Что представляет из себя плазма?

Прежде чем дальше углубиться в тематику, давайте рассмотрим явление «плазмы» или ионизированного газа. Чтобы понять электрическую природу Вселенной, нам следует сначала разобраться с природой её главной составляющей. Ирвинг Ленгмюр ввёл в обращение понятие «плазмы» из-за сходства ионизированного газа с «живыми» клетками крови. Действительно, тот факт, что плазма ведёт себя как живой организм, ^[13]является довольно необычным в сравнении с другими агрегатными состояниями:

В лаборатории Беркли по исследованию радиации Дэвид Бом начал работать над тем, что станет поворотным пунктом в его работе над плазмой. Плазма — это газ, состоящий из плотно сконцентрированных электронов и положительно заряженных ионов (атомов с положительным зарядом). К его удивлению, он обнаружил, что ионизированные электроны перестали вести себя как индивидуальные частицы и начали вести себя так, как будто они были частью большего взаимосвязанного целого. Хотя их индивидуальные движения казались на первый взгляд случайными, огромное количество электронов было в состоянии производить эффекты, которые говорили о их поразительной организованности. Как какое-то амебоидное существо, плазма постоянно воспроизводила себя и окружала все инородные примеси на её границе так, как какой-либо биологический организм блокирует инородные вещества в его защитной оболочке. Бом был настолько поражён этими органическими свойствами, что, по его словам, у него часто складывалось впечатление, будто это море электронов было «живым». ^[14]

Живая или нет, плазма является наиболее часто встречающимся агрегатным состоянием во Вселенной, как по массе, так и по объёму. Она составляет 99% всей видимой Вселенной ^[15] и, таким образом, является намного более распространённой, чем три других агрегатных состояния: твёрдое, жидкое и газовое. Все звёзды состоят из плазмы, и ею наполнено даже межзвёздное пространство. График ниже показывает, что плазма встречается в любой среде, при любых температурах и в любых типах материи. К категории плазмы относят даже металлы, так как они представляют собой твёрдую материю со свободными электронами ^[16] (см. в левом верхнем углу на рис. 4).

Парадоксально, но плазма — наиболее часто встречающееся агрегатное состояние — является наименее изученным явлением. В то время как студентам физики преподают свойства твёрдых тел, жидкостей и газов, о плазме практически не упоминают. Итак, давайте отдадим ей должное.

Плазма — это материя (обычно газ, однако она также может принимать твёрдую или жидкую форму), в которой определённое количество частиц было ионизировано. Ионизированная частица — это частица, потерявшая как минимум один электрон. Таким образом, в то время как «обычный» газ состоит из неионизированных частиц, плазма состоит из диссоциированных положительных частиц и негативных электронов.

Рисунок 4 Различные виды плазмы, в зависимости от их температуры (X-ось) и электронной плотности (Y-ось)

Следует отметить, что в данном выше определении плазмы под «частицей» подразумевается «молекула» или «атом». Давайте возьмём в качестве примера атом водорода (H), изображённый на рис. 5, который состоит из ядра (один протон плюс один нейтрон) и электрона, движущегося вокруг ядра (левая сторона иллюстрации). Если атом водорода ионизирован, то его ядро (протон) отделено от электрона (правая сторона иллюстрации).

Рисунок 5 Разница между газом и плазмой (на примере атома водорода)

Во время ионизации приток энергии выталкивает электрон с его орбиты из атома. В итоге мы имеем один свободный электрон (чёрные точки на рисунке) и один положительно заряженный ион (красные точки). Их заряды разделены, и газ ионизирован. Это и есть плазма.

* * *