Определение: плазма – квазинейтральная система, содержащая смесь заряженных и, воз­можно, нейтральных частиц вещества.

Требование квазинейтральности – важнейшее условие, включенное в определение плазмы. Из него вытекают три ключевые следствия:

· в плазме содержатся равные количества положительно и отрицательно заряженных частиц;

· заряженные частицы образуют однородную смесь, так что плазменный объем нейтрален не только в целом, но и в каждой своей не слишком мелкой части;

· плазма является макрообъектом, содержащим большое количество заряженных частиц в своем объеме, а время существования плазменного состояния не может быть сколь угодно малым.

Рассмотрим эти три следствия подробнее. Создающие плазму заряженные частицы образу­ются в процессе объемной ионизации газа, при протекании которого всегда возникают равные количества положительно (ионы) и отрицательно (электроны) заряженных частиц. Важной ха­рактеристикой плазмы служит степень ее ионизации a. Это отношение концентрации электро­нов n_e к концентрации всех тяжелых частиц в среде, то есть к сумме концентраций нейтраль­ных частиц n_a и ионов n_i:

a = n_e/(n_a + n_i). (2.1)

Если a < 1 (не все атомы или молекулы ионизованы), то плазму называют частично иони­зованной. При a = 1 плазма полностью ионизованная (однократно). Наконец, если a > 1, то это характеризует двукратно или многократно ионизованную плазму.

Второе следствие становится понятным, если мы рассмотрим ситуацию, когда из-за случайных причин возникает локальное временное разделение заряженных частиц разных знаков. Такое разделение нарушает нейтральность плазмы. Допустим, возникла ситуация, когда в одной локальной области, присутствует избыточное количество положительно заряженных ионов, а в другой – такое же по количеству избыточное содержание электронов. Возникает кулоновское взаимодействие разноименных зарядов, и электроны, как более легкие частицы, устремляются к объему с избыточными ионами. По инерции они проскакивают через этот объем, затем тормозятся и устремляются в обратном направлении и так далее. Возникают плазменные колебания, происходящие с частотой, согласно расчетам определяемой соотношением (2.2):

w_р = 5,6×10⁴n_e^1/2 (2.2)

где w_р – в с^–1, а n_e – в см^{– 3}.

Такие плазменные колебания теоретически предсказал, а затем и экспериментально обнаружил Ленгмюр. Поэтому у них появилось второе название – ленгмюровские колебания. Зная частоту плазменных колебаний, можно определить то минимальное время, которое служит нижним временным пределом существования квазинейтральности. Этот нижний предел определяется временем, в течение которого локальные нарушения квазинейтральности из-за случайного разделения зарядов четко себя проявляют, то есть оно должно быть того же по­рядка, что и период плазменных колебаний. Если время существования плазмы охватывает несколько периодов ленгмюровских колебаний, то картина усредняется и среда предстает как квазинейтральная. Время t_D, меньше которого ионизованный газ проявляет локальное отклонение от квазинейт­ральности, что не позволяет называть его плазмой, это – временной масштаб, отделяющий про­должительность существования просто ионизованного газа при слишком коротком времени его существования от состояния плазмы, возникающего при более продолжительном существова­нии ионизованной среды:

t_D ~ 1/ w_p» 1,8×10^–5n_e^–1/2 [c] (2.3)

Пример: концентрация заряженных частиц в ионизованном газе равна ~10¹² см^{– 3}. Из соотношения (2.3) определяем, что t_D ~ 6×10^-11 c. Это очень маленькое время, но оно имеет место в им­пульсах длительностью порядка пикосекунд. Если мы попытаемся образовать плазму с таким временем существования, то даже при столь относительно низкой концентрации электронов, как в данном примере, в лучшем случае возникнет ионизованный газ, по определению не удов­летворяющий понятию плазма. С повышением концентрации электронов временной масштаб укорачивается, и шансы создать плазму с очень коротким временем жизни резко снижаются.

Но локальное нарушение квазинейтральности может происходить не только при очень ко­ротких временах существования ионизованного газа, но и при очень малых объемах, выделяе­мых нами для рассмотрения деталей. Отсюда появляется еще один критерий существования плазмы, который называют пространственным масштабом. Пространственное разделение за­рядов определяется из условия, что энергия теплового движения заряженных частиц, способ­ная вызвать такое разделение, не превышает энергии кулоновского взаимодействия между ними, препятствующего разделению. Энергия теплового движения частиц характеризуется температурой, она равна kТ, где k – постоянная Больцмана (k = 1,39×10^-16 эрг/К =1,39×10^-23 Дж/К). Энергия кулоновского взаимодействия между зарядами: 4pn_ee²l_D², где l_D – характерный минимальный размер области, всегда остающейся квазинейтральной при данных значениях те­пловой и кулоновской энергий. Этот размер называют дебаевской длиной. Он же и служит про­странственным масштабом существования плазмы. Из условия равенства тепловой и кулонов­ской энергий определяют границу минимальной области, в которой плазма уже существовать не может (дебаевскую длину):

l_D = (kT/4pe²n_e)^1/2» 530(T/n_e)^1/2 (2.4)

Здесь Т – в эВ (1эВ = 11600 К), n_e – в см^–3.

Пример: Температура плазмы Т = 2 эВ (~23000 К) концентрация электронов n_e = 10¹² см^-3. При этих условиях l_D = 7×10^{- 4}см.

Дата добавления: 2015-10-16