ПЛАЗМА — ЧЕТВЕРТОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА. Известно, что любое вещество может существовать только в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном, классическим примером чему является вода, которая может быть в виде льда, жидкости и пара. Однако веществ, пребывающих в этих считающихся бесспорными и общераспространенными состояниях, если брать всю Вселенную в целом, очень мало. Они вряд ли превышают то, что в химии считается ничтожно малыми следами. Все остальное вещество Вселенной пребывает в так называемом плазменном состоянии. Что это такое?
Известно, что по мере нагревания тепловое движение атомов любого твердого тела принимает все более и более энергичный характер, пока не начинают ослабевать, а затем и рваться одна за другой связи, определяющие структуру вещества.
Первой разрушается кристаллическая решетка — твердое тело плавится и превращается в жидкость. Затем ослабляются связи между молекулами, и вещество принимает газообразную форму — испаряется. Выше 2000° С жидкая вода уже не может существовать вообще, несмотря пи на какие давления. Следовательно, исключаются все виды химических реакций в водной среде. При четырех-пяти тысячах градусов рвутся все связи внутри молекул, и вещество окончательно распадается на атомы составляющих его элементов. Поэтому прекращаются все обычные химические реакции.
Ну а что будет происходить, если нагревать сосуд с газом?
По мере повышения температуры движение атомов газа становится все более и более энергичным, и они все чаще и чаще, а следовательно, и сильнее сталкиваются друг с другом. В результате столкновений первыми начинают отрываться электроны, расположенные на самых внешних орбитах и слабее всех связанные с ядрами своих атомов. Внутри газа появляется как бы второй газ, состоящий из этих электронов, число которых по мере оголения ядер атомов непрерывно растет. Вслед за ними наступает очередь электронов, «запрятанных» на самых глубоких и более прочных орбитах. Одновременно начинают учащаться столкновения и между ионами, лишенными всей или части своей электронной защиты.
Газ, в котором под действием исключительно высокой температуры произошло разделение вещества па свободные электроны, носящиеся с бешеной скоростью и сталкивающиеся между собой и со стенками сосуда, совершенно оголенные ядра атомов и атомы, по какой-то случайности все еще удерживающие некоторую толику своих электронов, стали называть плазмой. «Идеальная» плазма с разделенными полностью атомными частицами соответствует температуре в несколько десятков миллионов градусов. Везде, где вещество чрезвычайно горячо, оно находится в плазменном состоянии. Однако плазма — это не просто нагретое до сверхвысокой температуры вещество. Это совершенно иное его физическое состояние, проявляющее целый ряд необыкновенных и очень важных свойств.
Например, плазменное состояние газообразного вещества может возникать и при менее высоких и даже относительно низких температурах в зависимоети от состава, структуры и степени разрежения газа. Пламя свечи, свечение ламп холодного света, электрическая дуга, электрический разряд, огненная струя, вырывающаяся из сопла реактивного двигателя или ракеты, ослепительный след, оставляемый молнией, — все это далеко не полный перечень явлений, при которых человек прямо или косвенно имеет дело с четвертым, плазменным, состоянием вещества.
Большинство людей и даже некоторые ученые не делают различия между отдельными видами плазмы и газом. Очень часто можно слышать о раскаленной атмосфере Солнца и звезд, потоках раскаленных газов и т. п.
Плазма действительно по ряду признаков очень сходна с газом. Она и разрежена, и текуча. Однако на уровне атомов и молекул природа их строения совершенно различна, и именно это объясняет чрезвычайно широкое разнообразие свойств плазмы и ее поведения, что резко отличает плазму от всех остальных состояний вещества.
В целом плазма нейтральна, так как она содержит одинаковое количество отрицательно и положительно заряженных частиц. Но взаимодействие этих зарядов придает плазме потрясающее разнообразие свойств, не похожих ни на какие свойства газов. При некоторых условиях она может проводить электрический ток лучше, чем медь, течь как вязкая жидкость, вступать в реакции с другими веществами как сильный химический раствор. Более того, плазма легко управляется электрическими и магнитными полями.
В необыкновенно короткий срок физика плазмы стала одной из ведущих областей науки, главным образом, в связи с исследованиями термоядерной реакции, получаемой пока только в мгновенной вспышке раскаленной до температуры в несколько сот миллионов градусов плазмы, при взрыве водородной бомбы (см. Термоядерная реакция).