat, në momente të vogla ( t 1 c) QP është ultrarelativiste dhe kryesisht elektron-pozitron. Në një moment në kohë t 1 s, temperatura e plazmës elektron-pozitron bie në 1 MeV dhe më poshtë, dhe fillon asgjësimi intensiv i plazmës elektron-pozitron, pas së cilës plazma kozmike ngadalë i afrohet asaj moderne. gjendje, duke ndryshuar pak në përbërjen e grimcave elementare.

Lit.: Pikelner S.B., Fundamentals of space electrodynamics, 2nd ed., M., 1966; Akasofu S.I., Chapman S., Diellore-tokësore

Gaz pjesërisht i jonizuar) në hapësirën e jashtme dhe objektet që banojnë në të. Plazma kozmike u ngrit në mikrosekondat e para të lindjes së Universit pas Big Bengut dhe tani është gjendja më e zakonshme e materies në natyrë, që përbën 95% të masës së Universit (duke përjashtuar lëndën e errët dhe energjinë e errët, natyra e që ende nuk dihet). Sipas vetive në varësi të temperaturës dhe densitetit të materies, dhe sipas fushave të hulumtimit, plazma kozmike mund të ndahet në llojet e mëposhtme: kuarko-gluon (bërthamore), galaktike (plazma e galaktikave dhe bërthamave galaktike), yjore (plazma e yjet dhe atmosferat yjore), ndërplanetare dhe magnetosferike. Plazma kozmike mund të jetë në gjendje ekuilibri dhe jo-ekuilibri, dhe mund të jetë ideale dhe jo ideale.

Shfaqja e plazmës kozmike. Sipas teorisë së Big Bengut, 13.7 miliardë vjet më parë lënda e Universit ishte e përqendruar në një vëllim shumë të vogël dhe kishte një densitet të madh (5·10 91 g/cm 3) dhe temperaturë (10 32 K). Në temperatura jashtëzakonisht të larta, karakteristike për fazat e hershme të zgjerimit të Universit, grimca të tilla si, për shembull, bozonet W ± - dhe Z 0 -, përgjegjëse për ndërveprimin e dobët, ishin pa masë, si fotonet (simetria elektromagnetike dhe e dobët ndërveprimet). Kjo do të thotë se ndërveprimi i dobët ishte me rreze të gjatë, dhe analog i fushës elektromagnetike vetë-konsistente ishte fusha vetë-konsistente Yang-Mills. Kështu, i gjithë përbërësi leptonik i materies që merr pjesë në ndërveprimet e dobëta dhe elektromagnetike ishte në gjendje plazmatike. Zbërthimi i ndërveprimit elektro-dobët në elektromagnetik dhe i dobët në T< 10 15 К привёл к появлению массы у кварков, лептонов и W ± -, Z-бозонов. Вещество оказалось в состоянии кваркглюонной плазмы (рис.) - сильновзаимодействующей ядерной материи, в которой освобождённые цветные кварки (фундаментальные частицы вещества) и глюоны (кванты сильного взаимодействия) образуют непрерывную среду (хромоплазму) и могут распространяться в ней как квазисвободные частицы, а слабые взаимодействия играют роль дальнодействующих сил. При плотностях вещества n >10 14 g/cm 3, energjitë > 0,1 GeV dhe distancat mesatare ndërmjet grimcave janë shumë më pak se 10 -13 cm, një plazmë e tillë mund të jetë ideale dhe pa përplasje (shtegu mesatar i lirë i grimcave është shumë më i madh se dimensionet karakteristike të sistemi). Ndërsa ftoheshin, kuarkët filluan të grupohen në hadrone (hadronizimi, tranzicioni i fazës së kuaradronit). Proceset kryesore në epokën e hadroneve ishin krijimi i çifteve grimcë-antigrimcë nga kuantet gama dhe asgjësimi i tyre pasues. Nga fundi i epokës së hadronit, kur temperatura ra në 10 12 K dhe dendësia e materies në 10 14 g/cm 3, krijimi i çifteve hadron-antihadron u bë i pamundur dhe asgjësimi dhe kalbja e tyre vazhdoi. Megjithatë, energjia e fotonit ishte e mjaftueshme për lindjen e çifteve lepton-antilepton (epoka e leptonit).

Pas 1 s nga fillimi i Big Bengut, filluan reaksionet e nukleosintezës dhe ndodhi formimi i plazmës moderne kozmike. Dendësia dhe temperatura e lartë e rrezatimit nuk lejonin formimin e atomeve neutrale; substanca ishte në gjendje plazmatike. 300 mijë vjet pas Big Bengut, kur u ftohën në një temperaturë prej rreth 4000 K, protonet dhe elektronet filluan të bashkohen në atome të hidrogjenit, deuteriumit dhe heliumit dhe rrezatimi pushoi së bashkëveprimin me materien. Fotonet filluan të përhapen lirshëm. Ato tani vërehen në formën e rrezatimit të sfondit të mikrovalës ekuilibër (rrezatimi relikt). 150 milion - 1 miliard vjet pas Big Bengut, u formuan yjet e parë, kuazaret, galaktikat, grupimet dhe supergrupet e galaktikave. Hidrogjeni u rijonizua nga drita e yjeve dhe kuasarëve me formimin e plazmës galaktike dhe yjore. Pas 9 miliardë vjetësh, u formua një re ndëryjore, duke krijuar sistemin diellor dhe Tokën.

Llojet e plazmës hapësinore. Me përjashtim të plazmës së bërthamave yjore dhe shtresave të poshtme të plazmës rrethplanetare, plazma kozmike është pa përplasje. Si rezultat, funksionet e shpërndarjes së plazmës kozmike shpesh ndryshojnë nga shpërndarja klasike Maxwelliane, d.m.th., ato mund të kenë maja që korrespondojnë me rrezet e grimcave të ngarkuara. Plazma pa përplasje karakterizohet nga një gjendje jo ekuilibër në të cilën temperaturat e protoneve dhe elektroneve janë të ndryshme. Ekuilibri në plazmën kozmike pa përplasje vendoset jo përmes përplasjeve, por përmes ngacmimit të valëve elektromagnetike në përputhje me lëvizjen kolektive të grimcave të plazmës së ngarkuar. Llojet e valëve varen nga fushat e jashtme magnetike dhe elektrike, nga konfigurimi i plazmës dhe fushave.

Fuqia e rrezatimit jo ekuilibër nga objektet kozmike mund të jetë shumë më e madhe se fuqia e rrezatimit të ekuilibrit, dhe spektri është jo-planckian. Burimet e rrezatimit jo-ekuilibër janë, për shembull, kuazarët dhe radiogalaktikat. Një rol të rëndësishëm në rrezatimin e tyre luajnë emetimet (aeroplanët) e rrymave të elektroneve relativiste ose plazmës shumë të jonizuar që përhapen në fushat magnetike kozmike. Mosekuilibri i plazmës magnetosferike pranë Tokës manifestohet gjithashtu në gjenerimin e rrezeve të grimcave të ngarkuara, gjë që çon në emetimin e radios nga Toka në intervalin e gjatësive valore të kilometrave. Fenomenet plazmatike pa ekuilibër çojnë në gjenerimin e paketave valore dhe shfaqjen e turbulencës plazmatike me shumë shkallë në plazmën hapësinore.

Plazma galaktike është më e dendur në galaktikat e reja të formuara nga kolapsimi i reve protoyjore të gazit dhe pluhurit të jonizuar. Raporti i sasisë totale të materies yjore dhe ndëryjore në galaktikë ndryshon me evolucionin: yjet formohen nga materia difuze ndëryjore dhe në fund të rrugës së tyre evolucionare ata kthejnë vetëm një pjesë të materies në hapësirën ndëryjore; një pjesë e tij mbetet në xhuxhët e bardhë dhe yjet neutron, si dhe në yjet me masë të ulët që evoluojnë ngadalë, mosha e të cilëve është e krahasueshme me moshën e Universit. Kështu, me kalimin e kohës, sasia e lëndës ndëryjore në galaktikë zvogëlohet: në galaktikat "të vjetra" përqendrimi i plazmës ndëryjore është i papërfillshëm.

Plazma yjore. Yjet si Dielli janë objekte masive sferike të plazmës. Reaksionet termonukleare në bërthamë mbajnë temperatura të larta, të cilat sigurojnë jonizimin termik të substancës dhe kalimin e saj në gjendjen plazmatike. Presioni i lartë i plazmës ruan ekuilibrin hidrostatik. Temperatura e plazmës në qendër të yjeve normalë mund të arrijë 10 9 K. Plazma e koronës diellore ka një temperaturë rreth 2·10 6 K dhe është e përqendruar kryesisht në harqe magnetike, tuba të krijuar nga fushat magnetike të Diellit duke u shtrirë në korona.

Pavarësisht densiteteve të larta, plazma yjore është zakonisht ideale për shkak të temperaturave të larta: vetëm në yjet me masa të ulëta [≥ 0,5 masa diellore (Mʘ)] shfaqen efekte që lidhen me plazmën jo ideale. Në rajonet qendrore të yjeve normalë, rruga mesatare e lirë e grimcave është e vogël, kështu që plazma në to është përplasëse dhe ekuilibër; në shtresat e sipërme (veçanërisht në kromosferë dhe koronë) plazma është pa përplasje.

Në yjet masive dhe kompakte, dendësia e plazmës kozmike mund të jetë disa rend magnitudë më e lartë se në qendrën e yjeve normalë. Kështu, në xhuxhët e bardhë dendësia është aq e lartë saqë elektronet rezultojnë të jenë të degjeneruar (shih Gazi i degjeneruar). Jonizimi i materies sigurohet për shkak të energjisë së lartë kinetike të grimcave, e përcaktuar nga energjia Fermi; është edhe arsyeja e idealitetit të plazmës kozmike te xhuxhët e bardhë. Gazi elektronik i degjeneruar kundërvepron me forcat e gravitetit, duke siguruar ekuilibrin e yllit.

Në yjet neutron (produktet përfundimtare të evolucionit të yjeve me një masë 1,3-2 Mʘ) me densitet të lëndës 3·10 14 -2·10 15 g/cm3, e krahasueshme me densitetin e lëndës në bërthamat atomike, degjenerimi i jo ndodhin vetëm elektronet, por edhe neutronet. Presioni i gazit të degjeneruar neutron balancon forcën e gravitetit në yjet neutronike. Si rregull, yjet neutron - pulsarët - kanë diametër 10-20 km, rrotullohen me shpejtësi dhe kanë një fushë magnetike të fortë të tipit dipol (të rendit 10 12 -10 13 G në sipërfaqe). Magnetosfera e pulsarëve është e mbushur me plazmë relativiste, e cila është burimi i rrezatimit të valëve elektromagnetike.

Teoritë moderne sugjerojnë se plazma e kuarkut-gluonit (të ashtuquajturat yje të kuarkut, ose të çuditshëm) mund të ekzistojë në bërthamat e yjeve më masive të neutroneve. Në densitet të lartë të materies në qendrat e yjeve neutron, neutronet janë të vendosura afër njëri-tjetrit (në një distancë të rrezeve klasike), për shkak të të cilave kuarkët mund të lëvizin lirshëm në të gjithë rajonin e materies. Një substancë e tillë mund të konsiderohet si një gaz ose lëng kuarku.

Plazma ndërplanetare dhe magnetosferike. Gjendja e plazmës rrethplanetare, si dhe struktura e hapësirës që ajo zë, varen nga prania e fushës magnetike të planetit dhe distanca e tij nga Dielli, në koronën e së cilës ka linja të hapura (jo të mbyllura) të fushës magnetike. . Era diellore rrjedh nëpër to me një shpejtësi prej 300-1200 km/s - një rrymë grimcash jonizuese (protone, elektrone dhe bërthama heliumi) me një densitet të rendit 1-10 cm -3. Linjat e forcës së fushës magnetike ndërplanetare, të krijuara nga rrymat që rrjedhin brenda Diellit, mund të konsiderohen të ngrira në plazmën e erës diellore. Fusha magnetike e brendshme e shumicës së planetëve, si rregull, ka një formë dipole, e cila lehtëson kapjen e plazmës ndërplanetare dhe grimcave diellore energjike në kurthe magnetike natyrore. Rrjedha e erës diellore rreth fushës magnetike të planetit çon në formimin e magnetosferës së planetit - një zgavër e mbushur me plazmë të erës diellore dhe plazmë me origjinë planetare.

Kur një erë diellore supersonike rrjedh rreth fushës magnetike të Tokës në një distancë prej 13-17 rreze të Tokës nga qendra e saj, formohet një valë goditëse pa përplasje, në të cilën plazma e erës diellore ngadalësohet, nxehet dhe dendësia dhe amplituda e magnetikes. fusha rritet. Më afër planetit është magnetopauza - kufiri i magnetosferës, ku presioni dinamik i plazmës së erës diellore balancohet nga presioni i fushës magnetike të Tokës. Magnetosfera e Tokës është e ngjeshur nga rrjedha e përplasjes në anën e ditës dhe e zgjatur fort në drejtim të natës, duke i ngjashëm me bishtin e një komete (i ashtuquajturi bisht magnetosferik).

Në varësi të fuqisë së fushës magnetike, magnetosferat e planetëve mund të kenë struktura të ndryshme, të cilat janë më kompakte sa më e vogël të jetë fusha magnetike e planetit. Magnetosfera e Tokës përfshin jonosferën (atmosferën e sipërme në lartësitë 60 km e lart, ku plazma është shumë e jonizuar nën ndikimin e rrezatimit me valë të shkurtër diellore) me një densitet të grimcave 10 2 -10 6 cm -3, plazma prej rripat e rrezatimit të Tokës me një dendësi të rendit 10 7 cm -3, plazmasfera me një densitet të rendit 10 2 -10 4 cm -3 në distanca deri në disa rreze tokësore dhe plazma e bishtit magnetosferik me një dendësia mesatare e rendit 1 cm.

Plazma e erës diellore depërton në magnetosferë në rajonin e linjave të fushës magnetike "të hapura" (kuspat polare), në rajonet e rilidhjes së fushave magnetike tokësore dhe ndërplanetare në magnetopauzë, për shkak të efekteve magnetohidrodinamike (MHD) dhe paqëndrueshmërisë së plazmës. Një pjesë e plazmës që depërton në magnetosferë plotëson rripat e rrezatimit të planetit dhe shtresën plazmatike të bishtit magnetosferik. Depërtimi i plazmës në magnetosferë dhe reshjet e saj në shtresat e sipërme të atmosferës dhe jonosferës janë shkaku i aurorave.

Pothuajse të gjithë planetët në Sistemin Diellor kanë magnetosfera. Toka dhe planetët gjigantë (Jupiteri, Saturni, Urani, Neptuni) kanë fushat më të forta magnetike të tyre, Marsi ka fushën magnetike më të dobët, Venusi dhe Hëna nuk kanë praktikisht asnjë fushë magnetike të tyren. Plazma magnetosferike e planetëve është pa përplasje. Relaksimi në energji dhe momente në një plazmë të tillë ndodh përmes ngacmimit të lëkundjeve dhe valëve të ndryshme. Në plazmën e bishtit magnetik të Tokës nuk ka ekuilibër termodinamik: temperatura e elektroneve është 3-8 herë më e vogël se temperatura e joneve.

Magnetosferat e planetëve janë shumë të ndryshueshme, gjë që shoqërohet me ndryshueshmërinë e fushës magnetike ndërplanetare dhe rrjedhën e energjisë që vjen nga era diellore në magnetosferë për shkak të rilidhjes së linjave të fushës magnetike në magnetopauzë. Çrregullimet më të fuqishme magnetosferike - stuhitë magnetike - shoqërohen me ardhjen e reve plazmatike në Tokë gjatë emetimeve të fuqishme të plazmës nga korona diellore.

Metodat për studimin e plazmës hapësinore. Plazma kozmike e objekteve të largëta studiohet me metoda spektrale të largëta duke përdorur teleskopë optikë, radio teleskopë, teleskopë ekstra-atmosferikë me rreze X dhe rreze gama. Me ndihmën e instrumenteve të instaluara në raketa, satelitë dhe anije kozmike, numri i matjeve direkte të parametrave të plazmës hapësinore brenda Sistemit Diellor po zgjerohet me shpejtësi (studimet e Mërkurit, Venusit, Marsit, Jupiterit dhe planetëve të tjerë). Metodat e kërkimit përfshijnë përdorimin e matjeve të sondës, spektrometrinë e valëve me frekuencë të ulët dhe të lartë, matjet e fushës magnetike dhe elektrike. Po kryhen kërkime mbi rripat e rrezatimit të Tokës, erën diellore, valën goditëse pa përplasje të magnetosferës së Tokës, magnetobishtin, aurorat, rrezatimin në shkallë kilometrike të Tokës, etj. Teknologjia moderne hapësinore bën të mundur kryerjen e të ashtuquajturave eksperimente aktive në hapësirë ​​- të ndikojë aktivisht në plazmën hapësinore afër Tokës me emetim radio, rrezet e grimcave të ngarkuara, mpiksjen e plazmës, etj. Këto metoda përdoren për të diagnostikuar dhe simuluar proceset natyrore në kushte reale.

Në kushte tokësore, është bërë i mundur studimi i plazmës së kuarkut-gluonit në përplasësit gjatë përplasjeve të rrezeve të joneve të rënda relativiste [CERN, Zvicër; RHIC (Relativistic Heavy Joon Collider), SHBA].

Plazma kozmike karakterizohet nga ekzistenca e valëve magnetohidrodinamike, të cilat në amplituda të mëdha janë shumë jolineare dhe mund të marrin formën e solitoneve ose valëve goditëse. Nuk ka ende një teori të përgjithshme të valëve jolineare. Problemi i valëve me amplitudë të vogël zgjidhet plotësisht me metodën e linearizimit të ekuacioneve të gjendjes plazmatike. Për të përshkruar plazmën kozmike të përplasjes, zakonisht përdoret përafrimi MHD (shih Magnetohidrodinamika). Përhapja e valëve dhe strukturat në shkallë të vogël në plazmën hapësinore pa përplasje përshkruhen nga sistemet e ekuacioneve Vlasov-Maxwell për fushat elektromagnetike dhe plazmën. Sidoqoftë, kur lëvizja termike e grimcave të ngarkuara është e parëndësishme dhe shkalla e sistemit është e madhe në krahasim me rrezen Larmor (shkalla karakteristike e rrotullimit të grimcave të ngarkuara në një fushë magnetike), përafrimi MHD përdoret gjithashtu në plazmën pa përplasje.

Lit.: Akasofu S.I., Chapman S. Fizika diellore-tokësore. M., 1974-1975. Pjesa 1-2; Alven H. Plazma kozmike. M., 1983; Zeleny L. M. Dinamika e plazmës dhe fushave magnetike në bishtin e magnetosferës së Tokës // Rezultatet e Shkencës dhe Teknologjisë. Ser. Eksplorimi i hapësirës. M., 1986; Astronomia: Shekulli XXI / Redaktuar nga V. G. Surdin. Fryazino, 2007; Hawking S. Një histori e shkurtër e kohës: Nga Big Bang në Vrimat e Zeza. Shën Petersburg, 2008.

L. M. Zeleny, H. V. Malova.