Покоренная плазма

Почету плазма светится?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно отчетливо представлять себе, что такое свет.

Вопрос этот нелегкий, и было время, когда видные ученые становились в тупик.

Знаете, чем стреляет пулемет? Пулями, вылетающими одна за другой из ствола.

А что получится, когда в пруд вы бросите камень? Волны, расходящиеся кругами во все стороны.

Кажется, нет ничего общего между этими двумя явлениями. Верно. Однако при излучении света они объединены.

Свет излучают атомы. Они «стреляют» строго определенными порциями света — квантами. Квант — это световая «пуля». Он материален. Но он не «обломок» атома, а порция электромагнитных волн, примерно таких же, как радиоволны, но только значительно более коротких. Длина световых волн — не миллиметры и метры, а доли микрона. Например, пионерский галстук посылает в наш глаз волны длиной около 0,7 микрона, а фиолетовые чернила — 0,4 микрона. Остальные цвета — синие, желтые, зеленые — имеют длину волны чуть-чуть короче красных, либо чуть-чуть длиннее фиолетовых.

Теперь постараемся проникнуть своим воображением внутрь светящихся тел. Обычно эти сильно нагретые тела — спирали электроламп, куски раскаленного железа, топки печей — излучают целую смесь световых волн. В белом свете излучения твердых тел можно найти и красные, и оранжевые, и зеленые, и многие другие цвета. Такая «многоголосость» объясняется особенностями взаимоотношений между собой частиц нагретого тела.

Выше я уже говорил, что атомы любого тела находятся в непрерывном движении. Даже строгий порядок кристаллической решетки не может заставить их замереть на месте и не совершать никаких колебаний.

Повышение температуры тела — это увеличение размаха колебаний атомов, это — большая частота столкновений их друг с другом.

Тут и нашли ученые разгадку возникновения света.

Нормальный атом, окруженный «своими», спокойно вращающимися электронами, света не излучает. Но вот столкнулись два атома-соседа. Столкновение сказывается прежде всего на наружных частях атома, на его электронной оболочке. Силой удара какой-либо наружный электрон может оказаться отброшенным со своего места, со своей орбиты. На мгновение он попадет на соседнюю «чужую» орбиту. Атом переходит в неустойчивое состояние, как говорят физики, оказывается возбужденным.

Камень, подброшенный вверх, все время стремится упасть на землю. Так и возбужденный атом старается вернуться к обычному, устойчивому, состоянию. Поэтому, как только разошлись столкнувшиеся атомы, отброшенный электрон мгновенно возвращается на свое место. Излишек его энергии при этом выделяется в виде порции световых волн — фотона, или кванта света.

Самые слабые фотоны имеют красный свет. Большой энергией обладают световые «пули» фиолетового света. Короче говоря, чем меньше длина волны, тем большей энергией обладает световое излучение. Зная это, легко объяснить, почему кусок железа при нагревании вначале светится красным, потом оранжевым и, наконец, желтовато-белым светом. Более «крепкие» соударения атомов вызвали к жизни фотоны больших энергий. А так как в твердом теле атомы близки друг к другу, то при сильном нагревании столкновения атомов могут быть самыми разнообразными — и сильными, и средними, и слабыми. Поэтому твердое тело излучает, как правило, фотоны всех сортов, спектр его излучения сплошной, и глазом это излучение воспринимается часто как белый свет.

Несколько иное происходит в плазме. В ней молекулы и атомы газа друг от друга расположены далеко, и атомы возбуждаются не под влиянием взаимных соударений, а благодаря тому, что в них ударяются свободные электроны.

Мы уже знаем, как образуются лавины электронов, как газ — изолятор превращается в плазму — хороший проводник тока. Свободные электроны, устремляющиеся к аноду, оказывается, могут не только ионизировать атомы или молекулы, но и возбуждать их. Ионизация и возбуждение — это две стороны одной медали. В плазме эти процессы совершаются непрерывно.

Здесь также все зависит от скорости электрона, от силы его удара.

Проследим за движением одного из атомов, составляющих электронную лавину.

Электрические силы неумолимо влекут его к аноду разрядной трубки. Скорость электрона непрерывно возрастает. Но вот на пути электрона оказывается преграда — атом газа. Электрон ударяется в эту громаду, имеющую вес в тысячи раз больший, чем вес электрона. Если скорость электрона мала, то соударение его с атомом ни к чему не приводит. Электрон, словно шарик от стенки, отскакивает от атома, потеряв всего лишь сотую долю процента своей кинетической энергии. Но если электрон движется достаточно быстро, он может внести «беспорядок» в планетной системе атома. Атом оказывается возбужденным и излучает квант света.

Атомы каждого элемента имеют строго определенное число орбит, на которые могут переходить электроны при возбуждении. Соседи-атомы в газе находятся далеко и своими электрическими и магнитными полями не влияют на «поединок» электрона с данным атомом. Поэтому-то атомы плазмы как правило «стреляют» вполне определенными фотонами, свойственными данному газу, и окрашивают плазму во вполне определенный цвет.

Примерно так же происходит возбуждение семейств атомов — молекул газа. В трубке, наполненной не отдельными атомами, а молекулами, электроны даже более успешно возбуждают их, заставляя излучать фотоны.

Кванты световой энергии, «выстреливаемые» атомами, не сразу попадают в наш глаз. Они бесчисленное число раз передаются от одного атома к другому, описывая причудливый зигзагообразный путь, пока не покинут газ, пройдя через стекло разрядной трубки. Значит, кванты света — фотоны — сами способны возбуждать атомы, на которые они наталкиваются.

Может возникнуть вопрос: а не рождают ли свет и положительные частицы — ионы, которые движутся к катоду навстречу электронам? Ведь они тоже ударяются о молекулы газа.

Ответить на этот вопрос нетрудно, если вспомнить, что ионы во много раз тяжелее электронов и скорость их движения значительно меньше скорости легких и подвижных электронов. Благодаря этому шансы на возбуждение ионами газа значительно меньше, хотя оно и имеет место.

Чтобы иметь более полное представление о «кухне» свечения плазмы, нужно рассказать еще об одной причине появления фотонов внутри нее.

Плазма — это хаос заряженных и нейтральных частиц газа. В ней непрерывно происходит смена ролей: миллиарды ионизированных атомов становятся нейтральными, их ряды пополняют новые миллиарды атомов, подвергшихся ионизации.

Превращение положительного иона плюс электрон в нейтральный атом — это переход к более устойчивому состоянию. В микромире всякий такой переход сопровождается выделением энергии.

В виде чего выделяется энергия при нейтрализации зарядов в плазме? В виде фотонов, порций света. Этот свет вливается в общий «хор» световых сигналов, рожденных в недрах плазмы.