Состояние плазмы – все о космосе

Состояние плазмы

Состояние плазмы - все о космосе

Солнечное вещество находится в состоянии плазмы

Состояние плазмы практически единогласно признается научным сообществом как четвертое агрегатное состояние. Вокруг данного состояния даже образовалась отдельная наука, изучающая это явление – физика плазмы. Состояние плазмы или ионизованный газ представляется как набор заряженных частиц, суммарный заряд которых в любом объеме системы равен нулю – квазинейтральный газ.

Получение плазмы

Получить высокотемпературную плазму можно двумя способами: посредством сильного нагрева газа, либо при помощи сильного сжатия вещества.

При таких условиях электроны не способны удерживаться на орбитах в атомах вещества, в результате чего «сходят» с них. Таким образом возникает набор отдельных положительных частиц (протонов или ядер атомов — ионов) и электронов.

Посредством дальнейшего увеличения давления или температуры из состояния плазмы также можно получить кварк-глюонную плазму.

Плазма как четвертое агрегатное состояние

Также существует газоразрядная плазма, которая возникает при газовом разряде. При прохождении электрического тока через газ, первый ионизирует газ, ионизированные частицы которого являются переносчиками тока.

Так в лабораторных условиях получают плазму, степень ионизации которой можно контролировать при помощи изменения параметров тока.

Однако, в отличие от высокотемпературной плазмы, газоразрядная нагревается за счет тока, и потому быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.

Электрическая дуга — ионизированный квазинейтральный газ

Свойства и параметры плазмы

В отличие от газа вещество в состоянии плазмы обладает очень высокой электрической проводимостью. И хотя суммарный электрический заряд плазмы обычно равен нулю, она значительно подвержена влиянию магнитного поля, которое способно вызывать течение струй такого вещества и разделять его на слои, как это наблюдается на Солнце.

Спикулы — потоки солнечной плазмы

Другое свойство, которое отличает плазму от газа – коллективное взаимодействие. Если частицы газа обычно сталкиваются по двое, изредка лишь наблюдается столкновение трех частиц, то частицы плазмы, в силу наличия электромагнитных зарядов, взаимодействуют одновременно с несколькими частицами.

В зависимости от своих параметров плазму разделяют по следующим классам:

  • По температуре: низкотемпературная – менее миллиона кельвин, и высокотемпературная – миллион кельвин и более. Одна из причин существования подобного разделения заключается в том, что лишь высокотемпературная плазма способна участвовать в термоядерном синтезе.
  • Равновесная и неравновесная. Вещество в состоянии плазмы, температура электронов которого значительно превышает температуру ионов, называется неравновесной. В случае же когда температура электронов и ионов одинаковая говорят о равновесной плазме.
  • По степени ионизации: высокоионизационная и плазма с низкой степенью ионизации. Дело в том, что даже ионизированный газ, 1% частиц которого ионизированы, проявляет некоторые свойства плазмы. Однако, обычно плазмой называют полностью ионизированный газ (100%). Примером вещества в таком состоянии является солнечное вещество. Степень ионизации напрямую зависит от температуры.

Применение

Наибольшее применение плазма нашла в светотехнике: в газоразрядных лампах, экранах и различных газоразрядных приборах, вроде стабилизатора напряжения или генератора сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения.

Возвращаясь к освещению – все газоразрядные лампы основаны на протекании тока через газ, что вызывает ионизацию последнего. Популярный в технике плазменный экран представляет собой набор газоразрядных камер, заполненных сильно ионизированным газом.

Электрический разряд, возникающий в этом газе порождает ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминифором и далее вызывает его свечение в видимом диапазоне.

Устройство плазменного экрана

Вторая область применения плазмы – космонавтика, а конкретнее – плазменные двигатели. Такие двигатели работают на основе газа, обычно ксенона, который сильно ионизируется в газоразрядной камере. В результате этого процесса тяжелые ионы ксенона, которые к тому же ускоряются магнитным полем, образуют мощный поток, создающий тягу двигателя.

Наибольшее же надежды возлагаются на плазму – как на «топливо» для термоядерного реактора. Желая повторить процессы синтеза атомных ядер, протекающие на Солнце, ученые работают над получением энергии синтеза из плазмы.

Внутри такого реактора сильно разогретое вещество (дейтерий, тритий или даже гелий-3) находится в состоянии плазмы, и в силу своих электромагнитных свойств, удерживается за счет магнитного поля.

Формирование более тяжелых элементов из исходной плазмы происходит с выделением энергии.

Устройство термоядерного реактора

Также плазменные ускорители используются в экспериментах по физике высоких энергий.

Плазма в природе

Состояние плазмы – наиболее распространенная форма вещества, на которую приходиться около 99% массы всей Вселенной. Вещество любой звезды – это сгусток высокотемпературной плазмы. Помимо звезд, существует и межзвездная низкотемпературная плазма, которая заполняет космическое пространство.

Ярчайшим примером является ионосфера Земли, которая представляет собой смесь нейтральных газов (кислорода и азота), а также сильно ионизированного газа. Ионосфера образуется как следствие облучения газа солнечным излучением. Взаимодействие же космического излучения с ионосферой приводит к полярному сиянию.

На Земле плазму можно наблюдать в момент удара молнии. Электрический искровой заряд, протекающий в атмосфере, сильно ионизирует газ на своем пути, образуя тем самым плазму.

Следует отметить, что «полноценная» плазма, как набор отдельных заряженных частиц, образуется при температурах более 8 000 градусов Цельсия.

По этой причине утверждение, что огонь (температура которого не превышает 4 000 градусов) – это плазма – лишь популярное заблуждение.

by HyperComments

Источник: http://SpaceGid.com/sostoyanie-plazmyi.html

Плазма – четвертое состояние вещества

Четвертое состояние вещества – плазма.
Часть первая.

Наверное, у каждого ребенка, у кого раньше, у кого позже, – возникал вопрос – а почему светит солнце, почему сверкает молния и, наверное не каждый взрослый, может это достаточно научно объяснить : что-то не учили, что-то пропустили … Из школьного курса разве что сохранилось у многих, что солнце – это плазменный шар, а молния – это электричество.
Мы предлагаем Вам ряд статей, которые ответят на эти вопросы более подробно и в увлекательной и доступной форме как для взрослых, так для и подростков. А чтобы это все было действительно понятно, начинать надо, как известно, сначала. Итак …<\p>

СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Первые три состояния известны всем — это твердое тело, жидкость, газ. Примеров упомянутых состояний каждый из вас может назвать много, в первую очередь, конечно, — состояния воды. Вода, пожалуй, самое распространенное на Земле вещество, а смена его состояний может происходить прямо у нас на глазах.

В солнечный весенний день можно увидеть буквально за несколько минут два последовательных превращения куска льда, лежащего на мостовой: вот белый лед потемнел, разрыхлился, под ним показалась вода, еще через минуту над водой закурились тоненькие струйки, а еще спустя немного времени от воды не осталось и следа — она вся испарилась. Вода при постепенном повышении температуры превращается из твердого состояния в жидкое и затем в газ (пар). Температуры обоих указанных превращений воды известны хорошо: для плавления льда температура равна 0°, вода кипит при 100° по шкале Цельсия, а испаряться может и при более низких температурах.

А где же переход в четвертое состояние? В земных условиях он происходит нередко, но в отличие от упомянутых выше двух переходов — в жидкость и газ — совершается почти всегда невидимо, и лишь когда значительная доля вещества перейдет в плазменное состояние, оно обнаруживается: плазма начинает светиться, причем уже не отраженным светом, как вещество в первых двух состояниях, а собственным светом.

Чтобы понять превращение вещества в плазменное состояние, необходимо  вспомнить некоторые  сведения, которыми располагает наука о строении мельчайших частиц, составляющих все тела, — атомов.

АТОМЫ

Атом состоит из находящегося в его центре положительно заряженного ядра и располагающейся вокруг ядра очень подвижной оболочки из отрицательно заряженных электронов. Поскольку в ядре сосредоточен положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду всех электронов в составе оболочки, атом в целом является электрически нейтральным.

Все электроны атома одинаковы. Но находятся они в атоме далеко не в одинаковых условиях. Электроны в атоме не могут образовывать «однослойную» оболочку, имеющую форму шара. Электронная оболочка в атомах, имеющих более двух электронов, — многослойная; при этом чем дальше от ядра находится слой, тем большее число электронов может разместиться в нем.

Было бы ошибкой думать, что эти слои следуют друг за другом, как вкладываемые один в другой
разноцветные шары в детской игрушке.

На самом деле пути, по которым движутся в атоме электроны далекого от ядра слоя, глубоко проникают внутрь слоев, образованных более близкими к ядру электронами.

Если нарисовать это взаимное проникновение электронных путей в атоме, получится очень сложная «ажурная» картина. Но в среднем электроны более далеких слоев находятся от ядра дальше, чем электроны близких слоев.

В атомном мире справедлив закон: «Дальше находишься — значит, слабее связан». Чем дальше от ядра расположен электрон, тем слабее связан он электрическими силами притяжения с ядром своего атома. Внутренние электроны атома как бы находятся в плену: ядро не дает им покинуть атом.

Внешние же, наиболее далекие от ядра электроны атома очень подвижны. Сближение электронов соседних атомов приводит к тому, что два и более атомов объединяются и образуют молекулу. В большинстве молекул атомы, составляющие их, находятся в неравноправном положении: одни из атомов теряют часть своих электронов, а другие — приобретают эти электроны.

В целом количество электронов при соединении атомов в молекулы не меняется, но происходит их перераспределение между атомами.

Обедневший электронами атом становится положительным ионом: ведь теперь общий заряд его электронов стал меньше заряда его ядра и полной компенсации зарядов уже нет, а атом, разбогатевший за счет электронов своего соседа в молекуле, превращается в отрицательный ион.

КАК ОСВОБОДИТЬСЯ ИЗ АТОМНОГО ПЛЕНА

Электрон — это такая частица вещества, о продолжительности существования которой физики говорят: «Этого мы не знаем, но во всяком случае, электрон может существовать миллиарды и миллиарды лет, практически—бесконечно». И конечно, за такое время наверняка выпадет случай, когда какие-либо причины позволят вырваться из атомного плена и электрону, находящемуся в глубине атома.

Читайте также:  Созвездия в апреле - все о космосе

Возможности избавиться от атомного плена различны. Может случайно ударить в атом какой-нибудь путешественник-электрон, обладающий не очень большой энергией. Сам он может застрять в атоме, но зато вызволит из него пленника. Освободителем электрона способен стать луч света, влетевший в атом.

Но в мире атомов действует совершенно непреложный закон. Этот закон гласит, что любой электрон может быть освобожден из атома только в том случае, если ему будет передана энергия, равная или большая энергии связи его с ядром.

Легко понять теперь «общительность» далеких от ядра и пленение близких к ядру электронов в атоме. Далекому внешнему электрону, чтобы он улетел прочь из атома, надо передать немного энергии: энергия его связи с ядром очень невелика.

А вот чтобы электрон из глубины атома вырвался на свободу, ему надо передать довольно значительную энергию, и не по частям, а всю сразу — электрон в атоме «копить» энергию не умеет. Разумеется, чаще происходит передача малой энергии.

Поэтому внешние электроны атома легко становятся свободными, а глубоко лежащие вынуждены долго ждать, пока подвернется “счастливый случай”.

Но иногда в атомном мире наступает время освобождения. За это время по некоторым причинам, о которых мы расскажем ниже, из атомов освобождается довольно большое количество электронов и ядра значительно «оголяются».

Наступает такое состояние вещества, когда в нем оказываются свободными большое число электронов и ионов — атомов с поредевшими электронными оболочками. Такое состояние вещества и называется плазмой.

Это название было предложено в 1924 году американским физиком Лэнгмюром. Ныне оно получило международное распространение. Происхождение его можно понять, вспомнив, что слово «плазма» употребляется также и в довольно далекой от физики области науки — гематологии, науке о составе крови.

Известно, что в крови имеются как хорошо оформленные частицы — красные и белые кровяные шарики и другие тельца, — так и жидкость. Эта последняя и есть плазма крови.

Вообще говоря, перенесение этого понятия в физику не вполне точно: физическая плазма и есть «тельца» вещества — ядра и электроны; этим словом скорее подчеркивается большая подвижность вещества в плазменном состоянии и его бесформенность в том смысле, что электроны и ядра уже не есть «настоящие» тельца вещества — атомы и молекулы.

Понятие о новом состоянии вещества не очерчивает точно его границ.Плазма — это не обязательно все свободные электроны и совершенно оголенные ядра. Ионы в плазме должны быть, как и электроны, свободны в своих движениях, а степень “оголенности” ядер в них может быть самой различной. Наконец, в плазме могут существовать и различные количества “неповрежденных” нейтральных атомов.

Если растапливать кусок льда, то он превращается в воду не мгновенно, а постепенно, и все
время, пока длится это превращение, рядом сосуществуют и лед и вода.

Точно так же при кипении воды рядом находятся два состояния вещества — жидкость и пар.

Это же имеет место и при переходе вещества в плазменное состояние: сначала свободных электронов и свободных ионов мало, потом их становится все больше и больше.

Мы еще раз отмечаем, что понятие плазмы подразумевает свободу движения не только электронов, но и ионов. А разрушением связей между атомами как раз и характеризуется предшествующий переход из жидкого в газообразное состояние. Следующий переход — к плазменному состоянию, — таким образом, может произойти только из газообразного состояния.

Источник: http://www.mysterylife.ru/kosmos/sostoyaniya.html

Новости и исследования в медицине: новые технологии, методы лечения, профилактики и реабилитации

  • 28 Июля в 9:35 160Металлические щетки для гриля опасны!Американская медицинская ассоциация (AMA) призывает проявлять осторожность при использовании металлических щеток для чистки гриля. Эти приспособления могут стать источником опасных металлических фрагментов, попадающих в пищеварительный тракт.Разное
  • 30 Июля в 23:35 289Новые лекарства от рака простаты станут доступнейУченые из Австралии сумели вырастить лабораторные клетки для испытания новых препаратов – эта технология может многократно ускорить создание лекарств от рака простаты и сделать их доступней.Онкология
  • 30 Июля в 23:30 175Скачки сахара в крови: как предотвратить диабет?Некоторые продукты могут вызвать резкие скачки сахара в крови у здоровых людей  – ученые советуют следить за ними, чтобы предотвратить диабет и его осложнения.Сахарный диабет
  • 29 Июля в 23:40 791Лекарство от всех хронических воспалительных заболеванийУченые из США обнаружили загадочный энзим, который расширит возможности лечения хронических воспалительных заболеваний любой этиологии.Наука и технологии
  • 29 Июля в 23:35 854Польза черники: результаты исследованийПольза черники для здоровья известна с незапамятных времен: сегодня благотворное влияние ягод на сосуды и обмен веществ подтверждаются научными исследованиями.Питание и диеты
  • 26 Июля в 23:30 1780Новый метод лечения морщин и облысенияМечта человечества сохранить физическую молодость привела американских ученых к созданию нового метода лечения морщин и облысения.Наука и технологии
  • 26 Июля в 1:10 1836Нитраты в питьевой воде вызывают рак кишечникаСпособность нитратов в питьевой воде и почве вызывать рак кишечника беспокоит жителей экологически неблагополучных регионов.Онкология
  • 26 Июля в 1:00 1848Прокальцитонин и респираторные инфекцииПолипептид прокальцитонин — это биомаркер, используемый для диагностики инфекционно-воспалительных заболеваний.Медицина
  • 25 Июля в 1:00 1545Здоровое сердце и сосуды после 40 лет: чем питаться и чего избегать?После 40 лет большинство задумывается о здоровье сердца и сосудов: как правильно питаться, какие продукты лучше ограничить? Полезен ли кофе? Повышают ли молочные продукты холестерин? Нужны ли омега-3?Сердце и сосуды
  • 24 Июля в 1:15 16445 причин употреблять больше магнияБольшинству не нужно искать причины употреблять больше магния — современным людям хронически не хватает этого элемента.Питание и диеты
  • 23 Июля в 1:40 1065Безалкогольные напитки полезны при раке кишечника?Употребление безалкогольных напитков с искусственными подсластителями при раке кишечника III стадии сокращает вероятность рецидива болезни.Онкология
  • 23 Июля в 1:30 796Поливитамины бесполезны для сердца и сосудовВсе больше исследований показывают: поливитамины бесполезны для здоровья сердца и сосудов, как заверяют нас представители фармацевтических компаний.Питание и диеты

Источник: http://medbe.ru/news/interesnoe/plazma-v-kosmose/

В океане плазмы: четвертое состояние вещества

Большая часть материи во Вселенной находится в «четвертом состоянии вещества». Но так было не всегда.

Основное прибежище плазмы на нашей планете — ионосфера. За ее пределами плазма порождается в ходе некоторых природных процессов (например, грозовых разрядов), а также во время работы научных и бытовых приборов и технологических установок (например, дуговых сварочных аппаратов).

Ионы имеются даже в пламени обычной спички, но их концентрация составляет ничтожные доли процента, поэтому о настоящей плазме тут не может быть и речи. Зато во Вселенной плазменное состояние обычной (не темной) материи отнюдь не редкость, а самая что ни на есть норма.

Космос — это настоящий океан плазмы, она буквально везде — от звездных недр и окрестностей до практически пустого межзвездного пространства.

Новорожденная Вселенная

В последние годы астрофизики и космологи пришли к единой точке зрения относительно того, что происходило в нашей Вселенной, когда ее возраст перешел за одну микросекунду (более ранние события все еще служат предметом дискуссий).

В это время случилась так называемая Великая Аннигиляция тогда еще свободных кварковых частиц, которая уничтожила все антикварки, однако пощадила возникший до этого мизерный избыток кварков.

К тому времени, когда возраст мироздания достиг 10 микросекунд, кварки слились в тройки (порождая барионы — протоны и нейтроны) и пары (нестабильные мезоны, в основном пионы).

На каждый барион приходилось около миллиарда высокоэнергетичных фотонов, температура которых в те времена составляла порядка 4 триллионов градусов.

На десятой микросекунде Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой чудовищной плотности (порядка 100 миллионов тонн на кубический сантиметр), состоящей в основном из высокоэнергетичных лептонов — электронов и позитронов, порождаемых из-за высокой температуры гамма-квантами. По сей причине эту фазу ранней истории Вселенной называют лептонной эрой (а предшествующую ей — кварковой). Размер наблюдаемой Вселенной тогда был меньше сотни астрономических единиц, то есть сильно уступал размерам современной Солнечной системы.

Пять космических аппаратов миссии THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) на вытянутых околоземных орбитах изучают основные хранилища плазмы вблизи нашей плаенты — магнитосферу и ионосферу Земли, а также их взаимодействие с солнечным ветром.

Эти взаимодействия вызывают появление полярных сияний и возмущения магнитосферы Земли, что приводит к появлению магнитных бурь и выражается в нарушении радиосвязи, работы электронных приборов и систем энергоснабжения.

На иллюстрации: пять аппаратов выстроены в линию для регистрации состояния различных областей магнитосферы при перезамыкании магнитных линий

Лептонная эра продолжалась до тех пор, пока гамма-квантам хватало энергии для порождения электронов и позитронов. По мере расширения Вселенной температура фотонного газа постоянно снижалась и достигла 10 миллиардов градусов, когда возраст Мироздания составлял примерно одну секунду.

Образование пар (во все в меньшем и меньшем количестве) продолжалось за счет «горячего хвоста» фотонного спектра, однако спустя несколько секунд, когда температура фотонов спустилась ниже 4 миллиардов градусов, оно полностью прекратилось.

К моменту, когда Вселенной исполнилось 10 секунд, лептонная эра уже ушла в прошлое, оставив после себя очень горячую плазму плотностью 5 кг/см3, преимущественно состоящую из фотонов.

Началась новая космическая эра, когда плотность электромагнитного излучения превышала плотность вещества. Эту эру так и называют — радиационной.

Хотя звездная и околозвездная плазма вносит основной вклад в энергетику Большого Космоса, в общей массе барионной материи ее доля не превышает нескольких процентов.

Большая часть барионной материи (порядка 80%) приходится на заряженные частицы, рассеянные в пространстве между галактиками и их скоплениями (галактическими кластерами).

И еще около 10% составляет вещество, заполняющее внутригалактическое пространство, которое тоже проявляет типичные плазменные свойства.

«Межгалактическая среда по составу чрезвычайно проста. Она преимущественно состоит из одиночных протонов и электронов, но включает частицы гелия и более тяжелых элементов. Это самое разреженное вещество во Вселенной — на кубометр пространства не приходится и одной протонно-электронной пары (вблизи галактик и галактических кластеров этот показатель выше на один-два порядка).

Читайте также:  Световой столб - все о космосе

Именно поэтому межгалактическую плазму трудно наблюдать с помощью астрономических приборов. Мы знаем, что поскольку ее частицы могут быть источниками рентгеновского излучения, температура ее составляет от ста тысяч до нескольких миллионов градусов.

Кое-какую информацию о межгалактической плазме удается получить при изучении спектров поглощения фотонов атомами элементов тяжелее водорода, — объясняет Эллен Цвейбел, профессор астрономии Висконсинского университета в Мэдисоне. — Протоны и электроны межгалактической плазмы, как и любые заряженные частицы, взаимодействуют с космическими магнитными полями.

Такие поля точно имеются вблизи галактик, однако до сих пор не известно, существует ли единое фоновое магнитное поле, пронизывающее всю Вселенную. Оно вроде бы не могло родиться в ходе Большого Взрыва — во всяком случае, такой вывод следует из его общепринятой теоретической модели.

Однако некоторые астрофизики полагают, что такое поле существует, хоть мы не понимаем механизма его возникновения и не в состоянии его померять, поскольку напряженность этого поля очень мала, меньше триллионной доли тесла. Возможно, что эту задачу со временем удастся решить, изучая поведение частиц межгалактической плазмы».

Плазма внутри галактик гораздо плотнее — в среднем, миллион частиц на кубометр. Она холоднее межгалактической плазмы и богаче тяжелыми элементами. В ее состав также входят микропылинки, практически отсутствующие в межгалактической среде.

Еще одно важное отличие заключается в том, что межзвездная газовая среда преимущественно состоит из нейтральных атомов и молекул, концентрация которых может быть в сотни и даже тысячи раз выше концентрации заряженных частиц. Тем не менее, такая среда хорошо проводит электричество и посему является вполне доброкачественной плазмой.

Гравитационные поля могут стягивать частицы межзвездного газа в газо-пылевые облака, из которых рождаются звезды и планетные системы.

Начало нуклеосинтеза

В истории Мироздания очень важна трехминутная отметка. На этой стадии впервые появилась возможность формирования составных ядер — конкретно, ядер дейтерия (протон плюс нейтрон). Энергия связи такого ядра равна 2,2 МэВ, что соответствует температуре в 25 миллиардов градусов.

Температура упала до этой величины, когда Вселенной было всего четверть секунды. Можно подумать, что дейтерий начал образовываться уже тогда, но такой вывод будет ошибочным. Электромагнитное излучение Вселенной еще долго содержало достаточно горячих фотонов, которые разбивали новорожденные ядра дейтерия.

Дейтерий смог «выжить», лишь когда доля фотонов с энергией более 2,2 МэВ сократилась до одной миллиардной (общее число фотонов в полтора миллиарда раз превышало число подлежащих объединению барионов!).

Это произошло, когда возраст Вселенной достиг одной минуты, а еще через две минуты процесс синтеза дейтерия пошел в полную силу. Новорожденные ядра этого изотопа принялись присоединять по одному протону и одному нейтрону (в любом порядке) — так появились альфа-частицы, ядра гелия.

Этот процесс занял всего несколько минут и охватил практически все нейтроны (очень небольшая их часть пошла на непереработанный в гелиевом синтезе дейтерий, гелий-3 и литий-7). Исходное соотношение числа протонов и нейтронов равнялось 7:1, и каждая новая альфа-частица оставляла после себя 12 незадействованных протонов.

Так космическое пространство оказалось заполненным ядрами водорода (75% общей массы) и гелия (25%). В наше время эти показатели равны 74% и 24% — оставшиеся 2% приходятся на более тяжелые элементы, порожденные процессами звездного нуклеосинтеза.

С момента Большого взрыва события развивались достаточно быстро, так что за достаточно короткое время сменилось несколько ключевых эпох.

Чтобы изучить первые моменты существования Вселенной, требуется получить соответствующие этим эпохам огромные энергии.

Частично смоделировать такие условия можно с помощью больших ускорителей — таких, как Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC)

При синтезе гелия выделяется изрядная энергия (за счет этого горят звезды и взрываются водородные бомбы). Всего за несколько минут во вселенской термоядерной печи сгорело в 100 раз больше водорода, чем потом во всех звездах нашей Вселенной.

Однако при этом ничего особенного не произошло — Вселенная лишь немного нагрелась, после чего продолжала остывать в ходе дальнейшего расширения.

Поскольку потепление охватило весь объем космоса, оно не породило компактных областей горячего сжатого газа в более холодной и разреженной среде, которые возникают при детонации любого заряда (хоть химического, хоть атомного).

Таким образом, гигантское выделение энергии в ходе первичного нуклеосинтеза практически не сказалось на эволюции Вселенной (к слову, это же можно сказать и о двух еще более сильных прогревах Космоса во время аннигиляции кварков и антикварков, а затем электронов и позитронов).

Реликтовое излучение

Первичный нуклеосинтез вновь преобразовал состав горячей плазмы юной Вселенной. А вот потом в течение 400 тысяч лет она не претерпевала никаких качественных превращений.

Все это время, во-первых, остывал радиационный фон, причем весьма быстро, пропорционально четвертой степени растущего линейного размера Вселенной. Во-вторых, уменьшалась плотность и обычной, и темной материи, но несколько медленней (как третья степень).

Плотность фотонной энергии падала быстрее, поскольку растяжение пространства не только рассеивало кванты по все большему и большему объему, но и увеличивало длины их волн, тем самым снижая частоты.

Когда Вселенной стукнуло 57 тысяч лет, плотность лучевой энергии сравнялась с плотностью энергии частиц, а потом начала от нее отставать — наступил конец радиационной эры.

Рекомбинация космической материи не только перевела ее из ионизированного состояния в нейтральный газ, но и положила конец очень интересному явлению — плазменному звуку. Об этом «ПМ» рассказал профессор астрономии Аризонского университета Дэниэл Айзенстайн.

Звук в любой газовой среде — это колебательный процесс, в ходе которого в ней распространяются волны большей и меньшей плотности, волны сжатия и разрежения. В воздухе звук переносится благодаря столкновениям между молекулами газа.

Для того состояния космической плазмы, которое она приобрела через несколько десятков тысяч лет после Большого Взрыва, этот механизм был малоэффективен из-за ничтожной плотности заряженных частиц.

Например, в возрасте 100 тысяч лет каждый кубический сантиметр пространства содержал 2 тысячи электронов и меньше двухсот ядер гелия. Однако в этом же объеме находилось приблизительно 3 триллиона фотонов, которые и создавали упругую среду.

Хотя давление в этой среде, по нашим понятиям, было крайне низким, всего одна стотысячная атмосферы, звук в ней распространялся с чрезвычайно высокой скоростью, равной почти 60% скорости света. В зонах максимума лучевого давления температура и яркость фотонного газа возрастали, в зонах минимума — падали.

Теперь вспомним, что фотоны не особенно больших энергий никак не замечают присутствия друг друга. Поэтому в фотонном газе звуковые колебания могли распространяться лишь в присутствии заряженных частиц, на которых рассеивались световые кванты.

Как только произошла рекомбинация, свежеиспеченные атомы прекратили чувствовать давление света, а освободившиеся фотоны разлетелись по космическому пространству. Существовавшие в те времена колебания плотности фотонного газа законсервировались до наших дней.

Как показывают приборы, температура реликтовых фотонов, пришедших из разных участков небосвода, колеблется с амплитудой порядка одной стотысячной. Эти осцилляции и есть следы звуковых волн, некогда распространявшихся в фотонном газе.

Каким тогда казался бы Космос разумному наблюдателю, если бы таковой существовал? Когда Вселенной стукнуло 50 тысяч лет, она вперые засветилась видимым для нас голубым светом (до этого реликтовые фотоны были ультрафиолетовыми, а еще раньше, когда возраст Вселенной двигался от полутора минут к 600 годам — рентгеновскими).

К 200 тысячам лет цвет фотонного фона сместился от голубого к желтому, еще через 200 тысяч лет стал оранжевым, а по достижении миллиона лет сделался темно-красным. В возрасте 5 миллионов лет температура Вселенной упала до 600 К, практически все реликтовые фотоны перешли в инфракрасную зону, и в космическом пространстве настала беспросветная тьма.

Она начала рассеиваться лишь после появления самых первых звезд, где-то через 200 миллионов лет после Большого взрыва.

Каким тогда казался бы Космос разумному наблюдателю, если бы таковой существовал? Когда Вселенной стукнуло 50 тысяч лет, она вперые засветилась видимым для нас голубым светом (до этого реликтовые фотоны были ультрафиолетовыми, а еще раньше, когда возраст Вселенной двигался от полутора минут к 600 годам — рентгеновскими).

К 200 тысячам лет цвет фотонного фона сместился от голубого к желтому, еще через 200 тысяч лет стал оранжевым, а по достижении миллиона лет сделался темно-красным. В возрасте 5 миллионов лет температура Вселенной упала до 600 К, практически все реликтовые фотоны перешли в инфракрасную зону, и в космическом пространстве настала беспросветная тьма.

Она начала рассеиваться лишь после появления самых первых звезд, где-то через 200 миллионов лет после Большого взрыва

Но что же все-таки произошло через 400 (точнее, 380) тысяч лет после Большого взрыва? Несколькими десятками тысяч лет ранее электроны начали объединяться с ядрами. Сначала альфа-частицы присоединяли к себе по единственному электрону, и превращались в однократно ионизированные атомы, а затем и по второму, так что получались нейтральные атомы гелия.

Позднее это же случилось и с протонами, которые положили начало атомам водорода. Подобные слияния стали возможными потому, что в лучевом фоне сократилось количество фотонов с энергией больше энергии ионизации атомов гелия и водорода. Процесс рекомбинации растянулся на 80 тысяч лет и практически завершился, когда температура фотонного фона упала ниже 3000 К.

Повторилась трансформация, имевшая место в односекундной Вселенной — тогда пространство стало прозрачным для нейтрино, а теперь — для квантов электромагнитного излучения. Остывшие фотоны уже не могли рассеиваться на нейтральных атомах и, как некогда нейтрино, отправились в беспрепятственное путешестие по космосу.

Читайте также:  Энтропия - все о космосе

Эти реликтовые фотоны, остывшие с тех пор до 2,7 К, мы называем фоновым микроволновым излучением.

Межзвездный газ относительно спокоен лишь вдалеке от массивных обитателей космического пространства, а в их окрестностях он значительно нагревается и обретает множество экзотических свойств.

«Компактные космические объекты, такие как нейтронные звезды и черные дыры, нередко имеют компаньонов в лице обычных звезд. Такой объект своим гравитационным притяжением вытягивает вещество из атмосферы звезды-соседки, и вокруг него формируется так называемый аккреционный диск.

Температура во внутренних зонах такого диска достигает миллиона градусов. Эти области заполнены вращающейся горячей плазмой, которая выдает себя рентгеновским излучением.

В этой плазме возникают магнитные поля, которые могут стать причиной образования джетов — струйных выбросов плазменных частиц, направленных перпендикулярно плоскости аккреционного диска, — объясняет «ПМ» специалист по теоретической астрофизике из Принстонского университета Анатолий Спитковский.

— Еще более экстремальная плазма существует около поверхности быстро вращающихся намагниченных нейтронных звезд. Там имеются мощные электрические поля, которые отрывают электроны с поверхности звезды и разгоняют их вдоль закрученных силовых линий магнитного поля до энергий порядка триллиона электронвольт.

Двигаясь по этим искривленным траекториям, электроны излучают гамма-кванты, которые в сильном магнитном поле порождают электронно-позитронные пары. Таким образом нейтронная звезда оказывается окружена магнитосферой, состоящей из электронов и позитронов».

Возрождение плазмы

В итоге в космическом пространстве не стало свободных заряженных частиц — то есть плазма, в той или иной форме существовавшая как минимум с микросекундного возраста Вселенной, исчезла! В результате рекомбинации она на многие миллионы лет уступила место нейтральному водородно-гелиевому газу, соседствующему (и взаимодействующему посредством гравитации!) со столь же нейтральными частицами темной материи. Когда Вселенная состарилась до 100 миллионов лет, а температура фонового излучения опустилась до 80 К, темная материя начала стягиваться за счет собственного тяготения во все более и более плотные сгустки. Еще через 100 миллионов лет эти сгустки смогли втягивать в себя частицы космического газа, из которых сформировались коллапсирующие облака, положившие начало первым звездам. Уже предшественники первого поколения таких светил, так называемые протозвезды, возродили плазменное состояние материи, которое с тех пор и доминирует в космосе.

popmech.ru

Источник: http://nmir.net/kosmos/tajny-kosmosa/2444-plazma.html

Четвертое агрегатное состояние вещества | Лаборатория космических исследований

vribinek в пт, 20/06/2014 – 15:21

Всем, я думаю, известно 3 основных агрегатных состояния вещества: жидкое, твердое и газообразное. Мы сталкиваемся с этими состояниями вещества каждый день и повсюду. Чаще всего их рассматривают на примере воды. Жидкое состояние воды наиболее привычно для нас.

Мы постоянно пьем жидкую воду, она течет у нас из крана, да и сами мы на 70% состоим из жидкой воды. Второе агрегатное состояние воды — это обычный лед, который зимой мы видим на улице.  В газообразном виде воду тоже легко встретить в повседневной жизни. В газообразном состоянии вода — это, всем нам известный, пар.

Его можно увидеть, когда мы, к примеру, кипятим чайник. Да, именно при 100 градусах вода переходит из жидкого состояния в газообразное.

Это три привычных для нас агрегатных состояния вещества. Но знаете ли вы, что их на самом деле 4? Я думаю, хоть раз каждый слышал слово «плазма». А сегодня я хочу, чтобы вы еще и узнали побольше о плазме — четвертом агрегатном состоянии вещества.

Плазма — это частично или полностью ионизированный газ с одинаковой плотностью, как положительных, так и отрицательных зарядов. Плазму можно получить из газа — из 3 агрегатного состояния вещества путем сильного нагревания. Агрегатное состояние вообще, по сути, полностью зависит от температуры.

Первое агрегатное состояние — это самая низкая температура, при которой тело сохраняет твердость, второе агрегатное состояние — это температура при которой тело начинает плавиться и становиться жидким, третье агрегатное состояние — это наиболее высокая температура, при ней вещество становиться газом.

У каждого тела, вещества температура перехода от одного агрегатного состояние к другому совершенно разная, у кого-то ниже, у кого-то выше, но у всех строго в такой последовательности. А при какой же температуре вещество становиться плазмой? Раз это четвертое состояние, значит, температура перехода к нему выше, чем у каждого предыдущего. И это действительно так.

Для того, чтобы ионизировать газ необходима очень высокая температура. Самая низкотемпературная и низкоионизированная (порядка 1%) плазма характеризуется температурой до 100 тысяч градусов. В земных условиях такую плазму можно наблюдать в виде молний. Температура канала молнии может превышать 30 тысяч градусов, что в 6 раз больше, чем температура поверхности Солнца.

Кстати, Солнце и все остальные звезды — это тоже плазма, чаще все-таки высокотемпературная. Наука доказывает, что около 99% всего вещества Вселенной — это плазма.

В отличие от низкотемпературной, высокотемпературная плазма обладает практически 100% ионизацией и температурой до 100 миллионов градусов. Это поистине звездная температура.

На Земле такая плазма встречается только в одном случае – для опы­тов тер­мо­ядер­ного син­теза.

Кон­тро­ли­ру­е­мая реак­ция доста­точно сложна и энер­го­за­тратна, а вот некон­тро­ли­ру­е­мая доста­точно заре­ко­мен­до­вала себя как ору­жие колос­саль­ной мощ­но­сти – тер­мо­ядер­ная бомба, испы­тан­ная СССР 12 авгу­ста 1953 года.

Плазму классифицируют не только по температуре и степени ионизации, но и по плотности, и по квазинейтральности. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объёма. Ну, с этим, думаю, все понятно.

А вот что такое квазинейтральность знают далеко не все. Квазинейтральность плазмы — это одно из важнейших ее свойств, заключающееся в практически точном равенстве плотностей входящих в её состав положительных ионов и электронов.

В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний. Почти вся плазма квазинейтральна. Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов.

Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

Мы совсем мало рассмотрели земных примеров плазмы. А ведь их достаточно много. Чело­век научился при­ме­нять плазму себе во благо. Бла­го­даря чет­вер­тому агре­гат­ному состо­я­нию веще­ства мы можем поль­зо­ваться газо­раз­ряд­ными лам­пами, плаз­мен­ными теле­ви­зо­рами, дуго­вой элек­тро­свар­кой, лазе­рами.

Обыч­ные газо­раз­ряд­ные лампы днев­ного света — это тоже плазма. Существует в нашем мире также плазменная лампа. Ее в основном используют в науке, чтобы изучить, а главное — увидеть некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию.

Фотографию такой лампы можно увидеть на картинке ниже:

Кроме бытовых плазменных приборов, на Земле так же часто можно видеть природную плазму. Об одном из ее примеров мы уже говорили. Это молния. Но помимо молний плазменными явлениями можно назвать север­ное сия­ние, “огни свя­того Эльма”, ионосферу Земли и, конечно, огонь.

Заметьте, и огонь, и молния, и другие проявления плазмы, как мы это называем, горят.

Чем обусловлено столь яркое испускание света плазмой? Свечение плазмы обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией послерекомбинации с ионами.

Этот процесс приводит к излучению со спектром, соответствующим возбуждаемому газу. Именно поэтому плазма светиться.

Хотелось бы так же немного рассказать об истории плазмы. Ведь когда-то плазмой назывались лишь такие вещества, как жидка составляющая молока и бесцветная составляющая крови. Все изменилось в 1879 году.

Именно в тот год знаменитый английский ученый Уильям Крукс, исследуя электрическую проводимость в газах, открыл явление плазмы. Правда, назвали это состояние вещества плазмой лишь в 1928.

И это совершил Ирвинг Ленгмюр.

В заключении хочу сказать, что такое интересное и загадочное явление, как шаровая молния,  о которой я не раз писала на этом сайте, это, конечно же, тоже плазмойд, как и обычная молния. Это, пожалуй, самый необычный плазмойд из всех земных плазменных явлений.

Ведь существует около 400 самых различных теорий на счет шаровой молнии, но не одна из них не была признана воистину правильной.

 В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами, так что вопрос о природе шаровой молнии остаётся открытым.

Обычную плазму, конечно, тоже создавали в лабораториях. Когда-то это было сложным, но сейчас подобный эксперимент не составляет особого труда. Раз уж плазма прочно вошла в наш бытовой арсенал, то и в лабораториях над ней немало экспериментируют.

Интереснейшим открытием в области плазмы стали эксперименты с плазмой в невесомости. Оказывается, в вакууме плазма кристаллизуется.

Это происходит так: заряженные частицы плазмы начинают отталкиваться друг от друга, и, когда у них есть ограниченный объем, они занимают то пространство, которое им отведено, разбегаясь в разные стороны. Это весьма похоже на кристаллическую решетку.

Не означает ли это, что плазма являеться замыкающим звеном между первым агрегатным состоянием вещества и третьим? Ведь она становиться плазмой благодаря ионизации газа, а в вакууме плазма вновь становиться как бы твердой. Но это только мое предположение.

Кристаллики плазмы в космосе имеют также и достаточно странную структуру. Эту структуру можно наблюдать и изучать только в космосе, в настоящем космическом вакууме. Даже если создать вакуум на Земле и поместить туда плазму, то гравитация будет просто сдавливать всю «картину», образующуюся внутри.

В космосе же кристаллы плазмы просто взлетают, образуя объемную трехмерную структуру странной формы. После отправления результатов наблюдения за плазмой на орбите земным ученым, выяснилось, что завихрения в плазме странным образом повторяют структуру нашей галактики. А это значит, что в будущем можно будет понять, как зародилась наша галактика путем изучения плазмы.

Ниже на фотографиях показаны та самая кристаллизованная плазма.

Это все, что мне бы хотелось сказать на тему плазмы. Надеюсь, она вас заинтересовала и удивила. Ведь это воистину удивительное явление, а точнее состояние — 4 агрегатное состояние вещества.

Источник: http://www.spacephys.ru/chetvertoe-agregatnoe-sostoyanie-veshchestva

Ссылка на основную публикацию