Покоренная плазма

Плазма — четвертое состояние вещества

Люди давно научились делать сами многое из того, что есть в природе в готовом виде.

Потребовалось заложить фундамент для нового дома — делают бетон. Для этого нужны цемент, песок, щебень и вода. Искусственный камень — бетон вполне заменяет природный, например, гранит.

Раньше люди одежду делали из волокон растений или шерсти животных. В наше время на химических заводах вырабатываются тонны искусственного волокна, шерсти и кожи. По качеству они нередко бывают даже лучше естественных.

Или возьмем электричество. В природной «кухне» его немало. Но человек не собирает его из атмосферы, не ждет, когда начнется гроза, а получает его миллиардами киловатт-часов на тысячах электростанций. И здесь разум людей сумел превзойти природу. Есть в природе и плазма — вещество в четвертом состоянии. Но стоит ли гоняться за природной плазмой — тем более, это дело нелегкое, — если можно получить плазму искусственную? Не стоит.

Все знают, что для того, чтобы изготовить что-нибудь, нужны, кроме умения, еще материал и инструмент.

Посмотрите на рисунок. На нем изображено все необходимое для получения плазмы (стр. 21).

Предположим, мы решили получить плазму в «закупоренном» виде. Для этого из стекла делается разрядная трубка — баллончик, чаще всего цилиндрической формы. В противоположных концах трубки смонтированы электроды — кружочки, которые делаются из листа меди, никеля или вольфрама. Две вольфрамовые проволочки, на которых висят электроды, выходят через стекло наружу.

Любая разрядная трубка имеет специальный стеклянный выступ. Через него механические легкие насоса могут быстро откачать воздух.

Чтобы лед превратить в воду, нужно затратить тепло, энергию. Плазма тоже не получается сама собой; для ее получения нужна энергия, высокое напряжение. Для того чтобы получить высокое напряжение, в сеть включается высоковольтный выпрямитель. Он вырабатывает постоянное напряжение в несколько тысяч вольт.

Когда медные провода соединят «плюс» и «минус» источника с электродами трубки, можно считать, что для начала работы все готово.

А материала для плазмы кругом сколько угодно. Мы купаемся в этом материале.

Плазма получается из газа, значит, обыкновенный воздух тоже может быть «сырьем» для нее.

В стеклянной трубке, в которой должна образоваться плазма, воздух есть тоже. Поэтому не будем тратить время в поисках другого материала и включим нашу установку.

Но что это? Включение высоковольтного источника напряжения ничего не дало. Вольтметр показывает максимум напряжения, которое может дать источник, а тока через разрядную трубку нет. Стрелка амперметра почти не сдвинулась с нуля.

Пока я не буду объяснять причину такого нежелания воздуха превращаться в плазму, а предложу включить насос и начать откачивать воздух из трубки. Его становится все меньше и меньше.

И вдруг трубка вспыхнула белесовато-голубым светом. Стрелка амперметра прыгнула вправо, значит, через трубку пошел ток. Свечение воздуха в трубке стало совсем ярким. Пора остановить насос. Мы достигли цели: остатки воздуха в разрядной трубке превратились в плазму.

Как это произошло? Почему в трубке вспыхнул электрический разряд, стоило из нее откачать побольше воздуха?

Чтобы ответить на эти вопросы, заглянем в пространство между электродами и посмотрим, что происходит в мире микроскопических частиц газа с момента начала опыта.

Большинство молекул воздуха, имеющегося в трубке, — это азот. В каждой молекуле азота — два атома.

В таблице элементов Менделеева азот стоит на седьмом месте от начала, значит, каждый его атом имеет семь электронов и семь положительных зарядов в ядре.

Таким образом, во всей молекуле газообразного азота, состоящей, как я уже сказал, из двух атомов, имеется по четырнадцати зарядов того и другого знака.

Когда включен источник высокого напряжения, то между электродами разрядной трубки возникает электрическое поле. А мы знаем, как электрическое поле влияет на заряды. Оно заставляет их двигаться.

Приходилось вам видеть народную игру — перетягивание каната? Игроки выбирают ровную площадку, разбиваются на две равные группы, и каждая группа, ухватившись за канат, старается перетянуть противников на свою сторону. Побеждают более сильные и дружные.

С молекулой азота, попавшей в электрическое поле, происходит что-то похожее на эту игру. Все четырнадцать положительных зарядов стремятся влево, к отрицательно заряженному электроду, или катоду, а их «противники» — электроны тянут молекулу вправо, к аноду. Но силы тех и других равны, поэтому молекула оказывается «безразличной», нейтральной к электрическим силам.

Чтобы положить конец такому безразличию молекул газа к электрическому полю, нужно постороннее вмешательство. Его поначалу осуществляет сама природа.

Вспомните хотя бы о космических лучах — потоке частиц огромной энергии, приходящих из безбрежных глубин Вселенной. Мы не замечаем, не видим эти лучи, но они непрерывно врезаются в землю, в здания, в человеческие тела. Энергия их так велика, что даже глубоко под землей приборы фиксируют этих посланцев космоса.

Некоторые из космических частиц «прошивают» и разрядную трубку. При этом они производят «разрушения» — отрывают от попавшихся на пути молекул газа один или несколько электронов. Этот процесс называется ионизацией.

Как воздействует электрическое поле на свободные электроны, мы уже знаем; оно «подхватывает» их и гонит к аноду. Молекула же азота, лишившаяся электрона, оказывается положительно заряженной, и она устремляется в другую сторону — к катоду.

Но космические частицы — плохие «поставщики» зарядов, они ионизируют малое число молекул в трубке. Поэтому заметного тока заряды, рожденные ударами космических частиц, создать не могут.

Но эти заряды не бесполезны. Особенно электроны, оторванные от молекул газа.

Когда в разрядной трубке много молекул газа, эти свободные электроны не могут сильно разогнаться: они натыкаются на электронейтральные молекулы.

Представьте себе городскую площадь с большим числом снующих туда-сюда людей. Люди не прижаты друг к другу, но их много. Вы захотели перебежать площадь. Только разбежались, наткнулись на одного, потом на другого, на третьего человека. Большой скорости вам развить не удается.

Что-то похожее происходит и с электронами, созданными космическими частицами и притягивающимися к аноду. Они непрерывно сталкиваются с молекулами газа и замедляют свой бег.

Но вот пущен мотор откачивающего насоса. Меньше чем через минуту давление воздуха в трубке падает. Электронам, которые по-прежнему возникают в разрядном промежутке, становится значительно свободнее. Под влиянием электрических сил электроны теперь разгоняются до большой скорости. С молекулами газа теперь сталкиваются они реже, но зато их удары становятся «крепче».

И вот наступает момент, когда электрон, ударившись о молекулу, может сам оторвать, выбить из нее электрон. Эти два электрона — старый и новый — снова разгоняются и выбивают электроны из других встречных молекул. Возникает лавина электронов. Она напоминает снежную лавину в горах, когда брошенный с вершины ком увлекает вниз тысячи тонн снега.

В пространстве между катодом и анодом возникает много лавин электронов, движение зарядов (электронов — к аноду, положительных ионов — к катоду) принимает массовый характер. Газ из изолятора превращается в проводник тока. В трубке возникает плазма.

У плазмы есть один верный опознавательный признак, своя «визитная карточка», по которой ее легко распознать. Это — излучение световых лучей.

Почему плазма светится, я подробно расскажу дальше. Сейчас я только замечу, что это происходит в основном тоже от соударений.

Итак, плазма — это такое состояние газа, в котором изменено внутреннее строение атомов, имеется огромное количество электронов и ионов.

Одно время в науке существовало мнение, что плазма — это не особое состояние вещества, а одна из форм существования газа. Давайте для наглядности выпишем признаки газа и плазмы и сравним их.

Газ (третье состояние вещества) идеальный изолятор, света не излучает, к магнитным силам равнодушен.

Плазма (четвертое состояние вещества) хороший проводник тока, излучает свет, испытывает влияние магнитных сил.

Как видите, разница между обычным газом и плазмой велика. Если при этом учесть, что атомы плазмы имеют измененное внутреннее строение, в результате чего они превратились в положительные ионы, то право «гражданства» у плазмы как особого, четвертого состояния вещества становится бесспорным.