Одне і теж речовина в природі має можливість кардинальним чином змінювати свої властивості в залежності від показників температури і тиску. Прекрасним прикладом тому може служити вода, яка існує у вигляді твердого льоду, рідини і пара. Це три агрегатних стани даної субстанції, що має хімічну формулу Н 2 О. Інші речовини в природних умовах здатні змінювати свої характеристики аналогическим чином. Але крім перерахованих, у природі існує й інший агрегатний стан – плазма. Це досить рідкісна в земних умовах форма матерії, наділена особливими якостями.
Молекулярне будова
Від чого залежать 4 стани речовини, в якому перебуває матерія? Від взаємодії елементів атома і самих молекул, наділених властивостями взаємного відштовхування і тяжіння. Зазначені сили самокомпенсируются в твердому стані, де атоми розташовуються геометрично правильно, утворюючи кристалічну решітку. При цьому матеріальний об'єкт здатний зберігати обидві згадані вище якісні характеристики: об'єм і форму. Але варто кінетичної енергії молекул збільшиться, хаотично рухаючись, вони руйнують встановлений порядок, перетворюючись в рідині. Вони володіють текучістю і характеризуються відсутністю геометричних параметрів. Але при цьому дана субстанція зберігає свою здатність не змінювати загальний обсяг. В газоподібному стані взаємне тяжіння між молекулами повністю відсутня, тому газ не має форми і володіє можливістю необмеженого розширення. Але концентрація речовини при цьому значно падає. Самі молекули в звичайних умовах не змінюються. У цьому полягає основна особливість перших 3 з 4 станів речовини.
Трансформація станів
Процес перетворення твердого тіла в інші форми можливо здійснити, поступово збільшуючи температуру і варіюючи показники тиску. При цьому переходи будуть відбуватися стрибкоподібно: відстань між молекулами помітно збільшиться, зруйнуються міжмолекулярні зв'язки з зміною густини, ентропії, кількості вільної енергії. Імовірна також трансформація твердого тіла відразу в газоподібну форму, минаючи проміжні етапи. Вона носить назву сублімації. Подібний процес цілком можливий у звичайних земних умовах. Але коли показники температури і тиску досягають критичного рівня, утворюється іонізований газ. Внутрішня енергія речовини настільки збільшується, що електрони, рухаючись з шаленою швидкістю, залишають свої внутриатомние орбіти. При цьому утворюються позитивні і негативні частинки, але щільність їх в отриманій структурі залишається практично однаковою. Таким чином виникає плазма – агрегатний стан речовини, що представляє, по суті, газ, повністю або частково іонізоване, елементи якого наділені здатністю на великих відстанях взаємодіяти між собою.
Високотемпературна плазма космосу
Плазма, як правило, субстанція нейтральна, хоча і складається з заряджених частинок, тому що позитивні і негативні елементи в ній, будучи приблизно рівними за кількістю, компенсують один одного. Це агрегатний стан у звичайних земних умовах зустрічається рідше інших, згаданих раніше. Але незважаючи на це, більшість космічних тіл складається саме з природного плазми.
Прикладом тому можуть служити Сонце та інші численні зірки Всесвіту. Там показники температури фантастичний високі. Адже на поверхні головного світила нашої планетарної системи вони досягають 5500°С. Це більш ніж півсотні разів перевищує ті параметри, які необхідні для того, щоб закипіла вода. У центрі ж вогнедишного кулі температура становить 15000000°С. не Дивно, що гази (в основному це водень) там іонізуються, досягаючи агрегатного стану плазми.
Низькотемпературна плазма в природі
Міжзоряне середовище, що заповнює галактичний простір, також складається з плазми. Але вона відрізняється від високотемпературної її різновиди, описаної раніше. Подібна субстанція складається з іонізованого речовини, що виникає внаслідок випромінювання, що випускається зірками. Це низькотемпературна плазма. Таким же чином сонячні промені, досягаючи меж Землі, створюють іоносферу і знаходиться над нею радіаційний пояс, що складається з плазми. Відмінності лише в складі речовини. Хоча в подібному стані можуть перебувати всі елементи, представлені в таблиці Менделєєва.
Плазма в умовах лабораторії та її застосування
Згідно законам фізики, плазма легко виходить у звичних для нас умовах. Під час проведення лабораторних дослідів достатньо конденсатори, діоди і опору, підключені послідовно. Подібна ланцюг на секунду приєднується до джерела струму. І якщо доторкнутися проводами до металевої поверхні, то частинки її самої, а також розташовані поблизу молекули парів і повітря іонізуються і виявляються в агрегатному стані плазми. Аналогічні властивості матерії використовуються при створенні ксенонових і неонових лампах, плазмових екранів і зварювальних апаратів.
Плазма і природні явища
У природних умовах плазму можна спостерігати у світлі Північного сяйва і під час грози у вигляді кульової блискавки. Пояснення деяких природних явищ, яким раніше приписувалися містичні властивості, нині дала сучасна фізика. Плазма, що утворюється і світиться на кінцях високих і гострих предметів (щоглах, вежах, величезних деревах) при особливому стані атмосфери, століття тому приймалася моряками за вісник удачі. Саме тому дане явище отримало назву «Вогні святого Ельма».
Бачачи коронний розряд у вигляді світних пензликів або пучків під час грози в шторм, мандрівники приймали це за добру ознаку, розуміючи, що уникли небезпеки. Не дивно, адже підносяться над водою об'єкти, придатні для «знаків святого», могли говорити про наближення судна до берега або пророкувати зустріч з іншими кораблями.
Нерівноважна плазма
Наведені вище приклади красномовно свідчать про те, що не обов'язково нагрівати речовину до фантастичних температур, щоб досягти стану плазми. Для іонізації досить використовувати силу електромагнітного поля. При цьому важкі складові елементи матерії (іони) не набувають значну енергію, адже температура при здійсненні цього процесу цілком може не перевищувати за Цельсієм декількох десятків градусів. В таких умовах легкі електрони, відриваючись від основного атома, рухаються значно швидше більш інертних часток. Подібна холодна плазма називається нерівноважної. Крім плазмових телевізорів і неонових ламп, вона використовується також при очищенні води і продуктів харчування, застосовується для дезінфекції в медичних цілях. До того ж холодна плазма здатна сприяти прискоренню хімічних реакцій.
Принципи використання
Прекрасним прикладом того, як застосовується на благо людства штучно створена плазма, є виготовлення плазмових моніторів. Осередки такого екрану наділені здатністю випромінювати світло. Панель являє собою якийсь «бутерброд» з скляних листів, близько розташованих один до одного. Між ними розміщуються коробочки з сумішшю інертних газів. Ними можуть бути неон, ксенон, аргон. А на внутрішню поверхню осередків наносяться люмінофори синього, зеленого, червоного кольору.
Зовні осередків підведені струмопровідні електроди, між якими створюється напруга. В результаті цього виникає електричне поле і, як наслідок, іонізуються молекули газу. Утворюється плазма випромінює ультрафіолетові промені, які поглинаються люмінофорами. Зважаючи на це виникає явище флуоресценції за допомогою випускаються при цьому фотонів. За рахунок складного з'єднання променів у просторі виникає яскраве зображення найрізноманітніших відтінків.
Плазмові жахи
Смертоносний вигляд приймає ця форма матерії під час ядерного вибуху. Плазма у великих обсягах утворюється під час перебігу даного некерованого процесу з вивільненням величезної кількості різних видів енергії. Теплова хвиля, що виникла в результаті запуску в дію детонатор, виривається назовні і нагріває в перші секунди до гігантських температур оточуючого повітря. На цьому місці виникає смертоносний вогненна куля, наростаючий зі значною швидкістю. Видима область яскравою сфери збільшується за рахунок іонізованого повітря. Згустки, клуби і струменя плазми вибуху формують ударну хвилю.
Перший час світна куля, наступаючи, миттєво поглинає все на своєму шляху. В пил перетворюються не тільки кістки і тканини людини, але і тверді скелі, що руйнуються навіть міцні штучні споруди та об'єкти. Не рятують броньовані двері надійні притулку, розплющуються танки та інша бойова техніка. Плазма за своїми властивостями нагадує газ тим, що не володіє певними формами та обсягом, в наслідок цього вона здатна необмежено розширюватися. З цієї причини багато фізики висловлюють думку, що вважати її окремим агрегатним станом не слід. Однак суттєві відмінності її від просто гарячого газу наявності. До них відносяться: можливість проводити електричні струми і схильність впливу магнітних полів, нестійкість і здатність складових частинок мати різні показники швидкостей і температур, при цьому колективно взаємодіяти між собою.
