Физика плазмы

До недавнего времени считалось, что все вещества, окружающие нас, находятся в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном. Открытием нашего века стало четвертое состояние вещества - плазма.

Что же такое плазма? По существу, это газ, в атомах которого в результате сильного нагрева или других физических воздействий электроны отрываются от своих ядер. Плазма - это Солнце, звезды, туманности, межпланетное вещество в ионизированном состоянии. Не случайно плазму иногда называют звездным состоянием вещества.

Плазму мы наблюдаем и в земных условиях - это вспышки молний, электрические разряды, пламя ракеты, свечение неоновой трубки и т. д. Но земная плазма относится к категории низкотемпературной, холодной плазмы, так как степень ионизации газа в данном случае не слишком высока и зависит не только от температуры, но и от энергии связи электронов в атомах. А вот, например, молодые голубые звезды имеют температуру свыше 100 млн. градусов, при которой практически все электроны отрываются от своих ядер. Такую плазму относят к категории горячей, высокотемпературной.

По своему строению плазма отличается от простого газа тем, что в ней заметная часть атомов находится в ионизированном состоянии, т. е. атомы ее потеряли принадлежавшие им электроны и превратились в положительно заряженные ионы. Таким образом, плазма представляет собой смесь из положительных ионов, свободных электронов и нейтральных атомов.

Свойства плазмы резко отличаются от свойств обычного газа. Если нейтральный газ - электрический изолятор (электрические и магнитные силы не оказывают на него почти никакого влияния), то плазма (она также в целом как бы нейтральна), напротив, хорошо проводит электрический ток и взаимодействует с магнитным полем. Это качество плазмы имеет огромное значение для ее использования в технике. Необычное свойство плазмы в том, что ее электропроводность растет с увеличением температуры, в противоположность металлам, которые при нагревании проводят ток хуже, чем при охлаждении.

Явление изменения электропроводности плазмы и интенсивности ее излучения под действием оптической ориентации атомов

Доктор физико-математических наук, профессор Р. А. Житников и научный сотрудник Б. Н. Севастьянов (Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе АН СССР) открыли явление изменения электропроводности плазмы и интенсивности ее излучения под действием оптической ориентации атомов.

В плазме, как уже упоминалось, значительное число атомов ионизировано, т. е. расщеплено на заряженные частицы - электроны и ионы. Кроме того, в плазме существуют и нейтральные возбужденные, обладающие избыточной энергией, атомы, в том числе и метастабильные, обладающие большим временем существования.

На протяжении многих лет авторы открытия исследовали оптическую ориентацию метастабильных атомов гелия. Они облучали атомы светом гелиевой лампы. При таком облучении атомы, эти постоянно вращающиеся, подобно волчкам, частицы вещества, поворачиваются в пространстве и ориентируют по световому лучу оси своего вращения. Это и есть оптическая ориентация.

Чтобы получить нужные для опытов метастабильные атомы, в гелии возбуждали газовый разряд - создавали плазму.

"Однажды, - рассказывает Р. А. Житников, - при проведении очередного эксперимента мы обнаружили, что в результате ориентации - поворота атомов в пространстве - изменилась почему-то интенсивность свечения плазмы. Еще более удивительным было то, что при этом повороте нейтральных атомов изменилась электропроводность плазмы и концентрация в ней свободных электронов. Объяснение механизма этого явления было найдено в ходе дальнейших исследований. Все дело оказалось в том, что у метастабильных атомов гелия очень большой запас внутренней энергии. Когда два таких атома сталкиваются в плазме, один из них может передать свою энергию другому, который за счет этой энергии ионизируется - от него отрывается электрон. Этот процесс весьма важен, так как является основным поставщиком заряженных частиц в плазме.

Анализ процесса показал, что ионизация становится невозможной, когда сталкивающиеся метастабильные атомы гелия ориентированы в одном направлении. Воздействие света увеличивает долю столкновений атомов с одинаковой ориентацией, что уменьшает число актов ионизации и приводит к уменьшению концентрации свободных электронов в плазме, а следовательно, и к изменению ее электропроводности и интенсивности свечения. Появилась возможность управлять электрическими, оптическими и энергетическими свойствами плазмы при помощи луча света.

Обнаруженное явление наблюдается не только в гелиевой плазме, оно носит общий характер и проявляется в плазме другого состава, содержащей, например, кроме атомов гелия атомы водорода или щелочных металлов, а также в плазме инертных газов.

Открытие внесло существенные изменения в представления о механизме образования свободных электронов в плазме, содержащей метастабильные атомы, и о закономерностях ионизационных атомных столкновений. Создан новый эффективный источник поляризованных электронов, необходимый для многих исследований, особенно в ядерной физике".

На основе открытия развито новое направление в квантовой магнитометрии. Появились новые типы магнитометров, обладающих повышенной точностью. Точные измерения малых магнитных полей, например земного поля, очень важны для практики, это один из основных методов поиска полезных ископаемых. Важны они и в современной геофизике, так как природа магнитного поля Земли до сих пор остается не до конца разгаданной. Остро нуждается в подобных измерениях и современная метрология.

Открытие Р. А. Житникова и Б. Н. Севастьянова внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 177 с приоритетом от 20 ноября 1968 г. Оно сформулировано так:

"Установлено неизвестное ранее явление изменения электропроводности плазмы и интенсивности ее излучения под действием оптической ориентации атомов, обусловленное изменением выхода свободных электронов при ионизационных столкновениях атомов в результате изменения их взаимных спиновых ориентации".