Жданов Основы физических процессов 2007

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Первое издание учебного пособия с таким название вышло в 2000 году небольшим тиражом, который давно разошелся. За это время не только увеличилось число студентов, обучающихся на кафедре физики плазмы МИФИ, но и сама область знаний стала более востребованной. Это связано как с возрождением науки и технологий в нашей стране, так и с заметными событиями в мире. В 2006 году подписано соглашение о сооружении во Франции первого международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР на основе установки токамак, которое подписали страны с населением, составляющим более половины Человечества. В нашей стране, выступившей инициатором этого сотрудничества и многие годы лидировавшей в термоядерных исследованиях, разрабатывается Федеральная целевая программа «Овладение энергией термоядерного синтеза. Создание научно-технологической базы термоядерной энергетики в России на 2009-2015 годы», которая предусматривает создание к середине века в нашей стране промышленной термоядерной электростанции.

Для второго издания книга была существенно переработана. Добавлена глава 9, в которой кратко изложены принципы работы и устройство установок типа токамака, а также описан реактор ИТЭР. Помимо очевидной необходимости знакомства широкого круга студентов МИФИ с устройством базовой установки будущей термоядерной энергетики, эта глава дала возможность на примере токамака осуществить синтез тех представлений о физике плазмы и основных происходящих в них явлениях, которые изложены во всех предшествующих главах. Существенной переработке подверглась и первая глава, в основном это связано со стилем изложения и выделением тех моментов, знание которых в соответствии с опытом чтения курсов по основам физики плазмы в МИФИ представляется наиболее существенным. Осуществлена также модернизация глав 5, 7 и 8, в частности, добавлены схемы широко распространенных в плазменных исследованиях типов анализаторов, описание влияния неоднородности поверхности на термоэлектронную эмиссию и описания широко используемых в настоящее время магнетронного и плазменно-пучкового разрядов.

6

Ксожалению, от нас ушел один из авторов книги профессор Михаил Кириллович Романовский, но заложенный им стиль изложения с ясной физической и по возможности, образной интерпретацией явлений, авторы попытались сохранить.

Ккниге также добавлено приложение в виде наиболее употребляемых формул и соотношений, без знания которых трудно представить себе инженера-физика, связанного с плазмой и плазменными установками.

За минувшее время существенно пополнилась база литературы по физике плазмы. Прежде всего, следует упомянуть издание под редакцией В.Е.Фортова объемной Энциклопедии низкотемпературной плазмы [36], к вводным томам которой ежегодно добавляются тома, посвященные отдельным разделам физики плазмы и ее

применений. В 2006 г. вышла книга А.И.Морозова «Введение в плазмодинамику» [37], начат выпуск учебных пособий в серии «Учебная книга по диагностике плазмы» [38-39], вышли также другие учебные пособия и учебники [41-42]. По проблематике управляемого ядерного синтеза среди новых изданий следует упомянуть [43-44]. Среди недавних зарубежных изданий по тематике данной книги читателю можно рекомендовать [45-47].

Следует выразить большую признательность профессорам В.М. Жданову и В.С. Стрелкову, внимательно прочитавших рукопись и сделавших ряд ценных замечаний, преподавателям кафедры физики плазмы И.В.Визгалову, А.С.Савелову и Г.В.Ходаченко за полезные советы по содержанию главы 8, а также кандидату физ.- мат. наук Анне Голубевой, выполнившей огромный объем работ по оформлению рисунков и подготовке оригинала-макета данного издания.

В.А. Курнаев

7

ВВЕДЕНИЕ

Всем известны три агрегатных состояния вещества − твердое, жидкое, газообразное. Плазму часто называют четвертым состоянием вещества - самым высокотемпературным, имея в виду цепочку превращений: твердое тело - жидкость - газ - плазма, имеющую

ся теплоемкостью вещества, а соответствующий участок на шкале температур до точки b может быть и очень малым (для водорода 13,9 К) и весьма большим (для вольфрама 3643 К). В точке b начинается плавление, для чистых веществ температура остается постоянной: энергия затрачивается на разрушение связей, определяющих упорядоченное расположение частиц вещества относительно друг друга. Величина участка b-c определяется так называемой "скрытой" теплотой плавления. При дальнейшем повышении температуры на участке c-d вещество остается в жидком состоянии, растет энергия движения его молекул. Наклон отрезка прямой c-d определяется теплоемкостью вещества в жидком состоянии. В точке d начинается кипение, и вещество переходит в газообразное состояние. На отрезке d-e температура остается постоянной, энергия расходуется на разрушение связей между молекулами. Величина участка d- e определяется так называемой теплотой испарения. Необходимо отметить, что эти рассуждения верны при некотором заданном дав-

8

лении. На самом деле и над твердым телом всегда имеется некоторое давление насыщенного пара, весьма малое для большинства веществ. Однако над некоторыми веществами оно все же велико (например, у йода при температуре 387 К оно составляет 90 мм рт.

ст.).

Приведенные выше рассуждения имеют характер иллюстрации изменения привычных для нас агрегатных состояний вещества в зависимости от температуры. По мере роста температуры увеличивается энергия молекул, уменьшаются связи и после испарения все молекулы становятся свободными. Если продолжать увеличивать энергию этих свободных молекул (например, нагревать газ), то при взаимных столкновениях молекулы начнут распадаться на атомы. Но это уже принципиально новый процесс − часть энергии затрачивается на процесс, качественно меняющий состав газа.

Хорошо известно, что газ представляет собой совокупность свободных частиц − молекул (обычно) или атомов (реже). Эти частицы сталкиваются друг с другом, со стенками сосуда, и в результате столкновений устанавливается вполне определенное распределение частиц по скоростям. При каждой данной температуре основная часть частиц имеет некоторую определенную (наиболее вероятную) скорость, но всегда есть и более медленные частицы и более быстрые. Чем дальше от наиболее вероятной скорости (и в сторону

скорости v. Это − известное распределение Максвелла. Наиболее важно то, что при любых температурах всегда имеются быстрые частицы, причем, чем выше температура, тем их больше.

В обычных условиях, например при комнатной температуре, доля таких частиц крайне мала, так что энергия подавляющего чис-

9

ла частиц недостаточна для того, чтобы разрушить молекулу (или тем более атом), поэтому практически преобладают только так называемые упругие столкновения, в результате которых полная кинетическая энергия обеих сталкивающихся частиц остается неизменной. Это типично для обычного газа, такие столкновения и приводят к установлению максвелловского распределения (по скоростям или энергиям, так как при данной массе частицы ее кинетическая энергия однозначно определяется скоростью: Е=mv2/2; предполагается, что газ в целом покоится).

Имеющиеся всегда быстрые частицы разбивают молекулы и даже атомы, но их ничтожно мало, если температура газа не велика. Процесс распада молекул на атомы называют диссоциацией, процесс отрыва электрона от атома − ионизацией, а атом, потерявший один электрон (или больше),- ионом. При нормальных условиях в 1 см3 воздуха содержится 103 - 105 ионов, что ничтожно мало по сравнению с числом молекул 2.7 1019 в каждом кубическом сантиметре. Однако при повышении температуры все больше становится быстрых частиц, все чаще происходят процессы диссоциации и ионизации. В этих процессах часть кинетической энергии частиц затрачивается на внутримолекулярные (или внутриатомные) процессы; поэтому суммарная кинетическая энергия двух сталкивающихся частиц до соударения уже не равна их кинетической энергии после соударения. Такие процессы называют неупругими. В обычном газе роль неупругих процессов пренебрежимо мала, но при достаточно высокой температуре они приобретают существенное значение. В результате образуются новые частицы: при диссоциации − атомы, при ионизации − ионы и электроны. Последнее особенно важно. Атомы, как и молекулы, электрически нейтральны, а вот ионы и электроны имеют электрические заряды. Наличие электрических зарядов существенно меняет характер взаимодействия между частицами. Ведь нейтральные частицы взаимодействуют, грубо говоря, только при непосредственном столкновении, подобно упругим бильярдным шарам, так как потенциал поля сил взаимодействия нейтральных частиц быстро убывает на малых расстояниях между частицами, сменяясь на больших расстояниях слабым притяжением между ними (силы Ван-дер-Ваальса). Заряженные частицы создают вокруг себя протяженные электрические поля, значительно медленнее убывающие с расстоянием, а потому и

10