“Заттың төртінші күйі немесе ПЛАЗМА”

ӘОЖ 533.9.01

“Заттың төртінші күйі немесе ПЛАЗМА”

Бекболат Аяна Талғатқызы , М.Х. Дулати атындағы Тараз өңірлік университеті, ақпараттық технологиялар факультеті, техникалық физика кафедрасының студенті.

Сағындықова Ұлбосын Бақтыбайқызы , М.Х. Дулати атындағы Тараз өңірлік университеті, ақпараттық технологиялар факультеті, техникалық физика кафедрасының студенті

Түзелбек Ажар Болатқызы , М.Х. Дулати атындағы Тараз өңірлік университеті, ақпараттық технологиялар факультеті, техникалық физика кафедрасының студенті

Ғылыми жетекші:

PhD , Кабанбаев Айбек Батырбекович , М.Х. Дулати атындағы Тараз өңірлік университеті, ақпарттық технологиялар телекомуникация факультеті

Аннотация. Физика ғылымында бәрі білетіндей заттың тек үш күйі бар екені көпшілікке белгілі, бірақ бұл мақалада төртінші күй – Плазма туралы қызықты мағлұматтар айтылуда. Плазма кез келген қарапайым газдың атомдары сыртқы әсерлерден электрондарын жоғалтқанда немесе жаңаларын алған кезде пайда болады. Осылайша зарядтардың тепе-теңдігі бұзылып, бұрын электрлік бейтарап атом зарядталғанға - ионға айналады. Егер атомда протондар көп болса, онда ол оң зарядқа ие болады. Әйтпесе, бұл теріс. Осылайша, плазма әртүрлі типтегі иондардан, бейтарап атомдардан және бос электрондардан тұрады.

Кілт сөздер: плазма, электрон, разряд, заряд, элементар бөлшектер, иондану , магнит өрісі , Токамак.

Қатты, сұйық және газ тәрізді күйлерден ерекшеленетін заттың төртінші күйі анықталғаны көпшілікке мәлім емес. Ол – “Плазма”, физикада - бұл газдағы атомдар иондалған кезде пайда болатын оң және теріс зарядталған бөлшектердің шамамен бірдей мөлшерін қамтитын электр өткізгіш орта. Теріс зарядты әдетте электрондар тасымалдайды, оң зарядты әдетте атомдар немесе молекулалар осы электрондарсыз тасымалдайды. Кейбір сирек, бірақ қызықты жағдайларда атомның немесе молекуланың бір түрінің жетіспейтін электрондары басқа компонентке қосылып, оң және теріс иондары бар плазманың пайда болуына әкеледі. Плазма күйінің бірегейлігі материяның барлық түрлеріне әсер ететін ауырлық күші сияқты күштерден басқа, плазмаға әсер ететін электрлік және магниттік күштердің маңыздылығына байланысты. Бұл электромагниттік күштер үлкен қашықтықта әрекет ете алатындықтан, плазма сұйық ретінде әрекет етеді, дегенмен бөлшектер бір-бірімен сирек соқтығысады.

Ғ аламдағы көрінетін заттардың барлығы дерлік плазмалық күйде, ол негізінен күн мен жұлдыздарда, планетааралық және жұлдызаралық кеңістікте кездеседі.

Аврора, найзағай және дәнекерленген доғалар да плазма болып табылады; плазма неон және флуоресцентті түтіктерде, металл қатты денелердің кристалдық құрылымында және басқа да көптеген құбылыстар мен заттарда болады. Жердің өзі күн жел деп аталатын нәзік плазмаға батырылған және Ионосфера деп аталатын тығыз плазмамен қоршалған. Ал зертханалық зерттеу жұмыстарында газды өте жоғары температураға дейін қыздыру арқылы плазма алуға болады, бұл оның атомдары мен молекулалары арасында қатты соқтығысуды тудырады, электрондар жарылып, қажетті электрондар мен иондар береді. Ұқсас процесс жұлдыздардың ішінде де жүреді. Ғарышта плазманың пайда болуының басым процесі фото иондану болып табылады, онда күн сәулесі немесе жұлдыз сәулесі шығаратын фотондар бар газға сіңіп, электрондардың бөлінуіне әкеледі. Күн мен жұлдыздар үздіксіз жарқырап тұрғандықтан, мұндай жағдайда барлық заттар иондалады, ал плазма толығымен иондалған деп аталады. Бұл қажет емес, бірақ плазма тек ішінара иондалуы мүмкін. Тек электрондар мен протондардан (сутегі ядроларынан) тұратын толық иондалған сутегі плазмасы ең қарапайым плазма болып табылады.

Физикадағы плазма тарихы

Плазма күйінің қазіргі тұжырымдамасы 1950 жылдардың басында пайда болып , әлі күнге дейін қарқынды зерттелуде . Оның тарихы көптеген пәндермен байланысты. Зерттеудің үш негізгі бағыты плазма физикасының пән ретінде дамуына ерекше үлес қосты: электр разрядтары, магниттік гидродинамика (сынап сияқты өткізгіш сұйықтық зерттеледі) және кинетикалық теория. Электр разрядының құбылыстарына деген қызығушылықты 18 ғасырдың басында үш ағылшын физигі - 1830 жылдары Майкл Фарадей мен Джозеф Джон Томсон мен Джон Сили Эдвард Таунсенд -19 ғасырдың басында іргетасын қалаған кезде байқауға болады. Плазма терминін 1923 жылы Ирвинг Лангмюр электр разрядтарын зерттеу кезінде алғаш қолданысқа енгізді. 1929 жылы ол Америка Құрама Штаттарында жұмыс істейтін Леви Тонкспен бірге бұл терминді теріс зарядталған электрондардың белгілі бір мерзімді өзгерістері болуы мүмкін разряд аймақтарына сілтеме жасау үшін қолданды. Олар бұл тербелістерді мінез-құлқы желе тәрізді затқа ұқсайтын плазмалық тербелістер деп атады. Алайда, 1952 жылдары екі американдық физик Дэвид Бом мен Дэвид Пайнс металдардағы электрондардың ұжымдық мінез-құлқын иондалған газдардан өзгеше деп санағанға дейін, плазма тұжырымдамасының жалпы қолданылуы толығымен бағаланды. Магнит өрістеріндегі зарядталған бөлшектердің ұжымдық әрекеті және өткізгіш сұйықтық тұжырымдамасы 1800 жылдары француз ғалымдары Фарадей мен Андре-Мари Ампер негізін қалаған магнитті гидродинамикалық зерттеулерде жасырын түрде ұсынылған. Алайда, 1930 жылдарға дейін Жаңа күн және геофизикалық құбылыстары ашылғанға дейін иондалған газдар мен магнит өрістерінің өзара әрекеттесуінің көптеген негізгі мәселелері қарастырылды. 1942 жылы Швед физигі Ганнес Альфвен магнитті гидродинамикалық толқындар ұғымын енгізді. Бұл еңбек ғарыштық плазманы одан әрі зерттеумен бірге Альфвеннің 1970 жылы физика бойынша Нобель сыйлығын алуына септігін тигізді . Мұнда екі бөлек тәсіл : электр разрядтарын зерттеу және магнит өрістеріндегі өткізгіш сұйықтықтардың әрекетін зерттеу - плазма күйінің кинетикалық теориясын енгізу арқылы біріктірілді. Аталған теория плазма, газ сияқты, кездейсоқ қозғалатын бөлшектерден тұрады, олардың өзара әрекеттесуі ұзақ қашықтыққа әсер ететін электромагниттік күштер, сондай-ақ соқтығысулар арқылы жүруі мүмкін. 1905 жылы голланд физигі Хендрик Антун Лоренц металдардағы электрондардың мінез - құлқына атомдар үшін кинетикалық теңдеуді (Австриялық физик Людвиг Эдуард Больцманның тұжырымы) қолданды.

Ғарыштық зерттеулер, электронды құрылғылардың дамуы, астрофизикалық құбылыстардағы магнит өрістерінің маңыздылығын түсінудің артуы және басқарылатын термоядролық (ядролық термоядролық) энергетикалық реакторларға деген ұмтылыс осындай қызығушылықты тудырды. Ғарыштық плазма физикасын зерттеу кезінде құбылыстардың күрделілігіне байланысты көптеген мәселелер шешілмеген күйінде қалады. Мысалы, күн желінің сипаттамасы атмосфералық ғылымда қажет ауырлық күші, температура және қысым әсерлеріне қатысты теңдеулерді ғана емес, сонымен қатар электромагниттік өрісті сипаттау үшін қажет шотланд физигі Джеймс Клерк Максвеллдің теңдеулерін де қамтуы керек.

Плазманың пайда болуы

Табиғи плазманы қыздыру және иондау , мысалы найзағайдан туындаған плазмада соққы арқылы берілетін электр тогы омдық жылыту техникасындағыдай атмосфераны қыздырады. Күн мен Жұлдыз плазмасында қыздыру ішкі және ядролық синтез реакцияларының нәтижесінде пайда болады. Күн тәжінде жылу жер бетінен күн атмосферасына таралатын толқындардың әсерінен пайда болады, олар плазманы зертханалық плазмадағы соққы толқынымен қыздыратындай қыздырады. Ионосферада иондану плазманы қыздыру арқылы емес, күннен шығатын энергетикалық фотондар ағыны арқылы жүреді. Күннің алыс ультракүлгін сәулелері мен рентген сәулелері Жер атмосферасындағы атомдарды иондауға жеткілікті энергияға ие. Сондай-ақ, энергияның бір бөлігі газды жылытуға кетеді, нәтижесінде термосфера деп аталатын атмосфераның жоғарғы қабаттары айтарлықтай қызады. Бұл процестер жерді энергетикалық фотондардан қорғайды, өйткені озон қабаты Жердегі тіршілік формаларын төмен энергиялы ультракүлгін сәулелерден қорғайды. Жер бетінен 300 шақырым биіктіктегі әдеттегі температура 1200 К немесе шамамен 0,1 эВ құрайды. Бұл температура өте жылы болғанымен, иондану үшін тым төмен. Күн ионосфераға батқан кезде иондану көзі тоқтап, ионосфераның төменгі бөлігі плазмалық емес күйіне оралады. Кейбір иондар, атап айтқанда бір зарядталған оттегі (O+) жеткілікті ұзақ өмір сүреді, ал кейбір плазма келесі күн шыққанға дейін қалады. Аврора жағдайында плазма түнгі немесе күндізгі атмосферада пайда болады, онда электрондар сәулелері жүздеген немесе мыңдаған электрон вольтке дейін үдетіліп, атмосферамен соқтығысады.

Жерде кездесетін табиғи плазмадан өзге плазма күйіндегі денені кездестіру мүмкін емес. Алайда зертханалық тәжірибелер мен технологиялық қосымшалар плазманы жасанды түрде түзуде. Калий, натрий және цезий сияқты сілтілік атомдардың иондану энергиясы төмен болғандықтан, олардан шамамен 3000 К температурада тікелей жылуды қолдану арқылы плазма алуға болады. Дегенмен, көптеген газдар ионданудың айтарлықтай дәрежесі басталғанға дейін қол жеткізілсе, шамамен 10 000 К температу-раны қажет етеді . Плазманы зерттеу кезінде температураны өлшеуге ыңғайлы өлшем бірлік электрон-вольт (эВ) болып табылады, бұл электронның вакуумда бір вольтты электрлік потенциал арқылы үдеу кезінде алатын энергиясы. Иондану үшін қажетті температура 2,5 - тен 8 электрон-вольтқа дейін өзгереді, өйткені мұндай мәндер атомнан немесе молекуладан бір электрон алу үшін қажетті энергияға тән. Барлық заттар осы деңгейден әлдеқайда төмен температурада еритіндіктен, әлі жасалған бірде - бір контейнер плазманы қалыптастыру үшін қажетті жылудың сыртқы әсеріне төтеп бере алмайды , сондықтан кез - келген жылыту ішкі жағынан қамтамасыз етілуі керек. Оның қамтамасыз етудің бір жолы - бос электрондарды жылдамдату және тарату үшін газға электр өрісін қолдану, осылайша плазманы қыздыру. Омдық жылытудың бұл түрі электр пешінің қыздыру элементіндегі бос электрондар катушканы қыздыратын әдіске ұқсас. Серпімді соқтығысулар кезінде энергия шығыны аз болғандықтан, электрондар басқа бөлшектерге қарағанда әлдеқайда жоғары температураға дейін қызуы мүмкін. Плазманың пайда болуы үшін жеткілікті жоғары электр өрісін пайдалану керек. Электр өрісін электродтар немесе электр өрісі өзгеретін магнит өрісі тудыратын трансформатордың әрекеті арқылы орнатуға болады. Трансформатор әдісімен зертханалық температура шамамен 10 000 000 К немесе 8 кило электронды вольт (кэВ) текше метріне шамамен 10¹⁹ Электрон тығыздығымен қол жеткізілді. Соңғы кезеңде температура сыртқы ортаға энергияны жоғалтумен шектеледі.

Иондалған газдар алғаш рет жарық техникасын жасауда қолданыла бастады. Мұның жарқын мысалы газ разрядты шамдар болады. Мұндай шамдардың жұмыс істеу принципі электр тогын колбаға салынған газ арқылы беру болып табылады. Нәтижесінде ультрафиолет сәулеленуімен иондану байқалады. Соңғысы фосформен жұтылады, бұл оның адам көзіне көрінетін диапазонда жарқырауын тудырады.

Әлемге әйгілі ғылыми жоба Токамак, толық атауының аббревиатурасы магниттік катушкалары бар тороидальды камера - бұл плазманы магнитті ұстауға арналған қондырғы. Ол басқарылатын термоядролық синтезді жүргізу үшін жағдайларды сақтау мақсатында әзірленген. Бұл қондырғы алғаш рет 1954 жылы салынған, сынақтар сәтті аяқталғаннан кейін әлемде оның 200-ден астам көшірмесі жасалды, онда зерттеулер бүгінгі күнге дейін жүргізілуде.

Бұл жобаның ерекшелігі – иондалған газды бақылауды қамтамасыз ету. Токамакта плазма магнит өрісі арқылы ұсталады. Бұл әдіс қолданы-лады, өйткені плазманың ағып кетуіне жол бермеу үшін қабырғалармен қоршау жасау мүмкін емес. Онымен байланыста болған кез-келген зат ериді. Магнит өрісі әсер етуі үшін иондаушы газ, ол арқылы электр тогы өтеді. Ол электр өрісін құруды қамтамасыз етеді. Сондай-ақ, токтың өтуі жоғары температура жиынтығын белсендіреді.

Қорытындылай келе плазманы зерттеу бақыланатын термоядролық синтез идеясын жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Нәтижесінде атом электр станцияларына қарағанда әлдеқайда қауіпсіз жұмыс істейтін және атмосфераға зиянды шығарындылар жасамайтын жоғары тиімді электр станцияларын құруға болады.

Пайдаланылған әдебиеттер:

1. Қадыров Н., Ядролық физика негіздері: Оқу құралы. – Алматы: университеті, 2000. – 525 бет.

2. Котельников И.А., Основы физики плазмы: Учебное пособие. – Новосибирский государственный университет, 2015. – 486 с.