В природных условиях наиболее известными примерами плазменного состояния вещества являются Солнце, горячие звезды, в которых плазма полностью ионизированная, образуется при очень высоких температурах (десятки миллионов градусов). Такую плазму называют горячей в отличие от плазмы низкотемпературной с температурой десятки или сотни градусов, обычно создаваемой искусственно в газовых разрядах. Слабо ионизованная плазма наблюдается в ионосфере.

Плазма способна испускать инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения, а горячая плазма – также рентгеновское излучение. Все эти виды излучения имеют одинаковую природу, отличаясь, друг от друга лишь длиной волны.

§4.1 . Образование плазмы

 Для того чтобы обычный газ перевести в плазменное состояние, необходимо ионизировать заметную часть молекул или атомов. Процесс ионизации является пороговым. Чтобы атом стал ионизированным, электрон в атоме должен приобрести энергию большую, чем его энергия связи. Передача энергии, достаточной для разрыва этой связи, возможна при соударении атома или молекулы с другой быстрой частицей –электроном, ионом, атомом или молекулой, при взаимодействии с фотоном, при воздействии достаточно сильного электрического поля. Своеобразный процесс ионизации, так называемая лоренц – ионизация, возможен при движении быстрого атома в сильном магнитном поле. Дело здесь в том, что в собственной системе отсчета, то есть в системе координат, относительно которой атом неподвижен, на него согласно преобразованиям Лоренца, действует электрическое поле Е=(v/c), В. Если величина этого поля достаточна, атом может быть ионизирован. Рассмотрим процессы, которые могут произойти при столкновении двух быстрых (энергичных ) молекул АВ и СD:

1) A B + CD АB+CD – Упругое рассеяние; В большинстве случаев наблюдается имеенно этот тип столкновений, при котором столкнувшиеся частицы разлетаются, обменявшись только энергией.

2) AB+CDАB*+CD – Неупругое рассеяние. Молекула АB*оказалась в возбужденном состоянии (значок *). Может оказаться возбужденной CD* или АB* и CD* одновременно. Полная кинетическая энергия уменьшилась на энергию возбуждения. Атомы и молекулы не могут долго оставаться в возбужденном состоянии, поскольку возбужденные состояния имеют вполне определенное конечное время жизни, спустя которое происходит переход в основное состояние, сопровождающийся излучением кванта.

3) AB+CDА+B +CD – Диссоциация. Одна из молекул или обе молекулы распались на атомы:

AB+CDА B+C+D

AB+CDА+B +C+D 

4)AB+CDА B⁺+CD + e – Ионизация. Одна из молекул (или обе) «потеряла» электрон и стала ионом:

AB+CDА B+CD⁺+ e

AB+CDА⁺B+BC⁺+2e 

В результате этих процессов, как мы видим, появились новые частицы: возбужденные молекулы, отдельные атомы, ионы и электроны. Очевидно, что любая из молекул может столкнуться с любой из этих новых частиц, и все они могут сталкиваться друг с другом. Переход газа в состояние плазмы связан с различными процессами взаимодействия между частицами: между заряженными частицами действуют электростатические силы, между заряженными и нейтральными частицами – силы квантовомеханической природы. Эти процессы происходят при столкновениях частиц между собой или при взаимодействии их с излучением. Наиболее важным является процесс ионизации, т.е. отрыв электрона от атома или молекулы газа, т.к. без него нельзя получить плазму. Ионизация вызывается следующими процессами: в плотной плазме – электронным ударом, в разреженной плазме – действием излучения (видимого, ультрафиолетового или рентгеновского), в звездной плазме и пламени – нагревом до высокой температуры.

Количественно состояние ионизации характеризуется степенью ионизации:

α_и=n_и/n₀₀ = n_э/n₀₀,

где n₀₀– концентрация нейтральных частиц до образования плазмы.

Общее число частиц в единице объема плазмы:

N = n₀ + n_и + n_э = n₀₀ + n_э,

где n₀– концентрация нейтральных частиц в плазме.

В зависимости от степени ионизации различают слабо ионизованную (α_исоставляет доли процента), умеренно ионизованную (α_иравна нескольким процентам) и полностью ионизованную (α_иблизко к 100%) плазму.

При этом возможны не только «прямые» процессы, перечисленные выше, но и обратные, например, процессом обратным диссоциации, является ассоциация – процесс объединения атомов в молекулу. Процессом, обратным ионизации, является рекомбинация. При рекомбинации, образующаяся нейтральная частица (атом или молекула) должна избавится от избыточной энергии, иначе она развалится немедленно. По тому, как расходуется избыточная энергия различают два основных процесса рекомбинации: рекомбинацию с излучением и рекомбинацию при тройных столкновениях. В последнем случае с ионом должны одновременно столкнуться два электрона – один присоединяется к иону, другой уносит избыточную энергию. Таким образом, в отличие от ионизации рекомбинация возможна только при наличии «третьего тела», уносящего избыток энергии, равный энергии связи рекомбинирующих частиц. Такую совокупность свободных заряженных и нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения американский физик Ленгмюр в 1928 г. назвал плазмой. Таким образом, плазма – это газ, но газ специфический: в нем могут присутствовать заряженные частицы, очень сильно различающиеся по массе (в тысячи и десятки тысяч раз.

Рассмотрим некоторые вопросы, касающиеся основных понятий о плазме.