Разработка спецкурса для старших классов по физике плазмы
Введение понятия «плазма»
жүктеу/скачать 35.67 Kb.
|
| 1.1. Введение понятия «плазма».
Одно из важных условий обучения состоит в том, чтобы дать основы научных знаний о природе. Эти знания должны соответствовать динамично развивающимся научным взглядам, т.е. преподаватель должен иметь понятие и о новых физических теориях, и о перспективных с точки зрения применения областях науки, прежде всего о тех, которые становятся базой новой техники. Согласно проекту Стандарта образования требуется сформировать определенную систему знаний о веществе. Она включает в себя знания о строении и физических свойствах вещества в трех его состояниях: твердом, жидком и газообразном. Но существует еще и четвертое агрегатное состояние - плазма. Ведение понятия «плазма» лучше начать с истории его возникновения, и объяснения значения слова «плазма». Долгий путь вёл человека к познанию плазмы, к её использованию в различных отраслях техники. Когда же наука и техника включили плазму в сферу своего внимания, рост знаний о ней и её практическое применение пошли семимильными шагами. Тут и возникли плазмохимия и плазмохимическая технология. Ещё крупнейший древнегреческий учёный Аристотель предполагал, что все тела состоят из четырёх низших элементов-стихий: земли, воды, воздуха и огня. Дальнейшее развитие науки наполнило новым содержанием эти термины. Действительно вещество может быть в четырёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном. Человек познакомился с плазмой на заре своего существования, увидев молнию. Плазма окружает нашу Землю в виде ионосферы, обеспечивая устойчивую радиосвязь на Земле. Плазму представляют собой наше Солнце и все звезды (человек уже давно пытается воспроизвести Солнце на Земле в установках управляемого термоядерного синтеза). Наконец, плазма заполняет всю Вселенную в виде очень разреженного межпланетного газа. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной — звёзды, звёздные атмосферы, туманности галактические и межзвёздная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазме обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле. Термин плазма был введен физиологами в середине прошлого века для обозначения бесцветного жидкого компонента крови, молока или живых тканей. Кровь представляет собой красную непрозрачную жидкость, состоящую из плазмы (55 %) и взвешенных в ней клеток, форменных элементов (45 %) - эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. Плазма крови содержит 90-92 % воды и 8-10 % неорганических и органических веществ. Неорганические вещества составляют 0,9-1% (ионы К, Na, Mg, Са, Cl, P и др.). Остальное приходится на органические вещества плазмы: 6-8 % составляют белки (альбумины, глобулины, фибриноген). Около 2 % приходится на них комолекулярные органические вещества (глюкоза, аминокислоты, мочевина, мочевая кислота, липиды, креатин). Водный раствор, который по концентрации солей соответствует плазме крови, называют физиологическим раствором. В 1923 г. американские физики И.Ленгмюр и Л.Тонкс назвали плазмой особое состояние ионизованного газа. Физиков плазма сначала интересовала как своеобразный проводник электрического тока, а также как источник света. В настоящее время мы рассматриваем физические свойства плазмы под другим углом зрения - и плазма предстает перед нами в новом облике. Во-первых, это естественное состояние вещества, нагретого до очень высокой температуры, во-вторых, это динамическая система - объект приложения электромагнитных сил. Новые подходы к изучению поведения плазмы органически связаны с большими техническими проблемами, для которых физика служит научным фундаментом. Важнейшие из них - это управляемый термоядерный синтез и магнитогидродинамическое преобразование внутренней энергии в электрическую. Плазма (греч. plasma) – оформленное. При очень низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии. Нагревание вызывает переход вещества из твёрдое в жидкое, а затем и в газообразное…. Для более быстрого и ёмкого восприятия темы процесс возникновения плазмы можно показать на достаточно простом опыте (процесс нагревания): Пусть в замкнутом сосуде, сделанном из очень тугоплавкого материала, находиться небольшое количество какого-либо вещества. Начнём подогревать сосуд, постепенно повышая его температуру. Если первоначально вещество, содержащееся в сосуде, было в твёрдом состоянии, то в некоторый момент оно начнёт плавиться, а при ещё более высокой температуре испариться и образовавшийся газ равномерно заполнит весь объём. Когда температура достигнет достаточно высокого уровня, все молекулы газа (если это молекулярный газ) диссоциируют, т.е. распадутся на отдельные атомы. В результате в сосуде будет содержаться газообразная смесь элементов, из которых состоит вещество. Атомы этих элементов будут быстро и беспорядочно двигаться, испытывая время от времени столкновения между собой. Естественно, возникает вопрос: как будут изменяться свойства вещества, если нагревание продолжиться дальше и температура выйдет за пределы нескольких тысяч градусов? Конечно, при очень высокой температуре, изображаемую нами картину нагревания вещества в тугоплавком сосуде можно представить только теоретически, т.к. предел термической стойкости даже самых тугоплавких материалов сравнительно невелик – 3 000 – 4 000 градусов. Допустим, что стенки сосуда способны противостоять сколь угодно высокой температуре, не разрушаясь и не испытывая никаких изменений. Итак, нагревание продолжается. В таком случае уже при 3 000 – 5 000 градусов мы сможем заметить признаки проявления новых процессов, которые будут связаны с изменением свойств самих атомов вещества. Как известно, каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и электронов, вращающихся вокруг ядра и образующих электронную оболочку атома. Эта оболочка и в особенности её внешний слой, содержащий электроны, сравнительно слабо связанные с ядром, обладают довольно хрупкой структурой. При столкновении атома с какой-либо быстро движущейся частицей один из внешних электронов может быть оторван от атома, который превратиться в положительно заряженный ион. Именно этот процесс ионизации и будет наиболее характерен для рассматриваемой стадии нагревания вещества. При достаточно высокой температуре газ перестаёт быть нейтральным: в нём появляются положительные ионы и свободные электроны, оторванные от атомов. В условиях, когда нагретое вещество находиться в тепловом равновесии с окружающей средой (в нашем случае со стенками воображаемого идеального сосуда) при температуре в несколько десятков тысяч градусов, подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована, и нейтральные атомы практически отсутствуют. Например, при T= 30 000 градусов на 20 000 положительных ионов приходиться всего лишь один нейтральный атом. Электронная оболочка атома водорода содержит только один электрон, и поэтому с потерей атома ионизация заканчивается. В атомах других элементов электронная оболочка имеет более сложную структуру. В её состав входят электроны, обладающие разной степенью связи с атомом в целом. Электроны, принадлежащие к внешним слоям оболочки, отрываются сравнительно легко. Как уже говорилось выше, при температуре порядка 20 000 – 30 000 градусов почти не должно оставаться примесей нейтральных атомов. Это означает, что можно говорить о полной ионизации газа. Однако это не означает, что процесс ионизации закончился, т.к. положительные ионы в упомянутой области температур сохраняют значительную часть своего «электронного одеяния». Чем больше порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева, тем больше число электронов в атоме и тем прочнее связаны электроны внутренних слоёв оболочки с атомным ядром. Поэтому окончательная ионизация тяжёлых элементов только при очень высоких температурах (десятки миллионов градусов). При этом газ остаётся в целом нейтральным, т.к. процессы ионизации не создают избытка в зарядах того или иного знака. Таким образом, при достаточно больших температурах происходит ионизация газа за счёт столкновения быстродвижущихся атомов или молекул. Далее можно ввести словесное определение понятия «плазма»: Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают, т. е. в целом плазма является электрически нейтральной системой. Почти все вещества при постепенном повышении их температуры от абсолютного нуля проходят последовательно следующие состояния: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. И нередко у учащихся складывается ошибочное представление о плазме, как о состоянии вещества при очень высоких температурах, т.е. температурах, при которых происходит термическая диссоциация атомов или молекул газа. Именно этот недостаток следует преодолеть, знакомя учащихся с понятием плазмы. Так, наряду с нагреванием ионизация газа и образование плазмы могут быть вызваны разного рода излучениями или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными частицами. При этом возникает так называемая низкотемпературная плазма. Теперь, когда введено общее понятие плазмы можно провести небольшой устный опрос – дискуссию, о том, кто как понял, что такое плазма, как можно получить высоко и низкотемпературную плазму и где она встречается в природе (например, молния). При помощи такого приёма учащиеся лучше воспримут данный им ранее материал, и немного отдохнут для последующего объяснения. жүктеу/скачать 35.67 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|