velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

Categories:

4-ое состояние вещества

Что такое 4-ое состояние вещества, чем оно отличается от 3-х других и как вынудить его служить человеку






Полтораста
годов назад практически все химики и многие физики считали, что материя состоит только из
атомов и молекул, которые соединяются воединыжды в более-менее упорядоченные либо же
совершенно неупорядоченные композиции. Не достаточно кто колебался, что все либо практически все
вещества способны существовать в 3-х различных фазах – жесткой, водянистой и
газообразной, которые они принимают зависимо от наружных критерий. Но
догадки о способности других состояний вещества уже высказывались.


Эту
универсальную модель подтверждали и научные наблюдения, и тысячелетия опыта
обыденной жизни. В конце концов, каждый знает, что вода при охлаждении
преобразуется в лед, а при нагревании закипает и испаряется. Свинец и железо
тоже можно перевести и в жидкость, и в газ, их нужно только подогреть сильнее. С
конца XVIII века исследователи замораживали газы в воды, и смотрелось полностью
правдоподобным, что хоть какой сжиженный газ в принципе можно вынудить
затвердеть. В общем, обычная и понятная картина 3-х состояний вещества вроде
бы не добивалась ни поправок, ни дополнений.

Ученые
тех пор много опешили бы, узнав, что жесткое, жидкое и газообразное
состояния атомно-молекулярного вещества сохраняются только при относительно
низких температурах, не превосходящих 10000°, ну и в этой зоне не
исчерпывают всех вероятных структур (пример – водянистые кристаллы). Нелегко было
бы и поверить, что на их долю приходится не больше 0,01% от общей массы
сегодняшней Вселенной. Сейчас-то мы знаем, что материя реализует себя во огромном количестве
экзотичных форм. Некие из их (к примеру, вырожденный электрический газ и
нейтронное вещество) есть только снутри сверхплотных галлактических тел (белоснежных
карликов и нейтронных звезд), а некие (такие как кварк-глюонная
жидкость) родились и пропали в лаконичный миг скоро после Огромного взрыва. Однако
любопытно, что предположение о существовании первого из состояний, выходящих за
рамки традиционной триады, было высказано все в том же ХIХ столетии,
при этом в самом его начале. В предмет научного исследования оно перевоплотился
много позднее, в 1920-х. Тогда же и получило свое заглавие – плазма.



Во 2-ой
половине 70-х годов XIX века член Английского царского общества Уильям
Крукс, очень удачный метеоролог и химик (он открыл таллий и очень точно
обусловил его атомный вес), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных
трубках. К тому времени было понятно, что отрицательный электрод испускает
эманацию неведомой природы, которую германский физик Ойген Голдштейн в 1876
году именовал катодными лучами. После огромного количества опытов Крукс решил, что эти лучи
есть не что другое, как частички газа, которые после столкновения с катодом
заполучили отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти
заряженные частички он именовал «лучистой материей», radiant matter. 


Следует
признать, что в таком разъяснении природы катодных лучей Крукс не был
оригинален. Еще в 1871 году схожую догадку высказал большой английский инженер-электротехник
Кромвелл Флитвуд Варли, один из управляющих работ по прокладке первого
трансатлантического телеграфного кабеля. Но результаты тестов
с катодными лучами привели Крукса к очень глубочайшей мысли: среда, в какой
они распространяются,– это уже не газ, а нечто совсем другое. 22
августа 1879 года на сессии Английской ассоциации в поддержку науки Крукс
заявил, что разряды в разреженных газах «так непохожи на все происходящее в
воздухе либо любом газе при обыкновенном давлении, что в данном случае мы имеем дело с
веществом в четвертом состоянии, которое по свойствам отличается от
обыденного газа в таковой же степени, что и газ от жидкости».


Часто
пишут, что конкретно Крукс первым додумался до 4-ого состояния вещества. В
реальности эта идея еще ранее озарила Майкла Фарадея.
В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей представил, что вещество
может пребывать в жестком, водянистом, газообразном и лучистом состояниях, radiant
state of matter. В собственном докладе Крукс прямо произнес, что пользуется
определениями, взятыми у Фарадея, но потомки об этом почему-либо запамятовали. Однако фарадеевская мысль была все-же умозрительной догадкой, а Крукс
доказал ее экспериментальными данными.


Катодные
лучи активно изучали и после Крукса. В 1895 году эти опыты
привели Вильяма Рёнтгена к открытию нового вида электрического
излучения, а сначала ХХ века обернулись изобретением первых
радиоламп. Но круксовская догадка 4-ого состояния вещества не вызвала
энтузиазма у физиков – вероятнее всего поэтому, что в 1897 году Джозеф Джон
Томсон обосновал, что катодные лучи представляют собой не заряженные атомы газа,
а очень легкие частички, которые он именовал электронами. Это открытие,
казалось, сделало догадку Крукса ненадобной.


Но она
возродилась, как феникс из пепла. Во 2-ой половине 1920-х будущий нобелевский
лауреат по химии Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории компании General
Electric, впритирку занялся исследованием газовых разрядов. Тогда уже знали, что
в пространстве меж анодом и катодом атомы газа теряют электроны
и преобразуются в положительно заряженные ионы. Поняв, что схожий газ
имеет огромное количество особенных параметров, Ленгмюр решил наделить его своим именованием.
По некий необычной ассоциации он избрал слово «плазма», которое ранее
использовали только в минералогии (это очередное заглавие зеленоватого халцедона) и в
биологии (водянистая база крови, также молочная сыворотка). В собственном новеньком
качестве термин «плазма» в первый раз появился в статье Ленгмюра «Колебания в
ионизованных газах», размещенной в 1928 году. Лет 30 этим термином
не достаточно кто воспользовался, но позже он крепко вошел в научный обиход.



Традиционная
плазма – это ионно-электронный газ, может быть, разбавленный нейтральными
частичками (строго говоря, там всегда находятся фотоны, но при умеренных
температурах их можно не учесть). Если степень ионизации не очень мала
(обычно, полностью довольно 1-го процента), этот газ показывает
огромное количество специфичных свойств, которыми не владеют обыденные газы. Вобщем,
можно сделать плазму, в какой свободных электронов не будет совсем,
аих обязанности возьмут на себя отрицательные ионы.


Для
простоты разглядим только электронно-ионную плазму. Ее частички притягиваются либо
отталкиваются в согласовании с законом Кулона, при этом это взаимодействие
проявляется на огромных расстояниях. Именно этим они отличаются от атомов и
молекул нейтрального газа, которые ощущают друг дружку только на очень малых
дистанциях. Поскольку плазменные частички пребывают в свободном полете, они
просто смещаются под действием электронных сил. Для того чтоб плазма
находилась в состоянии равновесия, нужно, чтоб пространственные заряды
электронов и ионов стопроцентно компенсировали друг дружку. Если это условие
не производится, в плазме появляются электронные токи, которые восстанавливают
равновесие (к примеру, если в некий области появляется излишек положительных
ионов, туда одномоментно устремятся электроны). Потому в сбалансированной плазме
плотности частиц различных символов фактически схожи. Это важное свойство
именуется квазинейтральностью.


Фактически
всегда атомы либо молекулы обыденного газа участвуют исключительно в парных
взаимодействиях – сталкиваются вместе и разлетаются в стороны. Другое дело
плазма. Так как ее частички связаны дальнодействующими кулоновскими силами,
любая из их находится в поле ближних и далеких соседей. Это значит, что
взаимодействие меж частичками плазмы не парное, а множественное – как молвят
физики, коллективное. Отсюда следует стандартное определение плазмы – квазинейтральная
система огромного числа разноименных заряженных частиц, демонстрирующих
коллективное поведение.


Плазма
отличается от нейтрального газа и реакцией на наружные электронные и магнитные
поля (обыденный газ их фактически не замечает). Частички плазмы, напротив,
ощущают сколь угодно слабенькие поля и немедля приходят в движение,
порождая большие заряды и электронные токи. Еще одна важная ообенность
сбалансированной плазмы – зарядовое экранирование. Возьмем частичку плазмы, скажем,
положительный ион. Он притягивает электроны, которые сформировывают скопление
отрицательного заряда. Поле такового иона ведет себя в согласовании с законом
Кулона только в его округи, а на расстояниях, превосходящих определенную
критичную величину, очень стремительно стремится к нулю. Этот параметр именуется
дебаевским радиусом экранирования – в честь голландского физика Питера Дебая,
который обрисовал этот механизм в 1923 году.


Просто
осознать, что плазма сохраняет квазинейтральность, только если ее линейные размеры
по всем измерениям очень превосходят дебаевский радиус. Необходимо отметить, что этот
параметр растет при нагреве плазмы и падает по мере роста ее
плотности. В плазме газовых разрядов по порядку величины он равен 0,1 мм,
в земной ионосфере – 1 мм, в солнечном ядре – 0,01 нм.



В наши деньки
плазма употребляется в величавом огромном количестве технологий. Одни из их известны
каждому (газосветные лампы, плазменные мониторы), другие представляют энтузиазм
для узеньких профессионалов (создание сверхпрочных защитных пленочных покрытий,
изготовка микрочипов, дезинфекция). Но самые большие надежды на плазму
ложут в связи с работами по осуществлению управляемых термоядерных реакций.
Это и понятно. Чтоб ядра водорода соединились в ядра гелия, их нужно сблизить на
расстояние порядка одной стомиллиардной толики сантиметра – а там уже заработают
ядерные силы. Такое сближение может быть только при температурах в 10-ки и сотки
миллионов градусов – в данном случае кинетической энергии положительно заряженных
ядер хватит для преодоления электростатического отталкивания. Потому для
управляемого термоядерного синтеза нужна высокотемпературная водородная
плазма.


Правда,
плазма на базе обыденного водорода тут не поможет. Такие реакции происходят в
недрах звезд, но для земной энергетики они никчемны, так как очень мала
интенсивность энерговыделения. Лучше всего использовать плазму из консистенции томных
изотопов водорода дейтерия и трития в пропорции 1:1 (чисто дейтериевая плазма
тоже применима, хотя даст меньше энергии и востребует более больших
температур для поджига).


Но для
пуска реакции 1-го нагрева мало. Во-1-х, плазма должна быть
довольно плотной; во-2-х, попавшие в зону реакции частички не должны
покидать ее очень стремительно – по другому энергопотеря превзойдет ее выделение. Эти
требования можно представить ввиде аспекта, который в 1955 году
предложил британский физик Джон Лоусон. В согласовании с этой формулой
произведение плотности плазмы на среднее время удержания частиц должно быть
выше некой величины, определяемой температурой, составом термоядерного
горючего и ожидаемым коэффициентом полезного деяния реактора.


Просто
узреть, что есть два пути выполнения аспекта Лоусона. Можно уменьшить
время удержания до наносекунд за счет сжатия плазмы, скажем, до
100–200 г/см3 (так как плазма при всем этом не успевает разлететься, этот
способ удержания именуют инерционным). Физики отрабатывают эту стратегию с
середины 1960-х годов; на данный момент ее более совершенной версией занимается
Ливерморская государственная лаборатория. В этом году там начнут опыты по
компрессии маленьких капсул из бериллия (поперечник 1,8 мм), заполненных
дейтериево-тритиевой консистенцией, при помощи 192 ультрафиолетовых лазерных пучков.
Руководители проекта считают, что не позже 2012 года они сумеют не только лишь
поджечь термоядерную реакцию, да и получить положительный выход энергии.
Может быть, подобная программка в рамках проекта HiPER (High Power Laser Energy
Research) в наиблежайшие годы будет запущена и в Европе. Однако даже если
опыты в Ливерморе стопроцентно оправдают возлагаемые на их ожидания,
дистанция до сотворения реального термоядерного реактора с инерционным
удержанием плазмы все равно остается очень большой. Дело в том, что для
сотворения макета электростанции нужна очень скорострельная система
сверхмощных лазеров. Она должна обеспечить такую частоту вспышек, зажигающих
дейтериево-тритиевые мишени, которая в тыщи раз превзойдет способности
ливерморской системы, делающей менее 5–10 выстрелов за секунду. На данный момент
интенсивно дискуссируются разные способности сотворения таких лазерных пушек, но до
их практической реализации еще очень далековато.



Альтернативно
можно работать с разреженной плазмой (плотностью в нанограммы на кубический
сантиметр), удерживая ее в зоне реакции более нескольких секунд. В таких
опытах вот уже более полвека используют разные магнитные ловушки,
которые задерживают плазму в данном объеме за счет наложения нескольких
магнитных полей. Самыми многообещающими считают токамаки – замкнутые магнитные
ловушки в форме тора, в первый раз предложенные А.Д.Сахаровым и И.Е. Таммом в
1950 году. В текущее время в разных странах работает с дюжину таких
установок, наикрупнейшие из которых позволили приблизиться квыполнению
аспекта Лоусона. Международный экспериментальный ядерный реактор,
известный ITER, который построят в поселке Кадараш недалеко от французского
городка Экс-ан-Прованс, – тоже токамак. Если все пойдет по плану, ITER позволит
в первый раз получить плазму, удовлетворяющую лоусоновскому аспекту, и поджечь
вней термоядерную реакцию.

 
«За
последние два 10-ка лет мы достигнули большого прогресса в осознании
процессов, которые происходят снутри магнитных плазменных ловушек, в
частности – токамаков. В целом мы уже знаем, как движутся частички плазмы,
как появляются неуравновешенные состояния плазменных потоков и до какой степени
наращивать давление плазмы, чтоб ее все-же можно было удержать магнитным
полем. Были также сделаны новые высокоточные способы плазменной диагностики, то
есть измерения разных характеристик плазмы, – поведал «ПМ» доктор ядерной
физики и ядерных технологий Массачусетского технологического института Йен
Хатчинсон, который выше 30 лет занимается токамаками. – К истинному времени
в огромнейших токамаках достигнуты мощности выделения термический энергии в
дейтериево-тритиевой плазме порядка 10 мегаватт в протяжении одной-двух
секунд. ITER затмит эти характеристики на пару порядков. Если мы не ошибаемся в
расчетах, он сумеет выдавать более 500 мегаватт в течение нескольких
минут. Если уж совершенно повезет, энергия будет генерироваться вообщем без
ограничения времени, в размеренном режиме».


Доктор
Хатчинсон также выделил, что ученые на данный момент отлично понимают нрав
процессов, которые должны происходить снутри этого большого токамака: «Мы даже
знаем условия, при которых плазма подавляет свои собственные турбулентности, а
это очень принципиально для управления работой реактора. Естественно, нужно решить
огромное количество технических задач – а именно, окончить разработку материалов
для внутренней облицовки камеры, способных выдержать насыщенную нейтронную
бомбардировку. Но исходя из убеждений физики плазмы картина довольно ясна – во
всяком случае мы так считаем. ITER должен подтвердить, что мы не ошибаемся.
Если все так и будет, придет черед и токамаку последующего поколения, который
станет макетом промышленных термоядерных реакторов. Но на данный момент об этом
гласить еще рано. А пока мы рассчитываем, что ITER начнет работать в конце
этого десятилетия. Вероятнее всего, он сумеет генерировать жаркую плазму никак не
ранее 2018 года – во всяком случае по нашим ожиданиям». Так что исходя из убеждений
науки и техники у проекта ITER хорошие перспективы.





Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments