Перспективы в области изучение плазмы в школьном курсе.

Возможные пути для изучения плазмы.

Как я уже упоминал ранее, объём преподаваемого материала по теме «Плазма» крайне мал, даже по сравнению с тем же материалом за границей. Например, в Оксфордской школе есть небольшая исследовательская лаборатория по исследованию плазмы и её свойств, где учащиеся самостоятельно ставят опыты, занимаются моделированием по данной теме. В процессе изложения широко используются компьютерные технологии, хотя бы для того же контроля за процессами в ходе выполнения лабораторных исследований. К тому же некоторые школы США и Англии связаны с исследовательскими институтами и получают информацию от них.

Я считаю, что тема «Физика плазмы» изложенная более глубоко, в рамках спецкурса по физике, очень заинтересует учащихся, и станет полезной для освоения дальнейших тем курса, таких как «Физика атомного ядра» и последующего обучения в технических ВУЗах.

Предлагаемый ниже материал может быть использован как на уроках физики, так и при проведении специального факультативного курса. Эти материалы можно предложить учащимся после изучения тем «Движение частицы в электрическом и магнитном полях» и «Электрический ток в различных средах».

 

Материал для спецкурса по физике по теме «ПЛАЗМА»

ПОНЯТИЕ О ПЛАЗМЕ КАК О ЧЕТВЕРТОМ СОСТОЯНИИ ВЕЩЕСТВА

Плазмой называется квазинейтральный ионизованный газ, т.е. частично или полностью ионизованный газ, в котором объемные плотности положительных   и отрицательных  зарядов практически одинаковы по абсо­лютной величине:

 или .

В общем случае можно считать, что плазма представляет собой смесь трех компонентов: свободные электроны, положительные и отрицательные ионы и нейтральные атомы (или молекулы). Например, для водородной плазмы, состоящей из протонов, электронов и нейтронов, объемные плотности зарядов будут вычисляться следующим образом:

 

 и , где

 - заряд протона, - заряд электрона, N – количество протонов (электронов) в объёме V, n – концентрация положительных (отрицательных) зарядов. Представление о плазме, как о четвертом агрегатном состоянии вещества, можно сказать, как бы предвосхитили мыслители глубокой древности, которые считали, что мир состоит из четырех простых стихий: земли, воды, воздуха и огня (современная наука говорит о четырех состояниях вещества: твердом, жидком, газообразном и плазменном). Каждое состояние существует в определенном интервале температур. Например, при отрицательных (по Цельсию) температурах вода находится в твердом состоянии (лед), в интервале температур от 0 °С до 100 °С вода является жидкостью, выше 100 °С мы имеем водяной пар (газ), а при значительно более высоких температурах (10 000 °С и выше) атомы и молекулы нейтрального газа теряют часть своих электронов и становятся положительными ионами.

 

? Что такое плазма? Приведите примеры плазмы в природе.

? Расскажи о происхождении термина плазма. Что означает биологический термин плазма?

? Для чего нужно заниматься физикой плазмы?

 

СТЕПЕНЬ ИОНИЗАЦИИ ПЛАЗМЫ

Итак, при сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т.е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана ударной ионизацией заряженными частицами (например, при электрическом разряде в газе), взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация).

Как было уже сказано свыше, 90 % вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы, т.е. в виде ионизованного газа, в котором атомы и молекулы диссоциированы на положительные и отрицательные ионы и отрицательные электроны. Эта оценка, возможно, и не является точной, но она, конечно, вполне обоснована, если учесть тот факт, что звезды и их атмосфера, газовые туманности и значительная часть межзвездного газа представляют собой плазму. Что касается непосредственно нашей Земли, то мы сталкиваемся с плазмой, как только выходим за пределы земной атмосферы, - это радиационные пояса и солнечный ветер. Однако в повседневной жизни наши встречи с плазмой ограничиваются всего лишь несколькими примерами: вспышки молнии, мягкое свечение северного сияния, проводящий газ внутри флуоресцентной трубки пли неоновой рекламы и слабоионизованная плазма ракетных факелов. Причину этого можно понять с помощью уравнения Саха, которое позволяет вычислить степень ионизации газа, находящегося в тепловом равновесии.

Степенью ионизации плазмы называют отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы: .

В условиях теплового равновесия она определяется формулой Саха:

.       (2.1)

Здесь , и  - концентрация (число частиц в 1 м³) ионизованных и нейтральных атомов соответственно, Г-температура газа в К, k - постоянная Больцмана,  - энергия ионизации газа, т.е. энергия, необходимая для удаления электрона с внешней электронной оболочки атома. Обычно  выражается в процентах, тогда результат, полученный из формулы Саха, необходимо умножить на 100 %. В воздухе при нормальных условиях для азота  и  эВ

(см. задачу 2.1). Относительная ионизация ничтожно мала:

С ростом температуры степень ионизации остается низкой до тех пор, пока средняя кинетическая энергия молекул газа не станет всего лишь в несколько раз меньше энергии ионизации . После этого,  резко возрастает и газ переходит в плазменное состояние. При дальнейшем возрастании температуры концентрация нейтральных частиц становится меньше концентрации ионизованных атомов, и плазма, в конечном счете, оказывается полностью ионизованной. Именно поэтому полностью ионизованная плазма составляет астрономические тела температурой несколько миллионов градусов и отсутствует на Земле.

Термоионизация газа происходит в тех случаях, когда средняя кинетическая энергия молекул газа превышает энергию ионизации: , где

                                                   .                                    (2.2)

 

Нетрудно убедиться, что ионизация газа при тепловых соударениях молекул возможна лишь при очень высоких температурах . Вычисления показывают:

(положим  эВ), что .

В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную (  составляет доли процента), частично ионизованную (  около нескольких процентов) и полностью ионизированную (  близка к 100 %). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях является ионосфера Земли, тлеющий разряд. Во Вселенной слабоионизованная плазма - это солнечный ветер, атмосферы холодных звезд, холодные облака межзвездного газа. Горячие звезды, туманности, солнечная корона и некоторые межзвездные облака - это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре.

 

? Что называется степенью ионизации?

? При каком условии происходит термоионизация газа? Назовите порядок

температуры, при которой происходит термоионизация.

? Какое деление плазмы существует по степени ионизации? Приведите примеры.

 

Задачи для самостоятельного решения

 

2.1. Вычислите концентрацию идеального газа при следующих условиях: а) при температуре 0 °С и давлении 101 325 Па (эта величина называется числом Лошмидта); б) при комнатной температуре (20 °С) и давлении 10~3 мм рт. ст.

2.2. Концентрация электронов проводимости в германии при комнатной температуре 3 • 10¹⁹ м³. Какую часть составляет число электронов проводимости от общего числа атомов? Плотность германия 5400 кг / м³, молярная масса 0, 079 кг / моль.

2.3. Используя данные для воздушной среды, с помощью формулы Саха получите степень ионизации воздуха и сравните результат с предлагаемым значением.

2.4. Вычислите степень ионизации солнечного ветра, ионосферы Земли (слоя D), солнечной короны, используя необходимые величины из «Приложения».

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: