Реферат: Плазма – четвертое состояние вещества

ГИМНАЗИЯ №11

РЕФЕРАТ

на тему

«Плазма – четвертое состояниевещества»

Выполнил: ученик 10 Бкласса

 Грибанов Кирилл

г.Одинцово 2001 г.

ЧТО ТАКОЕ ПЛАЗМА

Словом «плазма» (от греч.«плазма» — «оформленное») в середине XIX в. стали именовать бесцветную часть крови (без красныхи белых телец) и жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г. американскиефизики Ирвинг Лёнгмюр (1881—1957) иЛеви Тонко (1897—1971)назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.

Английский физик Уильям Крукс (1832—1919), изучавший электрический разряд втрубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открываютдля физической науки новый мир, в котором материя может существовать вчетвёртом состоянии».

В зависимости от температуры любоевещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию)температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 "С  — в жидком, выше 100 °С—в газообразном. Еслитемпература продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны —ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1 000 000 °Сплазма абсолютно ионизована — она состоит только из электронов и положительныхионов. Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неёприходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности —это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера)тоже плазма.

Ещё выше располагаются радиационные пояса,содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — всё эторазличные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях наЗемле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии— планеты, астероиды и пылевые туманности.

Под плазмой в физике понимают газ,состоящий из электрически заряженных и нейтральныхчастиц, в котором суммарный электрический зарядравен нулю, т. с. выполнено условиеквазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, неплазма: он несет отрицательный заряд).

Наиболее широко плазмаприменяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампахдневного света, используемых в помещениях. А кроме того, в самых разныхгазоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторахнапряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

Все так называемые газовые лазеры(гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в нихионизованы электрическим разрядом.

Свойствами, характерными для плазмы,обладают электроны проводимости в металле (ионы, жесткозакрепленные в кристаллической решётке,нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок»(вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдыхтел

Газовую плазму принято разделять нанизкотемпературную — до 100 тыс. градусов и высокотемпературную — до 100 млнградусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы — плазмотроны, в которых используется электрическаядуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почтилюбой газ до 7000—10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданиемплазмотрона возникла новая область науки —плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только вплазменной струе. Плазмотроны применяются и вгорно-рудной промышленности, и для резки металлов.

Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамическиеэлектростанции. Разрабатываются различные схемыплазменного ускорения заряженных частиц. Центральнойзадачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерногосинтеза.

Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер лёгких элементов (в первую очередь изотопов водорода — дейтерия Dи трития Т), протекающие приочень высоких температурах (»108 Ки выше)

В естественныхусловиях термоядерные реакции происходят на Солнце:ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия,при этом выделяется значительное количествоэнергии. Искусственная реакция термоядерного синтезабыла осуществлена в  водородной бомбе.

Считается, что запасовхимически топлива человечеству хватит на несколькодесятков лет. Ограниченны и разведанные запасыядерного горючего. Спасти человечество от энергетического голода и стать практически неисчерпаемым источником энергии могут управляемые термоядерные реакции вплазме.

В 1 л обычной водысодержится 0,15 мл воды тяжёлой (D2O). При слиянии ядер дейтерия из 0,15 мл D2Oвыделяется столько же энергии, сколько её образуетсяпри сгорании 300 л бензина. Тритий в природе практически не существует, однакоего можно получить, бомбардируя нейтронами nизотоп лития:

                       n+7 Li ® 4He + T

Ядро атома водорода не что иное как протонp. В ядре дейтерия содержится,кроме того, ещё один нейтрон, а в ядре трития — дванейтрона. Дейтерий и тритий могут реагировать другс другом десятью разными способами. Но вероятноститакой реакций различаются порой в сотни триллионов раз, а количество выде/>ляющейся энергии— в 10—15 раз. Практический интерес представляют только три из них:

D + D ®  T + p +  4МэВ ;

D + D ®  3He + n +  3,3МэВ;

D + T ®  4He + n +  17,6МэВ.

Если все ядра в каком-тообъёме одновременно вступают в реакцию, энергия выделяется мгновенно.Происходит термоядерный взрыв. В реакторе же реакция синтеза должна протекатьмедленно.

Осуществитьуправляемый термоядерный синтез до сих пор не удалось, а преимущества он сулитнемалые. Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях на единицу массытоплива, в миллионы раз превышает энергию химического топлива и, значит, всотни раз дешевле. В термоядерной энергетике нет выброса продуктов сгорания ватмосферу и радиоактивных отходов. Наконец, на термоядерной электростанции исключенвзрыв.

Во время синтезаосновная часть энергии (более 75 %) выделяется ввиде кинетической энергии нейтронов или протонов. Если замедлить нейтроны вподходящем веществе, оно нагревается; полученную теплоту легко превратить вэлектрическую энергию. Кинетическая энергия заряженных частиц — протонов —преобразуется в электричество непосредственно.

В реакции синтеза ядра Должны соединяться,но они заряжены положительно и, следовательно, по закону Кулона, отталкиваются.Чтобы преодолеть силы отталкивания, даже ядрам дейтерия и трития, имеющимнаименьший заряд (Z. = 1), необходима энергияоколо 10 или 100 кэВ. Ей соответствует температурапорядка 108—109К. При таких температурах любое вещество находится в состояниивысокотемпературной плазмы.

С позиций классическойфизики реакция синтеза невозможна, но здесь на помощь приходит чисто квантовый — туннельный эффект. Вычислено, что температуразажигания, начиная с которой выделение энергии превосходит её потери, дляреакции дейтерий— тритий (DТ) равнаприблизительно 4,5*107К, а для реакций дейтерий—дейтерий (DD)— около 4*108К. Естественно, предпочтительнее реакция DТ.Нагревают плазму электрическим током, лазерным излучением, электромагнитнымиволнами и другими способами. Но важна не только высокая температура.

Чем вышеконцентрация, тем чаще сталкиваются друг с другом частицы, поэтому можетпоказаться, что для осуществления термоядерных реакций лучше использоватьплазму высокой плотности. Однако, если бы в 1 см3плазмы содержалось 1019 частиц(концентрация молекул в газе при нормальных условиях), давление в ней притемпературах термоядерных реакций достигало бы порядка 106 атм. Такогодавления не выдерживает ни одна конструкция, а потому плазма должна бытьразрежённой (с концентрацией около 1015 частиц в 1 см3).Соударения частиц в этом случае происходят реже, и для поддержания реакциинеобходимо увеличивать время пребывания их в реакторе, или время удержания.Значит, для осуществления термоядерной реакции необходимо рассматриватьпроизведение концентрации частиц плазмы на время их удержания. Для реакций DDэто произведение (так называемый критерий Лоусона) равно 1016 с/см3,а для реакции DТ — 1014с/см3. Следовательно,реакцию DТ реализовать легче, чем DD.

Когда начинались исследования плазмы,казалось, что осуществить управляемый синтез удастся быстро. Но со временемвыяснилось, что в высокотемпературной плазме происходят сложные процессы ирешающую роль играют многочисленные неустойчивости. Сегодня разрабатываетсянесколько типов устройств, в которых предполагается провести термоядерныйсинтез. Наиболее перспективными считаются токамаки (сокращение от «ТОроидальнаяКАмера с Магнитными КАатушками»). Токамак представляет собой гигантский трансформатор,первичная катушка которого намотана на сердечник, а вторичная имеетединственный виток — вакуумную камеру в форме бублика, тора (от лат. TORUS — «выпуклость»), сплазменным шнуром внутри. Система магнитов удерживает шнур в центре камеры, аток силой в тысячи ампер нагревает его до требуемой температуры. Нейтроны, образующиесяв ходе термоядерной реакции, поглощаются в бланкете— слое вещества, окружающем камеру. Выделяющееся при этом тепло можноиспользовать для получения электроэнергии.

Несмотря накажущуюся простоту токамака, ни одно устройство подобного типа не далоположительного выхода энергии. Большие надежды возлагаются на проектируемый внастоящее время гигантский токамак ITER. На этой установке, если онабудет сооружена к 2005 г., предполагаемая мощность выхода 1,5 • 109Вт. Среди других проектов следует отметить два: стеллараторы и устройстваинерциального удержания плазмы.

Магнитное поле сложной формы, удерживающее плазму вкруговой камере токамака, противодействует собственному полю плазменного  шнура, которое стремится изогнуть траекторию заряженных частиц плазмы. В стеллараторе (от лат. STELLA — Звезда») плазмепозволили принять форму, какую она «хочет», и оставили только поле, сжимающее шнур. Вакуумная камера приобрела весьма причудливый вид, а множество магнитныхкатушек — довольно сложную форму. Эксперименты на стеллараторах идут в разных странах, но добиться нужной температуры и времени удержания плазмы пока не удалось.

Принципиально иным является метод инерциальногоудержания плазмы,основанный на инерции реакционной смеси, которая при мгновенном нагреве (например, лазерным (импульсом) разлетается несразу. Ампулу, где находитсясмесь дейтерия с тритием, облучают со всех сторон {лазернымиимпульсами длительностьюдо 10-10 с и суммарной мощностью порядка 1020Вт/см. Оболочка ампулы испаряется, расширяющиесягазы и световое давление сжимают её  содержимое почти в 50 тыс. раз. Давление в смесивозрастает до 1 млн. атм, а  её плотность — до50—100 г/см3. При  таких условияхначинается термоядерная реакция.

Но и на этом пути имеется рядтехнологических трудностей, пока не позволяющих превратить экспериментальныелазерные установки в промышленные реакторы.