Четвертий агрегатний стан речовини і його особливості

Що таке четвертий стан речовини, чим він відрізняється від трьох інших і як змусити його служити людині.

Півтори сотні років тому майже всі хіміки і багато фізиків вважали, що матерія складається лише з атомів і молекул, які об’єднуються в більш-менш впорядковані або ж зовсім невпорядковані комбінації. Мало хто сумнівався, що всі або майже всі речовини здатні існувати в трьох різних фазах – твердій, рідкій і газоподібній, які вони приймають в залежності від зовнішніх умов. Але гіпотези про можливість інших станів речовини вже висловлювалися.

Цю універсальну модель підтверджували і наукові спостереження, і тисячоліття досвіду повсякденного життя. Зрештою, кожен знає, що вода при охолодженні перетворюється на лід, а при нагріванні закипає і випаровується. Свинець і залізо теж можна перевести і в рідину, і в газ, їх треба лише нагріти сильніше. З кінця XVIII століття дослідники заморожували гази в рідини, і це виглядало цілком правдоподібним, що будь-який скраплений газ в принципі можна змусити затвердіти. Загалом, проста і зрозуміла картина трьох станів речовини начебто не вимагала ні поправок, ні доповнень.

Вчені того часу дуже здивувалися б, дізнавшись, що твердий, рідкий і газоподібний стан атомно-молекулярних речовини зберігаються лише при відносно низьких температурах, що не перевищують 10000 °, та й в цій зоні не вичерпують всіх можливих структур (приклад – рідкі кристали). Нелегко було б і повірити, що на їх частку доводиться не більше 0,01% від загальної маси нинішньому Всесвіті. Зараз ми знаємо, що матерія реалізує себе в безлічі екзотичних форм. Деякі з них (наприклад, вироджених електронний газ і нейтронна речовина) існують лише всередині надщільних космічних тіл (білих карликів і нейтронних зірок), а деякі (такі як кварк-глюонна рідина) народилися і зникли в коротку мить незабаром після Великого вибуху. Однак цікаво, що припущення про існування першого з станів, який виходять за рамки класичної тріади, було висловлено в тому ж ХIХ столітті, причому в самому його початку. У предмет наукового дослідження воно перетворилося значно пізніше, в 1920-х. Тоді ж і отримало свою назву – плазма.

У другій половині 70-х років XIX століття член Лондонського королівського товариства Вільям Крукс, вельми успішний метеоролог і хімік (він відкрив талій і надзвичайно точно визначив його атомну вагу), зацікавився газовими розрядами у вакуумних трубках. На той час було відомо, що негативний електрод випускає еманацію невідомої природи, яку німецький фізик Ойген Голдштейн в 1876 році назвав катодними променями. Після безлічі дослідів Крукс вирішив, що ці промені є не що інше, як частки газу, які після зіткнення з катодом отримали негативний заряд і стали рухатися в напрямку анода. Ці заряджені частинки він назвав «променистою матерією», radiant matter.

Слід визнати, що в такому поясненні природи катодних променів Крукс не оригінальний. Ще в 1871 році подібну гіпотезу висловив великий британський інженер-електротехнік Кромвелл Флітвуд Варлі, один з керівників робіт з прокладання першого трансатлантичного телеграфного кабелю. Однак результати експериментів з катодними променями привели Крукса до висновку: середовище, в якому вони поширюються, – це вже не газ, а щось зовсім інше. 22 серпня 1879 на сесії Британської асоціації в підтримку науки Крукс заявив, що розряди в розріджених газах «так несхожі на все, що відбувається в повітрі або в будь-якому газі при нормальному тиску, що в цьому випадку ми маємо справу з речовиною в четвертому стані, який за властивостями відрізняється від звичайного газу в такій же мірі, що і газ від рідини ».

Нерідко пишуть, що саме Крукс першим додумався до четвертого стану речовини. Насправді ця думка набагато раніше осінила Майкла Фарадея. У 1819 році, за 60 років до Крукса, Фарадей припустив, що речовина може перебувати в твердому, рідкому, газоподібному і променистому станах, radiant state of matter . У своїй доповіді Крукс прямо сказав, що користується термінами, запозиченими у Фарадея, але нащадки про це чомусь забули. Однак фарадеївська ідея була все-таки гіпотезою, а Крукс обґрунтував її експериментальними даними.

Катодні промені інтенсивно вивчали і після Крукса. У 1895 році ці експерименти привели Вільяма Рентген до відкриття нового виду електромагнітного випромінювання, а на початку ХХ століття обернулися винаходом перших радіоламп. Але круксівська гіпотеза четвертого стану речовини не викликала інтересу у фізиків – швидше за все тому, що в 1897 році Джозеф Джон Томсон довів, що катодні промені являють собою не заряджені атоми газу, а дуже легкі частинки, які він назвав електронами. Це відкриття, здавалося, зробило гіпотезу Крукса непотрібною.

Однак вона відродилася, як фенікс із попелу. У другій половині 1920-х майбутній нобелівський лауреат з хімії Ірвінг Ленгмюр, який працював в лабораторії корпорації General Electric, впритул зайнявся дослідженням газових розрядів. Тоді вже знали, що в просторі між анодом і катодом атоми газу втрачають електрони і перетворюються в позитивно заряджені іони. Усвідомивши, що подібний газ має безліч особливих властивостей, Ленгмюр вирішив наділити його власним ім’ям. З якоїсь дивної асоціації він вибрав слово «плазма», яке до цього використовували лише в мінералогії (це ще одна назва зеленого халцедону) і в біології (рідка основа крові, а також молочна сироватка). У своїй новій якості термін «плазма» вперше з’явився в статті Ленгмюра «Коливання в іонізованих газах», опублікованій в 1928 році. Років тридцять цим терміном мало хто користувався, але потім він міцно увійшов в науковий обіг.

Класична плазма – це іонно-електронний газ, можливо, розбавлений нейтральними частинками (строго кажучи, там завжди присутні фотони, але при помірних температурах їх можна не враховувати). Якщо ступінь іонізації не дуже малий (як правило, цілком достатньо одного відсотка), цей газ демонструє безліч специфічних якостей, якими не володіють звичайні гази. Втім, можна виготовити плазму, в якій вільних електронів не буде зовсім, а їх обов’язки візьмуть на себе негативні іони.

Для простоти розглянемо лише електронно-іонну плазму. Її частинки притягуються або відштовхуються відповідно до закону Кулона, причому ця взаємодія проявляється на великих відстанях. Саме цим вони відрізняються від атомів і молекул нейтрального газу, які відчувають один одного лише на дуже малих дистанціях. Оскільки плазмові частки перебувають у вільному польоті, вони легко зміщуються під дією електричних сил. Для того щоб плазма перебувала в стані рівноваги, необхідно, щоб просторові заряди електронів та іонів повністю компенсували один одного. Якщо ця умова не виконується, в плазмі виникаєють електричні струми, які відновлюють рівновагу (наприклад, якщо в якійсь області утворюється надлишок позитивних іонів, туди миттєво кинуться електрони). Тому в рівноважної плазмі щільності частинок різних знаків практично однакові. Це найважливіша властивість називається квазінейтральності.

Практично завжди атоми або молекули звичайного газу беруть участь тільки в парних взаємодіях – стикаються один з одним і розлітаються в сторони. Інша річ плазма. Оскільки її частинки пов’язані дальнодіючими кулонівськими силами, кожна з них знаходиться в полі ближніх і далеких сусідів. Це означає, що взаємодія між частинками плазми трохи парна, а множинна – як кажуть фізики, колективна. Звідси випливає стандартне визначення плазми – квазінейтральна система великого числа різнойменних заряджених частинок, що демонструють колективну поведінку.

Плазма відрізняється від нейтрального газу і реакцією на зовнішні електричні і магнітні поля (звичайний газ їх практично не помічає). Частинки плазми, навпаки, відчувають слабкі поля і негайно починають рухатися, породжуючи об’ємні заряди і електричні струми. Ще одна найважливіша особливість рівноважної плазми – екранування заряду. Візьмемо частку плазми, скажімо, позитивний іон. Він притягує електрони, які формують хмару негативного заряду. Поле такого іона поводиться відповідно до закону Кулона лише в його околиці, а на відстанях, що перевищують певну критичну величину, дуже швидко наближається до нуля. Цей параметр називається дебаєвським радіусом екранування – на честь голландського фізика Пітера Дебая, який описав цей механізм в 1923 році.

Легко зрозуміти, що плазма зберігає квазінейтральність, лише якщо її лінійні розміри по всіх вимірах сильно перевищують дебаєвский радіус. Варто зазначити, що цей параметр зростає при нагріванні плазми і падає в міру збільшення її щільності. У плазмі газових розрядів по порядку величини він дорівнює 0,1 мм, в земній іоносфері – 1 мм, в сонячному ядрі – 0,01 нм.

В наші дні плазму використовує дуже багато технологій. Одні з них відомі кожному (газорозрядні лампи, плазмові дисплеї), інші представляють інтерес для вузьких фахівців (виробництво надміцних захисних плівкових покриттів, виготовлення мікрочіпів, дезінфекція). Однак найбільші надії на плазму покладають в зв’язку з роботами по здійсненню керованих термоядерних реакцій. Це і зрозуміло. Щоб ядра водню злилися в ядра гелію, їх треба зблизити на відстань близько однієї стомільярдної частки сантиметра – а там уже запрацюють ядерні сили. Таке зближення можливе лише при температурах в десятки і сотні мільйонів градусів – в цьому випадку кінетичної енергії позитивно заряджених ядер вистачить для подолання електростатичного відштовхування.

Правда, плазма на основі звичайного водню тут не допоможе. Такі реакції відбуваються в надрах зірок, але для земної енергетики вони не приносять користі, оскільки занадто мала інтенсивність енерговиділення. Найкраще використовувати плазму з суміші важких ізотопів водню дейтерію і тритію в пропорції 1: 1 (чисто дейтерієва плазма теж прийнятна, хоча дасть менше енергії і потребує більш високих температур для підпалу).

Однак для запуску реакції одного нагріву замало. По-перше, плазма повинна бути досить щільною; по-друге, щоб потрапили в зону реакції частки не повинні залишати її занадто швидко – інакше втрата енергії перевищить її виділення. Ці вимоги можна представити у вигляді критерію, який в 1955 році запропонував англійський фізик Джон Лоусон. Відповідно до цієї формули добуток щільності плазми на середній час утримання часток має бути вище деякої величини, яка визначається температурою, складом термоядерного палива і очікуваним коефіцієнтом корисної дії реактора.

Легко побачити, що існують два шляхи виконання критерію Лоусона. Можна скоротити час утримання до наносекунд за рахунок стиснення плазми, скажімо, до 100-200 г / см ³ (оскільки плазма при цьому не встигає розлетітися, цей метод утримання називають інерційним). Фізики відпрацьовують цю стратегію з середини 1960-х років; зараз її найбільш досконалою версією займається Ліверморская національна лабораторія. Там проводять експерименти по компресії мініатюрних капсул з берилію (діаметр 1,8 мм), заповнених дейтериево-тритієвою сумішшю, за допомогою 192 ультрафіолетових лазерних пучків. Керівники проекту вважають, що вони зможуть не тільки підпалити термоядерну реакцію, а й отримати позитивний вихід енергії.  Однак навіть якщо експерименти в Ліверморі повністю виправдають покладені на них очікування, дистанція до створення справжнього термоядерного реактора з інерційним утриманням плазми все одно залишиться дуже великим. Справа в тому, що для створення прототипу електростанції необхідна дуже скорострільна система надпотужних лазерів. Вона повинна забезпечити таку частоту спалахів, щоб запалювати дейтерієво-тритієві мішені, яка в тисячі разів перевищить можливості Ліверморської системи, яка робить не більше 5-10 пострілів в секунду. Зараз активно обговорюються різні можливості створення таких лазерних гармат, але до їх практичної реалізації ще дуже далеко.

Альтернативно можна працювати з розрідженою плазмою (щільністю в нанограми на кубічний сантиметр), утримуючи її в зоні реакції не менше декількох секунд. У таких експериментах ось уже понад півстоліття застосовують різні магнітні пастки, які утримують плазму в заданому обсязі за рахунок накладення декількох магнітних полів. Найперспективнішими вважають токамаки – замкнуті магнітні пастки в формі тора, вперше запропоновані А. Д. Сахаровим та І. Е. Таммом в 1950 році. В даний час в різних країнах працює з дюжину таких установок, найбільші з яких дозволили наблизитися до виконання критерію Лоусона. Міжнародний експериментальний термоядерний реактор, знаменитий ITER, який будують в селищі Кадараш неподалік від французького міста Екс-ан-Прованс, – теж токамак. Якщо все піде за планом,

«За останні два десятки років ми домоглися величезного прогресу в розумінні процесів, які відбуваються всередині магнітних плазмових пасток, зокрема – токамаків. В цілому ми вже знаємо, як рухаються частинки плазми, як виникають нестійкі стану плазмових потоків і до якої міри збільшувати тиск плазми, щоб її все-таки можна було утримати магнітним полем. Були також створені нові високоточні методи плазмової діагностики, тобто вимірювання різних параметрів плазми, – розповів професор ядерної фізики і ядерних технологій Массачусетського технологічного інституту Йен Хатчінсон, який понад 30 років займається токамака. – До теперішнього часу в найбільших токамаках досягнуті потужності виділення теплової енергії в дейтерієво-тритієвій плазмі близько 10 мегават протягом однієї-двох секунд. ITER перевершить ці показники на пару порядків. Якщо ми не помиляємося в розрахунках, він зможе видавати не менше 500 мегават протягом декількох хвилин. Якщо вже зовсім пощастить, енергія буде генеруватися взагалі без обмеження часу, в стабільному режимі ».

Хвилі в плазмі

Колективний характер внутрішньоплазмових явищ призводить до того, що це середовище набагато більш схильне до збудження різних хвиль, ніж нейтральний газ. Найпростіші з них вивчали ще Ленгмюр з його колегою Леві Тонкс (більш того, аналіз цих коливань сильно зміцнив Ленгмюра в думки, що він має справу з новим станом речовини). Нехай в якійсь ділянці рівноважної плазми трохи змінилася електронна щільність – інакше кажучи, група сусідніх електронів зрушила з колишнього положення. Тут же виникнуть електричні сили, які повертають електрони в початкову позицію, яку ті за інерцією трохи проскочать. В результаті з’явиться осередок коливань, які стануть поширюватися по плазмі у вигляді поздовжніх хвиль (в дуже холодній плазмі вони можуть бути і стоячими). Ці хвилі так і називаються – ленгмюровськими.

Відкриті Ленгмюром коливання накладають обмеження на частоту електромагнітних хвиль, які можуть проходити через плазму. Вона повинна перевищувати ленгмюровську частоту, в іншому випадку електромагнітна хвиля загасне в плазмі або ж відіб’ється, як світло від дзеркала. Це і відбувається з радіохвилями з довжиною хвилі понад приблизно 20 м, які не проходять крізь земну іоносферу.

У намагніченій плазмі можуть народжуватися і поперечні хвилі. Вперше їх існування в 1942 році передбачив шведський астрофізик Ханнес Альфвен (в експерименті їх виявили 17 роками пізніше). Альфвенівські хвилі поширюються уздовж силових ліній зовнішнього магнітного поля, які вібрують, як натягнуті струни (плазмові частки, іони і електрони, зміщуються перпендикулярно цим лінім). Цікаво, що швидкість таких хвиль визначається тільки щільністю плазми і напруженістю магнітного поля, однак не залежить від частоти. Хвилі Альфвена виконують чималу роль в космічних плазмових процесах – вважається, наприклад, що саме вони забезпечують аномальний нагрів сонячної корони, яка в сотні разів гарячої сонячної атмосфери. Те саме і свистячі атмосферики, хвильові хвости грозових розрядів, які створюють радіоперешкоди.

Професор Хатчінсон також підкреслив, що вчені зараз добре розуміють характер процесів, які мають відбуватися всередині цього величезного токамака: «Ми навіть знаємо умови, при яких плазма пригнічує свої власні турбулентності, а це дуже важливо для управління роботою реактора. Звичайно, необхідно вирішити безліч технічних завдань – зокрема, завершити розробку матеріалів для внутрішнього облицювання камери, здатних витримати інтенсивне нейтронне бомбардування. Але з точки зору фізики плазми картина досить ясна – у всякому разі ми так вважаємо. ITER повинен підтвердити, що ми не помиляємося. Якщо все так і буде, настане черга і токамака наступного покоління, який стане прототипом промислових термоядерних реакторів. Але зараз про це говорити ще рано.

Плазмові чудеса

Де тільки не використовується плазма в фантастичних романах – від зброї і двигунів до плазмових форм життя. Реальні професії плазми, втім, виглядають не менш фантастично.

Плазмова зброя – найбільш часте застосування плазми в фантастиці. Цивільні застосування значно скромніше: зазвичай мова йде про плазмові двигуни. Такі двигуни існують і в реальності. Тим часом інші можливості використання плазми, про які нам розповів глава філадельфійского Дрексельського інституту плазми Олександр Фрідман, в звичайному житті виглядають не менш, а то і більше фантастично.

Використання плазми дозволяє вирішувати завдання, які ще не так давно рішенням не піддавалися. Візьмемо, наприклад, переробку вугілля або біомаси в горючий газ, багатий воднем. Німецькі хіміки навчилися цьому ще в середині 30-х років минулого століття, що дозволило Німеччині під час Другої світової війни створити потужну індустрію з випуску синтетичного пального. Однак це надзвичайно затратна технологія, і в мирний час вона неконкурентоспроможна.

За словами Олександра Фрідмана, в даний час вже створені установки для генерації потужних розрядів холодної плазми, в якій температура іонів не перевищує сотень градусів. Вони дають можливість дешево і ефективно отримувати з вугілля та біомаси водень для синтетичного пального або ж заправки паливних елементів. Причому установки ці досить компактні, щоб їх можна було розмістити на автомобілі (на стоянці, наприклад, для роботи кондиціонера не потрібно буде включати двигун – енергію дадуть паливні елементи). Відмінно працюють і напівпромислові пілотні установки для переробки вугілля в синтез-газ з допомогою холодної плазми.

«У згаданих процесах вуглець рано чи пізно окислюється до двоокису і моноокисів, – продовжує професор Фрідман. – А ось коні отримують енергію, переробляючи овес і сіно в гній і виділяючи лише невелика кількість вуглекислого газу. В їх травній системі вуглець окислюється в неповному обсязі, а лише до субоксидів, в основному до С ₃ О ₂. Ці речовини лежать в основі полімерів, з яких складається гній. Звичайно, в цьому процесі виділяється приблизно на 20% менше хімічної енергії, ніж при повному окисленні, але зате практично відсутні парникові гази. У нашому інституті ми зробили експериментальну установку, яка за допомогою холодної плазми якраз і здатна переробляти бензин в такий ось продукт. Це настільки вразило великого шанувальника автомобілів – принца Монако Альберта II, що він замовив нам автомобіль з такою силовою установкою. Правда, поки тільки іграшковий, якому до того ж потрібно додаткове живлення – батарейки для конвертера. Така машинка буде їздити, викидаючи щось на зразок сухого посліду. Правда, для роботи конвертера потрібна батарейка, яка сама по собі ганяла б іграшку трохи швидше, але ж, як то кажуть, добрий початок.

Одне з надзвичайно перспективних застосувань холодної плазми – в медицині. Давно відомо, що холодна плазма породжує сильні окислювачі і тому відмінно підходить для дезінфекції. Але для її отримання потрібні напруги в десятки кіловольт, з ними лізти в людський організм небезпечно. Однак, якщо ці потенціали генерують струми невеликої сили, ніякої шкоди не буде. «Ми навчилися отримувати в холодній плазмі дуже слабкі однорідні розрядні струми під напругою в 40 кіловольт, – говорить професор Фрідман.- Виявилося, що така плазма швидко загоює рани і навіть виразки. Зараз цей ефект вивчається десятками медичних центрів в різних країнах. Вже з’ясувалося, що холодна плазма може перетворитися на знаряддя боротьби з онкологічними захворюваннями – зокрема, з пухлинами шкіри і мозку. Звичайно, поки досліди проводяться виключно на тваринах, але в Німеччині і Росії вже отримано дозвіл на клінічні випробування нового методу лікування, а в Голландії роблять дуже цікаві експерименти по плазмовому лікування запалення ясен. Крім того, близько року тому ми змогли запалити холодний розряд прямо в шлунку живої миші! При цьому з’ясувалося, що він добре працює для лікування однієї з найважчих патологій травного тракту – хвороби Крона. Так що зараз на наших очах народжується плазмова медицина – абсолютно новий медичний напрямок ».