Plasma

Plasma — это ионизированный газ, в котором значительная доля атомов или молекул находится в заряженном состоянии (ионы и свободные электроны), при этом суммарный электрический заряд системы в целом близок к нулю (квазинейтральность). Плазма является четвёртым агрегатным состоянием вещества (наряду с твёрдым, жидким и газообразным) и наиболее распространённой формой материи во Вселенной: к ней относится более 99 % видимого вещества, включая звёзды, межзвёздную среду и галактические туманности.

Физические свойства и характеристики

Степень ионизации

Ключевым параметром плазмы является степень ионизации — отношение числа ионизированных частиц к общему числу частиц. Различают слабоионизированную плазму (степень ионизации менее 1 %, например, в пламени свечи или в газоразрядных лампах низкого давления) и полностью ионизированную (степень ионизации близка к 100 %, характерна для звёздных недр и термоядерных реакторов). В технических и лабораторных условиях чаще всего используется слабоионизированная плазма.

Квазинейтральность

Плазма в целом электрически нейтральна: концентрации положительных ионов и отрицательных электронов (или ионов) практически равны. Локальные нарушения квазинейтральности возможны, но они быстро компенсируются за счёт коллективных движений заряженных частиц. Время восстановления нейтральности определяется плазменной частотой — характерной частотой колебаний электронов относительно ионов.

Коллективное поведение

В отличие от нейтрального газа, частицы плазмы взаимодействуют не только через парные столкновения, но и через дальнодействующие электромагнитные силы. Это приводит к возникновению коллективных явлений: плазменных волн, неустойчивостей, двойных слоёв и токов. Плазма способна проводить электрический ток, генерировать магнитные поля и реагировать на внешние электромагнитные поля.

Температура

Температура плазмы может варьироваться в широчайших пределах: от нескольких тысяч кельвинов (в газоразрядных лампах) до десятков миллионов кельвинов (в недрах звёзд и в термоядерных установках). В неравновесной плазме (например, в тлеющем разряде) температуры электронов и ионов могут различаться на порядки: электроны нагреваются до десятков тысяч градусов, а ионы остаются холодными (сотни градусов). Такая плазма называется «холодной» или нетермической.

Классификация плазмы

По происхождению

• Естественная плазма — существует в природе: звёзды (включая Солнце), солнечный ветер, ионосфера Земли, молнии, полярные сияния, пламя.
• Искусственная плазма — создаётся человеком в лабораторных и промышленных условиях: газоразрядные лампы, плазменные панели, плазмотроны, термоядерные установки (токамаки, стеллараторы).

По температуре

• Высокотемпературная плазма (T > 10⁶ К) — полностью ионизирована, характерна для звёздных недр и термоядерных реакций.
• Низкотемпературная плазма (T < 10⁵ К) — частично ионизирована, используется в технике и медицине.

По степени ионизации

• Слабоионизированная — до 1 % ионизированных частиц.
• Частично ионизированная — от 1 % до 99 %.
• Полностью ионизированная — более 99 %.

По плотности

• Плотная плазма — концентрация частиц более 10²⁰ м⁻³ (например, в звёздных недрах).
• Разреженная плазма — концентрация менее 10¹⁶ м⁻³ (например, в ионосфере).

История изучения

Термин «плазма» ввёл в 1928 году американский физик Ирвинг Ленгмюр, изучавший электрические разряды в газах. Он заимствовал слово из греческого языка (πλάσμα — «вылепленное», «оформленное»), имея в виду способность плазмы принимать форму сосуда и электродов. Ранее, в 1879 году, Уильям Крукс описал «лучистую материю» в газоразрядных трубках, что фактически было первым наблюдением плазмы в лаборатории. В 1902 году Оливер Хевисайд предположил существование ионизированного слоя в верхней атмосфере Земли (ионосферы), который отражает радиоволны.

В XX веке развитие физики плазмы стимулировалось двумя основными направлениями: управляемым термоядерным синтезом (УТС) и космическими исследованиями. В 1950-х годах в СССР под руководством И. В. Курчатова и Л. А. Арцимовича были созданы первые токамаки — тороидальные установки для магнитного удержания плазмы. В 1960-х годах началось изучение плазмы в космосе с помощью спутников и ракет.

Применение плазмы

Энергетика

• Управляемый термоядерный синтез — перспективный источник энергии. В установках типа токамак (например, ИТЭР, строящийся во Франции при участии России) плазма нагревается до сотен миллионов градусов и удерживается магнитным полем для осуществления термоядерной реакции дейтерия и трития.
• Плазменные генераторы (плазмотроны) — используются для нагрева газов до высоких температур, применяются в металлургии, химической промышленности, при утилизации отходов.

Освещение и дисплеи

• Газоразрядные лампы (люминесцентные, неоновые, натриевые) — работают на основе тлеющего или дугового разряда в парах металлов или инертных газах.
• Плазменные панели — тип плоских дисплеев, где каждый пиксель представляет собой миниатюрную газоразрядную ячейку, излучающую ультрафиолет, который возбуждает люминофор.

Обработка материалов

• Плазменная резка и сварка — высокотемпературная струя плазмы (до 30 000 °C) позволяет резать и сваривать металлы, включая нержавеющую сталь и алюминий.
• Плазменное напыление — нанесение покрытий (керамических, металлических) на поверхности деталей для защиты от коррозии, износа или высоких температур.
• Плазменное травление — в микроэлектронике для создания микросхем и печатных плат.

Медицина

• Холодная плазма (атмосферное давление, температура 30–40 °C) — используется для стерилизации инструментов и поверхностей, обработки ран, в дерматологии (лечение акне, псориаза), в стоматологии и онкологии (плазменная коагуляция тканей). В России разработкой плазменных медицинских устройств занимаются в Институте общей физики РАН.

Космическая техника

• Плазменные двигатели — электрореактивные двигатели, в которых рабочее тело (обычно ксенон) ионизируется и ускоряется электрическим полем. Используются для коррекции орбит спутников и межпланетных перелётов (например, двигатели SPD в российских спутниках серии «Экспресс»).

Экология

• Плазменная газификация — переработка твёрдых бытовых отходов в синтез-газ (CO + H₂) при высоких температурах, что позволяет утилизировать мусор без образования токсичных соединений.
• Очистка газов — плазменные фильтры для удаления оксидов азота, серы и летучих органических соединений из промышленных выбросов.

Плазма в природе

• Звёзды — гигантские плазменные шары, в которых идут термоядерные реакции. Солнце, например, состоит из плазмы с температурой в ядре около 15 млн К.
• Солнечный ветер — поток плазмы, испускаемый Солнцем, который взаимодействует с магнитным полем Земли, вызывая магнитные бури и полярные сияния.
• Ионосфера — ионизированный слой атмосферы Земли на высоте 60–1000 км, отражающий радиоволны и обеспечивающий дальнюю радиосвязь.
• Молнии — электрические разряды в атмосфере, создающие канал плазмы с температурой до 30 000 К.
• Пламя — в зоне горения образуется слабоионизированная плазма за счёт термической ионизации продуктов сгорания.

Интересные факты

• Плазма является сверхпроводником электрического тока, но только при условии, что частота тока не превышает плазменную частоту.
• В лабораториях удаётся получать плазму с температурой более 100 млн К — это выше, чем в центре Солнца.
• В России действует Национальный центр физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза (НИЦ «Курчатовский институт»), где ведутся работы по созданию термоядерного реактора.
• Плазменные шары (декоративные лампы) — это демонстрация высокочастотного разряда в инертном газе при низком давлении.
• В 2023 году в Китае был запущен токамак EAST, который удерживал плазму при температуре 120 млн К в течение 403 секунд — рекорд для магнитных ловушек.

Источники

• Арцимович Л. А. «Управляемые термоядерные реакции». — М.: Физматгиз, 1961.
• Франк-Каменецкий Д. А. «Плазма — четвёртое состояние вещества». — М.: Атомиздат, 1975.
• Райзер Ю. П. «Физика газового разряда». — М.: Наука, 1987.
• Чен Ф. «Введение в физику плазмы». — М.: Мир, 1987.
• Большая российская энциклопедия: статья «Плазма» (электронная версия, 2020).
• Материалы НИЦ «Курчатовский институт» (раздел «Физика плазмы»).