Una misma sustancia en la naturaleza tiene la capacidad de variar radicalmente sus propiedades en función de la temperatura y la presión. Un ejemplo perfecto Esto se puede hacer con agua, que existe en la forma. hielo duro, líquidos y vapor. Estos son tres estados agregados de una sustancia dada, que tiene fórmula química H 2 O. Otras sustancias en condiciones naturales son capaces de cambiar sus características de forma similar. Pero además de las enumeradas, hay otras cosas en la naturaleza. estado de agregación- plasma. Esto es bastante raro en condiciones terrestres dotado de cualidades especiales.
Estructura molecular
¿De qué dependen los 4 estados de la materia en los que reside la materia? De la interacción de los elementos del átomo y las propias moléculas, dotadas de propiedades de repulsión y atracción mutuas. Estas fuerzas son autocompensantes en el estado sólido, donde los átomos están dispuestos geométricamente correctamente, formando red cristalina. Al mismo tiempo, el objeto material es capaz de mantener ambos aspectos antes mencionados. características de calidad: volumen y forma.
Pero vale la pena energía cinética Las moléculas aumentarán, moviéndose caóticamente, destruirán. orden establecido convirtiéndose en líquido. Tienen fluidez y se caracterizan por la ausencia de parámetros geométricos. Pero al mismo tiempo, esta sustancia conserva su capacidad de no cambiar. volumen total. En estado gaseoso Atracción mútua entre moléculas está completamente ausente, por lo que el gas no tiene forma y tiene la posibilidad de expansión ilimitada. Pero la concentración de la sustancia cae significativamente. Las moléculas mismas no cambian en condiciones normales. Ésta es la característica principal de los primeros 3 de los 4 estados de la materia.
Transformación de estados
Proceso de transformación sólido en otras formas es posible realizar aumentando gradualmente la temperatura y variando la presión. En este caso, las transiciones se producirán abruptamente: la distancia entre las moléculas aumentará notablemente, los enlaces intermoleculares se destruirán con un cambio en la densidad, la entropía y la cantidad. energía gratis. También es posible que un sólido se transforme directamente en forma gaseosa, sin pasar por etapas intermedias. Se llama sublimación. Un proceso similar es bastante posible en condiciones terrestres normales.
Pero cuando los indicadores de temperatura y presión alcanzan nivel crítico, la energía interna de la sustancia aumenta tanto que los electrones, moviéndose a una velocidad vertiginosa, abandonan sus órbitas intraatómicas. En este caso, se forman partículas positivas y negativas, pero su densidad en la estructura resultante sigue siendo casi la misma. Así surge el plasma, un estado de agregación de una sustancia que es, de hecho, un gas, total o parcialmente ionizado, cuyos elementos están dotados de la capacidad de interactuar entre sí a largas distancias.
Plasma espacial de alta temperatura
El plasma, por regla general, es una sustancia neutra, aunque consta de partículas cargadas, porque los elementos positivos y negativos que contiene, siendo aproximadamente iguales en cantidad, se compensan entre sí. Este estado de agregación en condiciones terrestres normales es menos común que otros mencionados anteriormente. Pero a pesar de esto, la mayoría de los cuerpos cósmicos están compuestos de plasma natural.
Un ejemplo de esto es el Sol y otras numerosas estrellas del Universo. Las temperaturas allí son increíblemente altas. Al fin y al cabo, en la superficie del cuerpo principal de nuestro sistema planetario alcanzan los 5.500°C. Esto es más de cincuenta veces mayor que los parámetros necesarios para que el agua hierva. En el centro de la bola que escupe fuego, la temperatura es de 15.000.000°C. No es de extrañar que allí se ionicen gases (principalmente hidrógeno), alcanzando el estado agregado de plasma.
Plasma de baja temperatura en la naturaleza.
El medio interestelar que llena el espacio galáctico también está formado por plasma. Pero difiere de su variedad de alta temperatura descrita anteriormente. Esta sustancia está formada por materia ionizada resultante de la radiación emitida por las estrellas. Este es plasma de baja temperatura. De la misma forma, los rayos del sol, al alcanzar los límites de la Tierra, crean la ionosfera y el cinturón de radiación, formado por plasma, situado encima de ella. Las diferencias están únicamente en la composición de la sustancia. Aunque todos los elementos presentados en la tabla periódica pueden encontrarse en un estado similar.
Plasma en el laboratorio y su aplicación.
Según las leyes, esto se puede lograr fácilmente en las condiciones que conocemos. Al realizar experimentos de laboratorio, basta con un condensador, un diodo y una resistencia conectados en serie. Un circuito de este tipo está conectado a una fuente de corriente durante un segundo. Y si toca una superficie metálica con cables, sus partículas, así como las moléculas de vapor y aire ubicadas cerca, se ionizan y se encuentran en el estado agregado de plasma. Se utilizan propiedades similares de la materia para crear pantallas y máquinas de soldar de xenón y neón.
Plasma y fenómenos naturales.
En condiciones naturales, el plasma se puede observar a la luz de la aurora boreal y durante una tormenta en forma de relámpagos. explicación a algunos fenomenos naturales, al que anteriormente se le atribuían propiedades místicas, ahora le ha dado física moderna. El plasma, que se forma y brilla en los extremos de objetos altos y puntiagudos (mástiles, torres, árboles enormes) en un estado especial de la atmósfera, era considerado hace siglos por los marineros como un presagio de buena suerte. Es por eso que este fenómeno llamado "Fuego de San Telmo".
Al ver una descarga de corona en forma de pinceles o rayos luminosos durante una tormenta, los viajeros lo tomaron como un buen augurio y se dieron cuenta de que habían evitado el peligro. No es de extrañar, porque los objetos que se elevan sobre el agua, adecuados para "signos de un santo", podrían indicar el acercamiento de un barco a la orilla o profetizar un encuentro con otros barcos.
Plasma en desequilibrio
Los ejemplos dados anteriormente demuestran elocuentemente que no es necesario calentar una sustancia a temperaturas fantásticas para alcanzar el estado de plasma. Para la ionización basta con usar fuerza. campo electromagnetico. Al mismo tiempo, los elementos pesados de la materia (iones) no adquieren una energía significativa, porque la temperatura durante este proceso puede no exceder varias decenas de grados Celsius. En tales condiciones, los electrones ligeros, al separarse del átomo principal, se mueven mucho más rápido que las partículas más inertes.
Este plasma frío se llama desequilibrio. Excepto televisores de plasma y lámparas de neón, también se utiliza en la purificación de agua y alimentos, y se utiliza para la desinfección con fines médicos. Además, el plasma frío puede ayudar a acelerar las reacciones químicas.
Principios de uso
Un excelente ejemplo de cómo se utiliza el plasma creado artificialmente en beneficio de la humanidad es la fabricación de monitores de plasma. Las células de dicha pantalla están dotadas de la capacidad de emitir luz. El panel es una especie de "sándwich" de láminas de vidrio ubicadas una cerca de la otra. Entre ellos se colocan cajas con una mezcla de gases inertes. Pueden ser neón, xenón, argón. Y en superficie interior Se aplican fósforos azules, verdes y rojos a las células.
Fuera de las celdas se conectan electrodos conductores, entre los cuales se crea un voltaje. Como resultado, surge un campo eléctrico y, como resultado, las moléculas de gas se ionizan. El plasma resultante emite rayos ultravioleta, absorbido por fósforos. Debido a esto, se produce el fenómeno de la fluorescencia a través de los fotones emitidos. Debido a conexión compleja rayos en el espacio aparece una imagen brillante de una amplia variedad de tonos.
Horrores de plasma
Esta forma de materia adquiere una apariencia mortal durante Explosión nuclear. Plasma en grandes volúmenes se forma durante este proceso incontrolado con la liberación cantidad inmensa varios tipos de energía. resultante de la activación del detonador, estalla y se calienta a temperaturas gigantescas en los primeros segundos aire ambiente. En ese momento aparece una mortal bola de fuego que crece a una velocidad impresionante. El área visible de la esfera brillante aumenta con el aire ionizado. Los coágulos, bocanadas y chorros de plasma de la explosión forman una onda de choque.
Al principio, la bola luminosa, avanzando, absorbe instantáneamente todo a su paso. No sólo los huesos y tejidos humanos se convierten en polvo, sino también las rocas sólidas, e incluso las estructuras y objetos artificiales más duraderos son destruidos. Las puertas blindadas de los refugios seguros no te salvan; los tanques y otros equipos militares son aplastados.
El plasma en sus propiedades se parece al gas en que no tiene ciertas formas y volumen, como resultado de esto es capaz de expandirse ilimitadamente. Por esta razón, muchos físicos opinan que no debe considerarse un estado agregado separado. Sin embargo, sus diferencias significativas con respecto al gas caliente son obvias. Estos incluyen: la oportunidad de realizar Corrientes eléctricas y susceptibilidad a campos magnéticos, inestabilidad y capacidad partículas compuestas tienen diferentes velocidades y temperaturas, mientras interactúan colectivamente entre sí.
un gas parcial o totalmente ionizado formado a partir de átomos (o moléculas) neutros y partículas cargadas (iones y electrones). La característica más importante del plasma es su cuasineutralidad, lo que significa que las densidades de volumen de las partículas con carga positiva y negativa a partir de las cuales se forma son casi las mismas. Un gas pasa a un estado de plasma si algunos de sus átomos (moléculas) constituyentes por alguna razón han perdido uno o más electrones, es decir, convertido en iones positivos. En algunos casos, en el plasma como resultado de la "unión" de electrones a átomos neutros, iones negativos. Si no quedan partículas neutras en el gas, se dice que el plasma está completamente ionizado.
No existe un límite definido entre el gas y el plasma. Cualquier sustancia que inicialmente se encuentra en estado sólido comienza a fundirse a medida que aumenta la temperatura y, con un calentamiento adicional, se evapora, es decir. se convierte en gas. Si se trata de un gas molecular (por ejemplo, hidrógeno o nitrógeno), con el posterior aumento de temperatura las moléculas del gas se desintegran en átomos individuales (disociación). A una temperatura aún más alta, el gas se ioniza, aparecen en él iones positivos y electrones libres. Los electrones e iones que se mueven libremente pueden transportar corriente eléctrica, por lo que una definición de plasma es que el plasma es un gas conductor. Calentar una sustancia no es la única forma obtención de plasma.
El plasma es el cuarto estado de la materia, obedece leyes de los gases y en muchos aspectos se comporta como un gas. Al mismo tiempo, el comportamiento del plasma en varios casos, especialmente cuando se expone a campos eléctricos y magnéticos, resulta tan inusual que a menudo se lo denomina un nuevo cuarto estado de la materia. En 1879, el físico inglés W. Crookes, que estudió descarga eléctrica en tubos con aire enrarecido, escribió: “Los fenómenos en los tubos al vacío se abren para ciencia física un nuevo mundo en el que la materia pueda existir en un cuarto estado". Los filósofos antiguos creían que la base del universo se compone de cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. . EN en cierto sentido esto corresponde a la división actualmente aceptada en estados agregados de la materia, y el cuarto elemento, el fuego, corresponde, obviamente, al plasma.
El término "plasma" en relación con un gas ionizado casi neutro fue introducido por los físicos estadounidenses Langmuir y Tonks en 1923 al describir los fenómenos en una descarga de gas. Hasta entonces, la palabra "plasma" era utilizada sólo por fisiólogos y se refería al componente líquido incoloro de la sangre, la leche o los tejidos vivos, pero pronto el concepto de "plasma" entró firmemente en el diccionario físico internacional y se volvió ampliamente utilizado.
Frank-Kamenetski D.A. Plasma cuarto estado de la materia. M., Atomizdat, 1963
Artsimovich L.A. Física elemental plasma. M., Atomizdat, 1969
Smirnov B.M. Introducción a la física del plasma. M., Nauka, 1975
Milantiev V.P., Temko S.V. Física del plasma. M., Educación, 1983
Chen F. Introducción a la física del plasma. M., Mir, 1987
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En una descarga de gas se produce un gran número de iones positivos debido a la alta eficiencia de la ionización de impacto, y la concentración de iones y electrones es la misma. Este sistema de electrones e iones positivos distribuidos con la misma concentración se llama plasma . El término "plasma" fue introducido en 1929 por los físicos estadounidenses I. Langmuir y L. Tonks.
El plasma que aparece en una descarga de gas se llama descarga de gas; Incluye una columna positiva de descarga luminosa, un canal de chispas y descargas de arco.
La columna positiva representa el llamado plasma no isotérmico. En tal plasma, las energías cinéticas promedio de los electrones, iones y moléculas neutras (átomos) son diferentes.
Recordemos la relación entre la energía cinética promedio de las moléculas. gas ideal(la presión del gas en la descarga incandescente es pequeña, por lo que puede considerarse ideal) y la temperatura
Se puede argumentar que las temperaturas de los componentes del plasma son diferentes. Por tanto, la temperatura del electrón en una descarga luminosa de neón a una presión de 3 mm. Hg Art., aproximadamente 4∙10 4 K, y la temperatura de los iones y átomos es 400 K, y la temperatura de los iones es ligeramente superior a la temperatura atómica.
Plasma en el que se cumple la igualdad:(donde los índices " oh», « Y», « A"se refiere a electrones, iones, átomos) llamado isotérmico . Dicho plasma se produce durante la ionización a alta temperatura (arco quemado a presión atmosférica y superior, canal de chispa); por ejemplo, en un arco de presión ultraalta (hasta 1000 atm.), la temperatura del plasma alcanza los 10 000 K, la temperatura del plasma durante una explosión termonuclear es del orden de varias decenas de millones de grados, en la instalación TOKAMAK para el estudio de la termonuclear reacciones - del orden de 7∙10 6 K.
El plasma puede surgir no sólo cuando la corriente pasa a través de un gas. El gas también se puede convertir a un estado de plasma calentándolo a altas temperaturas. Las regiones internas de las estrellas (incluido el Sol) se encuentran en estado de plasma, cuyas temperaturas alcanzan los 10 8 K (figura 8.10).
La interacción de Coulomb de largo alcance de partículas cargadas en un plasma conduce a una singularidad cualitativa del plasma, lo que nos permite considerarlo especial. cuarto estado de la materia.
Las propiedades más importantes del plasma. :
El plasma es el estado de la materia más común en el Universo. El Sol y otras estrellas están compuestos de plasma de alta temperatura totalmente ionizado. La principal fuente de energía de radiación estelar son las reacciones de fusión termodinámica que ocurren en el interior de las estrellas a temperaturas enormes. Nebulosas frías y medio interestelar También se encuentran en estado plasmático. Son plasmas de baja temperatura, cuya ionización se produce principalmente por fotoionización bajo la influencia de Radiación ultravioleta estrellas En el espacio cercano a la Tierra, el plasma débilmente ionizado se encuentra en los cinturones de radiación y la ionosfera de la Tierra. Los procesos que ocurren en este plasma están asociados con fenómenos tales como tormentas magnéticas, perturbaciones en las comunicaciones por radio de largo alcance y auroras.
Plasma de descarga de gas a baja temperatura formado durante la combustión lenta, las chispas y descargas de arco en gases, ampliamente utilizado en varias fuentes luz, en láseres de gas, para soldar, cortar, fundir y otros tipos de procesamiento de metales.
El principal interés práctico en la física del plasma está asociado con la solución del problema de la fusión termonuclear controlada, el proceso de fusión de núcleos atómicos ligeros a altas temperaturas en condiciones controladas. La producción de energía del reactor es de 10 5 kW/m 3 en la reacción.
a una densidad de plasma de 10 5 cm - 3 y una temperatura de 10 8 K.
Se propone contener plasma de alta temperatura (1950 URSS, I.E. Tamm, A.D. Sajarov) mediante un fuerte campo magnético en una cámara toroidal con bobinas magnéticas, abreviada como - tokamak. La figura 8.11 muestra circuito tokamak: 1 – devanado primario del transformador; 2 – bobinas de campo magnético toroidales; 3 – cámara interna de pared delgada con revestimiento para nivelar el campo eléctrico toroidal; 4 – bobinas de campo magnético toroidales; 5 – cámara de vacío; 6 – núcleo de hierro (núcleo magnético).
Actualmente, como parte de la implementación del programa termonuclear mundial, los últimos sistemas como tokamak. Por ejemplo, en San Petersburgo se creó el primer ruso tokamak esférico"Globus-M". Está previsto crear un gran tokamak TM-15 para estudiar el control de la configuración del plasma. La construcción del tokamak KTM kazajo ha comenzado para probar tecnologías de energía termonuclear. La figura 8.12 muestra un diagrama en sección transversal del tokamak KTM y su vista con cámara de vacío.
La implementación de una reacción termonuclear controlada en plasma de alta temperatura permitirá a la humanidad en el futuro obtener prácticamente fuente inagotable energía.
Plasma de baja temperatura ( t~ 10 3 K) se utiliza en fuentes de descarga de gas luz, láseres de gas, convertidores termoiónicos de energía térmica en energía eléctrica. Es posible crear un motor de plasma que sea eficaz para maniobrar en espacio exterior y vuelos espaciales de larga duración.
El plasma sirve como fluido de trabajo en motores de cohetes de plasma y generadores MHD.
El movimiento del plasma en un campo magnético se utiliza en el método de conversión directa de la energía interna de un gas ionizado en energía eléctrica. Este método fue implementado en generador magnetohidrodinámico(generador MHD), cuyo diagrama de circuito se muestra en la Figura 8.13.
El gas ionizado altamente calentado, resultante de la combustión de combustible y del enriquecimiento de los productos de combustión con vapores de metales alcalinos, que aumentan el grado de ionización del gas, pasa a través de la boquilla y se expande en ella. En este caso, parte de la energía interna del gas se convierte en energía cinética. En un campo magnético transversal (en la Figura 8.9, el vector de inducción del campo magnético se dirige más allá del plano del dibujo), los iones positivos se desvían bajo la acción de las fuerzas de Lorentz hacia el electrodo superior. A, y los electrones libres van al electrodo inferior. A. Cuando los electrodos están en cortocircuito con una carga externa, una corriente eléctrica fluye a través de ellos, dirigida desde el ánodo. A, Generador MHD, a su cátodo. A.
Propiedades del plasma para emitir ondas electromagnéticas Las longitudes de onda ultravioleta se utilizan en los modernos televisores de plasma de pantalla plana. La ionización del plasma en una pantalla plana se produce mediante una descarga de gas. Una descarga se produce cuando las moléculas de gas son bombardeadas por electrones acelerados. campo eléctrico - categoría independiente. La descarga se mantiene bastante alta. potencial eléctrico– decenas y centenas de voltios. El relleno de gas más común para pantallas de plasma es una mezcla de gases inertes a base de helio o neón con la adición de xenón.
La pantalla de un televisor de pantalla plana o display basado en elementos de descarga de gas está compuesta por gran número células, cada una de las cuales es un elemento radiante independiente. La Figura 8.14 muestra el diseño de una celda de plasma que consta de un fósforo 1, electrodos 2 que inician el plasma 5, una capa dieléctrica (MgO) 3, vidrio 4, un electrodo de dirección 6. El electrodo de dirección, junto con la función principal de un conductor, realiza la función de un espejo que refleja la mitad de la luz emitida por el fósforo hacia el espectador.
La vida útil de una pantalla de plasma de este tipo es de 30 mil horas.
Las pantallas planas de descarga de gas que reproducen imágenes en color utilizan tres tipos de fósforos que emiten luz roja (R), verde (G) y azul (B). Un televisor de pantalla plana con una pantalla hecha de elementos de descarga de gas contiene alrededor de un millón de pequeñas células plasmáticas ensambladas en tríadas de píxeles RGB ( píxel – elemento de imagen).
¿Cuál es el cuarto estado de la materia, en qué se diferencia de los otros tres y cómo ponerlo al servicio de una persona?
La suposición de la existencia del primero de los estados de la materia más allá de la tríada clásica se hizo a principios del siglo XIX, y en la década de 1920 recibió su nombre: plasma.
Hace ciento cincuenta años, casi todos los químicos y muchos físicos creían que la materia se compone únicamente de átomos y moléculas que se combinan en combinaciones más o menos ordenadas o completamente desordenadas. Pocos dudaban de que todas o casi todas las sustancias son capaces de existir en tres fases diferentes: sólida, líquida y gaseosa, que adoptan en función de su Condiciones externas. Pero ya se han expresado hipótesis sobre la posibilidad de otros estados de la materia.
Este modelo universal ha sido confirmado tanto por observaciones científicas como por milenios de experiencia. la vida cotidiana. Después de todo, todo el mundo sabe que cuando el agua se enfría, se convierte en hielo y, cuando se calienta, hierve y se evapora. El plomo y el hierro también se pueden convertir en líquido y gas, sólo es necesario calentarlos con más fuerza. CON finales del XVIII Durante siglos, los investigadores habían estado congelando gases hasta convertirlos en líquidos, y parecía completamente plausible que, en principio, se pudiera solidificar cualquier gas licuado. En general, una imagen simple y comprensible de los tres estados de la materia no parecía requerir correcciones ni adiciones.
A 70 km de Marsella, en Saint-Paul-les-Durance, al lado de los franceses centro de Investigación energía Atómica En Cadarache se construirá el reactor termonuclear de investigación ITER (del latín iter - camino). La principal misión oficial de este reactor es “demostrar la viabilidad científica y tecnológica de producir energía de fusión con fines pacíficos”. A largo plazo (30-35 años), basándose en los datos obtenidos durante los experimentos en el reactor ITER, se podrán crear prototipos de centrales eléctricas seguras, respetuosas con el medio ambiente y económicamente rentables.
Los científicos de aquella época se habrían sorprendido bastante al saber que los estados sólido, líquido y gaseoso de la materia atómico-molecular se conservan sólo a temperaturas relativamente bajas, que no superan los 10.000°, e incluso en esta zona no agotan todas las estructuras posibles ( Por ejemplo - cristales líquidos). No sería fácil creer que su participación no represente más del 0,01% del masa total del Universo actual. Ahora sabemos que la materia se realiza en muchas formas exóticas. Algunos de ellos (por ejemplo, degenerados gas de electrones y materia de neutrones) existen sólo dentro de cuerpos cósmicos superdensos (enanas blancas y estrellas de neutrones), y algunos (como el líquido quark-gluón) nacieron y desaparecieron en un breve momento poco después Big Bang. Sin embargo, es interesante que la suposición sobre la existencia del primero de los estados que van más allá de la tríada clásica se hizo en el mismo siglo XIX, y en sus inicios. en tema investigación científica evolucionó mucho más tarde, en la década de 1920. Fue entonces cuando recibió su nombre: plasma.
De Faraday a Langmuir
En la segunda mitad de los años 70 del siglo XIX, un miembro del Londres Sociedad de la realeza William Crookes, un meteorólogo y químico de gran éxito (descubrió el talio y determinó su peso atómico con extrema precisión), se interesó por las descargas de gas en tubos de vacío. En ese momento se sabía que el electrodo negativo emite emanaciones de naturaleza desconocida, que el físico alemán Eugen Goldstein en 1876 llamó rayos catódicos. Después de muchos experimentos, Crookes decidió que estos rayos no eran más que partículas de gas que, tras chocar con el cátodo, adquirieron una carga negativa y comenzaron a moverse hacia el ánodo. A estas partículas cargadas las llamó “materia radiante”.
Tokamak es una instalación de forma toroidal para confinar plasma mediante un campo magnético. El plasma calentado a temperaturas muy altas no toca las paredes de la cámara, sino que está retenido por campos magnéticos: toroidales, creados por las bobinas, y poloidales, que se forman cuando fluye corriente en el plasma. El propio plasma actúa como devanado secundario del transformador (el devanado primario es la bobina para crear un campo toroidal), que proporciona precalentamiento cuando fluye corriente eléctrica.
Hay que admitir que Crookes no fue original en esta explicación de la naturaleza de los rayos catódicos. En 1871, el destacado ingeniero eléctrico británico Cromwell Fleetwood Varley, uno de los líderes de los trabajos de tendido del primer cable telegráfico transatlántico, expresó una hipótesis similar. Sin embargo, los resultados de los experimentos con rayos catódicos llevaron a Crookes a una idea muy profunda: el medio en el que se propagan ya no es un gas, sino algo completamente diferente. El 22 de agosto de 1879, en una sesión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia, Crookes declaró que las descargas en gases enrarecidos “son tan diferentes a todo lo que sucede en el aire o en cualquier gas bajo presión ordinaria, que en este caso estamos tratando con una sustancia en el cuarto estado, que en propiedades difiere del gas ordinario en la misma medida que un gas difiere de un líquido”.
A menudo se escribe que fue Crookes quien pensó por primera vez en el cuarto estado de la materia. De hecho, a Michael Faraday se le ocurrió esta idea mucho antes. En 1819, 60 años antes que Crookes, Faraday propuso que la materia podía existir en estados sólido, líquido, gaseoso y radiante, el estado radiante de la materia. En su informe, Crookes dijo directamente que estaba usando términos tomados de Faraday, pero por alguna razón sus descendientes se olvidaron de esto. Sin embargo, la idea de Faraday seguía siendo una hipótesis especulativa y Crookes la fundamentó con datos experimentales.
Los rayos catódicos fueron estudiados intensamente incluso después de Crookes. En 1895, estos experimentos llevaron a William Roentgen al descubrimiento de un nuevo tipo de radiación electromagnética y, a principios del siglo XX, dieron como resultado la invención de los primeros tubos de radio. Pero la hipótesis de Crookes sobre un cuarto estado de la materia no atrajo el interés de los físicos, probablemente porque en 1897 Joseph John Thomson demostró que los rayos catódicos no eran átomos de gas cargados, sino partículas muy ligeras, a las que llamó electrones. Este descubrimiento pareció hacer innecesaria la hipótesis de Crookes.
Foto del lanzamiento de prueba del Reactor Avanzado Superconductor Tokamak de Corea (KSTAR) que produce el "primer plasma" el 15 de julio de 2008. KSTAR, un proyecto de investigación para estudiar la posibilidad de la fusión nuclear para obtener energía, utiliza 30 imanes superconductores enfriados con helio líquido.
Sin embargo, ella renació como un fénix de las cenizas. En la segunda mitad de la década de 1920, el futuro Premio Nobel En química, Irving Langmuir, que trabajaba en el laboratorio de General Electric Corporation, se involucró estrechamente en el estudio de las descargas de gas. Entonces ya sabían que en el espacio entre el ánodo y el cátodo, los átomos de gas pierden electrones y se convierten en iones cargados positivamente. Al darse cuenta de que ese gas tiene muchas propiedades especiales, Langmuir decidió dotarlo nombre propio. Por alguna extraña asociación, eligió la palabra "plasma", que anteriormente se había utilizado sólo en mineralogía (otro nombre para la calcedonia verde) y en biología (la base líquida de la sangre, así como del suero). En su nueva capacidad, el término "plasma" apareció por primera vez en el artículo de Langmuir "Oscilaciones en gases ionizados", publicado en 1928. Durante unos treinta años, pocas personas utilizaron este término, pero luego entró firmemente en su uso científico.
Física del plasma
El plasma clásico es un gas de iones y electrones, posiblemente diluido con partículas neutras (en sentido estricto, los fotones siempre están presentes allí, pero a temperaturas moderadas pueden ignorarse). Si el grado de ionización no es demasiado bajo (normalmente el uno por ciento es suficiente), este gas presenta muchas cualidades específicas que los gases comunes no poseen. Sin embargo, es posible producir plasma en el que electrones libres No sucederá en absoluto y sus responsabilidades serán asumidas por iones negativos.
Por simplicidad, consideraremos sólo el plasma de iones de electrones. Sus partículas son atraídas o repelidas de acuerdo con la ley de Coulomb y esta interacción se manifiesta a grandes distancias. Precisamente por eso se diferencian de los átomos y moléculas de un gas neutro, que sólo se sienten entre sí a distancias muy cortas. Dado que las partículas de plasma vuelan libremente, son fácilmente desplazadas por fuerzas electricas. Para que el plasma esté en equilibrio, es necesario que las cargas espaciales de electrones e iones se compensen completamente entre sí. Si no se cumple esta condición, surgen corrientes eléctricas en el plasma que restablecen el equilibrio (por ejemplo, si se forma un exceso de iones positivos en algún área, los electrones se precipitarán instantáneamente allí). Por tanto, en un plasma en equilibrio, las densidades de partículas de diferentes signos son prácticamente las mismas. Esta propiedad tan importante se llama cuasineutralidad.
Casi siempre, los átomos o moléculas de un gas ordinario participan solo en interacciones de pares: chocan entre sí y se separan. El plasma es un asunto diferente. Dado que sus partículas están conectadas por fuerzas de Coulomb de largo alcance, cada una de ellas se encuentra en el campo de vecinos cercanos y lejanos. Esto significa que la interacción entre las partículas de plasma no es pareada, sino múltiple; como dicen los físicos, colectiva. Esto lleva a la definición estándar de plasma: un sistema casi neutral de una gran cantidad de partículas cargadas diferentes que demuestran un comportamiento colectivo.
Los potentes aceleradores de electrones tienen una longitud típica de cientos de metros e incluso kilómetros. Sus tamaños pueden reducirse significativamente si los electrones no se aceleran en el vacío, sino en el plasma, "en la cresta" de las perturbaciones que se propagan rápidamente en la densidad de las cargas del plasma, las llamadas ondas de estela, excitadas por pulsos de radiación láser.
El plasma se diferencia del gas neutro en su reacción a los campos eléctricos y magnéticos externos (el gas normal prácticamente no los nota). Las partículas de plasma, por el contrario, detectan campos arbitrariamente débiles e inmediatamente comienzan a moverse, generando cargas espaciales y corrientes eléctricas. Otra característica importante del plasma en equilibrio es el blindaje de carga. Tomemos una partícula de plasma, digamos un ion positivo. Atrae electrones que forman una nube. carga negativa. El campo de un ion de este tipo se comporta según la ley de Coulomb sólo en sus proximidades y, a distancias que superan un cierto valor crítico, tiende muy rápidamente a cero. Este parámetro se denomina radio de detección de Debye, en honor al físico holandés Pieter Debye, que describió este mecanismo en 1923.
Es fácil entender que el plasma conserva la cuasineutralidad sólo si sus dimensiones lineales en todas las dimensiones exceden con creces el radio de Debye. Vale la pena señalar que este parámetro aumenta cuando se calienta el plasma y disminuye a medida que aumenta su densidad. En el plasma de descargas de gas, el orden de magnitud es 0,1 mm, en la ionosfera terrestre - 1 mm, en núcleo solar- 0,01 nm.
Termonuclear controlado
Hoy en día, el plasma se utiliza en una amplia variedad de tecnologías. Algunos de ellos son conocidos por todos (lámparas de gas, pantallas de plasma), otros son de interés para los especialistas especializados (producción de películas protectoras de alta resistencia, producción de microchips, desinfección). Sin embargo, las mayores esperanzas puestas en el plasma están puestas en el trabajo sobre la realización de reacciones termonucleares controladas. Esto es comprensible. Para que los núcleos de hidrógeno se fusionen en núcleos de helio, es necesario acercarlos a una distancia de aproximadamente una cien milmillonésima de centímetro, y entonces las fuerzas nucleares comenzarán a actuar. Tal acercamiento sólo es posible a temperaturas de decenas y cientos de millones de grados; en este caso, la energía cinética de los núcleos cargados positivamente es suficiente para superar la repulsión electrostática. Por tanto, la fusión termonuclear controlada requiere plasma de hidrógeno a alta temperatura.
El plasma es casi omnipresente en el mundo circundante: se puede encontrar no solo en las descargas de gas, sino también en la ionosfera de los planetas, en la superficie y en las capas profundas de las estrellas activas. Este es a la vez un medio para la implementación de reacciones termonucleares controladas y trabajando fluidamente para propulsión eléctrica espacial y mucho, mucho más.
Es cierto que el plasma a base de hidrógeno ordinario no ayudará aquí. Este tipo de reacciones ocurren en las profundidades de las estrellas, pero son inútiles para la energía terrestre porque la intensidad de la liberación de energía es demasiado baja. Es mejor utilizar plasma de una mezcla de isótopos pesados de hidrógeno, deuterio y tritio, en una proporción de 1:1 (el plasma de deuterio puro también es aceptable, aunque proporcionará menos energía y requerirá temperaturas más altas para la ignición).
Sin embargo, el calentamiento por sí solo no es suficiente para iniciar la reacción. En primer lugar, el plasma debe ser suficientemente denso; en segundo lugar, las partículas que entran en la zona de reacción no deben salir de ella demasiado rápido; de lo contrario, la pérdida de energía superará su liberación. Estos requisitos se pueden presentar en forma de criterio propuesto por el físico inglés John Lawson en 1955. Según esta fórmula, el producto de la densidad del plasma por el tiempo medio de confinamiento de las partículas debe ser superior a un determinado valor determinado por la temperatura, la composición del combustible termonuclear y la eficiencia esperada del reactor.
Es fácil ver que hay dos formas de satisfacer el criterio de Lawson. Es posible reducir el tiempo de confinamiento a nanosegundos comprimiendo el plasma, digamos, a 100-200 g/cm3 (dado que el plasma no tiene tiempo de separarse, este método de confinamiento se llama inercial). Los físicos han estado trabajando en esta estrategia desde mediados de los años 1960; Ahora su versión más avanzada está siendo desarrollada por el Laboratorio Nacional Livermore. Este año comenzarán los experimentos para comprimir cápsulas de berilio en miniatura (de 1,8 mm de diámetro), llenas de una mezcla de deuterio y tritio, utilizando 192 rayos láser ultravioleta. Los responsables del proyecto creen que a más tardar en 2012 no sólo podrán prender fuego reacción termonuclear, pero también obtener un rendimiento energético positivo. Quizás en los próximos años se lance en Europa un programa similar dentro del proyecto HiPER (High Power Laser Energy Research). Sin embargo, incluso si los experimentos en Livermore cumplieran plenamente con sus expectativas, la distancia hasta la creación de un verdadero reactor termonuclear con confinamiento de plasma inercial seguirá siendo muy grande. El hecho es que para crear un prototipo de central eléctrica se necesita un sistema de disparo muy rápido de láseres superpotentes. Debería proporcionar una frecuencia de destellos que enciendan objetivos de deuterio-tritio que será miles de veces mayor que las capacidades del sistema Livermore, que dispara no más de 5 a 10 disparos por segundo. Actualmente se están discutiendo activamente varias posibilidades para crear tales pistolas láser, pero antes de que implementación práctica todavía muy lejos.
Tokamaki: la vieja guardia
Alternativamente, es posible trabajar con plasma enrarecido (densidad en nanogramos por centímetro cúbico), manteniéndolo en la zona de reacción durante al menos varios segundos. En tales experimentos, desde hace más de medio siglo, se utilizan diversas trampas magnéticas, que mantienen el plasma en un volumen determinado mediante la aplicación de varios campos magnéticos. Los más prometedores son los tokamaks: trampas magnéticas cerradas en forma de toro, propuestas por primera vez por A.D. Sakharov e I.E. Tam en 1950. Actualmente hay una docena de instalaciones de este tipo funcionando en varios países, la mayor de las cuales las ha acercado al criterio de Lawson. También es un tokamak el reactor termonuclear experimental internacional, el famoso ITER, que se construirá en el pueblo de Cadarache, cerca de la ciudad francesa de Aix-en-Provence. Si todo va según lo previsto, el ITER permitirá por primera vez producir plasma que cumpla el criterio de Lawson y provocar en él una reacción termonuclear.
“Durante las últimas dos décadas, hemos logrado enormes avances en la comprensión de los procesos que ocurren dentro de las trampas de plasma magnéticas, en particular los tokamaks. En general, ya sabemos cómo se mueven las partículas de plasma, cómo se producen los estados inestables de los flujos de plasma y hasta qué punto se puede aumentar la presión del plasma para que aún pueda estar contenido en un campo magnético. También se han creado nuevos métodos de alta precisión para el diagnóstico del plasma, es decir, la medición de distintos parámetros del plasma”, dijo el profesor a PM física nuclear y Ian Hutchinson, Tecnología Nuclear del MIT, que ha trabajado en tokamaks durante más de 30 años. — Hasta la fecha, los tokamaks más grandes han alcanzado una potencia de liberación de energía térmica en plasma de deuterio-tritio del orden de 10 megavatios durante uno o dos segundos. ITER superará estas cifras en un par de órdenes de magnitud. Si no nos equivocamos en los cálculos, podrá producir al menos 500 megavatios en pocos minutos. Si tienes mucha suerte, la energía se generará sin límite de tiempo, en modo estable”.
El profesor Hutchinson también destacó que los científicos ahora comprenden bien la naturaleza de los procesos que deben ocurrir dentro de este enorme tokamak: "Sabemos incluso las condiciones bajo las cuales el plasma suprime sus propias turbulencias, y esto es muy importante para controlar el funcionamiento del el reactor. Por supuesto, es necesario resolver muchos problemas técnicos, en particular, completar el desarrollo de materiales para el revestimiento interno de la cámara que puedan resistir un intenso bombardeo de neutrones. Pero desde el punto de vista de la física del plasma, el panorama es bastante claro, al menos eso creemos. El ITER debe confirmar que no nos equivocamos. Si todo va bien, llegará el turno del tokamak de próxima generación, que se convertirá en un prototipo de reactor termonuclear industrial. Pero ahora es demasiado pronto para hablar de ello. Mientras tanto, esperamos que el ITER entre en funcionamiento a finales de esta década. Lo más probable es que no pueda generar plasma caliente antes de 2018, al menos según nuestras expectativas”. Por tanto, desde el punto de vista científico y tecnológico, el proyecto ITER tiene buenas perspectivas.
La sangre está formada por una combinación de un grupo de sustancias: plasma y elementos formados. Cada parte tiene funciones distintas y realiza sus propias tareas únicas. Ciertas enzimas en la sangre la hacen roja, pero en términos porcentuales mayoría La composición (50-60%) está ocupada por un líquido de color amarillo claro. Esta proporción plasmática se llama hematocrina. El plasma da a la sangre el estado de líquido, aunque es más denso que el agua. El plasma se vuelve denso gracias a las sustancias que contiene: grasas, carbohidratos, sales y otros componentes. El plasma sanguíneo humano puede volverse turbio después de ingerir una comida grasosa. Y así, qué es el plasma sanguíneo y cuáles son sus funciones en el organismo, aprenderemos más sobre todo esto.
Componentes y composición.
Más del 90% del plasma sanguíneo es agua, el resto de sus componentes son sustancias secas: proteínas, glucosa, aminoácidos, grasas, hormonas, minerales disueltos.
Aproximadamente el 8% de la composición del plasma son proteínas. a su vez, constan de una fracción de albúmina (5%), una fracción de globulina (4%) y fibrinógeno (0,4%). Así, 1 litro de plasma contiene 900 g de agua, 70 g de proteínas y 20 g de compuestos moleculares.
La proteína más común es. Se forma en el hígado y ocupa el 50% del grupo de proteínas. Las principales funciones de la albúmina son el transporte (transferencia de oligoelementos y fármacos), la participación en el metabolismo, la síntesis de proteínas y la reserva de aminoácidos. La presencia de albúmina en la sangre refleja el estado del hígado; un nivel reducido de albúmina indica la presencia de la enfermedad. Los niveles bajos de albúmina en los niños, por ejemplo, aumentan las posibilidades de desarrollar ictericia.
Las globulinas son grandes componentes moleculares de las proteínas. Son producidos por el hígado y los órganos. sistema inmunitario. Las globulinas pueden ser de tres tipos: beta, gamma y alfa globulinas. Todos ellos proporcionan funciones de transporte y comunicación. También llamados anticuerpos, son los responsables de la reacción del sistema inmunológico. Con una disminución de las inmunoglobulinas en el cuerpo, se observa un deterioro significativo en el funcionamiento del sistema inmunológico: bacterias constantes y.
La proteína fibrinógeno se forma en el hígado y, al convertirse en fibrina, forma un coágulo en las zonas de daño vascular. Así, el líquido participa en el proceso de su coagulación.
Entre los compuestos no proteicos se encuentran:
- Compuestos orgánicos que contienen nitrógeno (nitrógeno ureico, bilirrubina, ácido úrico, creatina, etc.). Un aumento de nitrógeno en el cuerpo se llama azotomía. Ocurre cuando hay una violación de la excreción de productos metabólicos en la orina o cuando hay una ingesta excesiva de sustancias nitrogenadas debido a la descomposición activa de proteínas (ayuno, diabetes, quemaduras, infecciones).
- Compuestos orgánicos libres de nitrógeno (lípidos, glucosa, ácido láctico). Para mantener la salud, es necesario controlar varios de estos signos vitales.
- Elementos inorgánicos (calcio, sal sódica, magnesio, etc.). Minerales son también componentes esenciales sistemas.
Soporte de iones de plasma (sodio y cloro) nivel alcalino sangre (ph), proporcionando Condicion normal células. También cumplen la función de mantener la presión osmótica. Los iones de calcio participan en las reacciones de contracción muscular y afectan la sensibilidad de las células nerviosas.
Durante la vida del cuerpo, productos metabólicos, elementos biológicamente activos, hormonas, nutrientes y vitaminas. Sin embargo, no cambia específicamente. Los mecanismos regulatorios proporcionan una de las las propiedades más importantes plasma sanguíneo: la constancia de su composición.
Funciones plasmáticas
El principal objetivo y función del plasma es transportar células sanguíneas y nutrientes. Ella también realiza el enlace. medios líquidos en el cuerpo, que van más allá del sistema circulatorio, ya que tiende a penetrar.
La función más importante El plasma sanguíneo tiene como objetivo realizar la hemostasia (asegurar el funcionamiento del sistema en el que el líquido es capaz de detener y eliminar el coágulo de sangre posterior involucrado en la coagulación). La tarea del plasma en la sangre también se reduce a mantener una presión estable en el cuerpo.
¿En qué situaciones y por qué es necesario? La mayoría de las veces, el plasma no se transfunde con sangre completa, sino solo con sus componentes y plasma líquido. Durante la producción, los elementos líquidos y formados se separan utilizando medios especiales, estos últimos, por regla general, se devuelven al paciente. Con este tipo de donación, la frecuencia de donación aumenta a dos veces al mes, pero no más de 12 veces al año.
El suero sanguíneo también se elabora a partir del plasma sanguíneo: el fibrinógeno se elimina de la composición. Al mismo tiempo, el suero del plasma permanece saturado con todos los anticuerpos que resistirán a los microbios.
Enfermedades de la sangre que afectan el plasma.
Las enfermedades humanas que afectan la composición y características del plasma en la sangre son extremadamente peligrosas.
Hay una lista de enfermedades:
- - ocurre cuando la infección ingresa directamente al sistema circulatorio.
- y adultos: una deficiencia genética de la proteína responsable de la coagulación.
- Estado hipercoagulante: coagulación demasiado rápida. En este caso, la viscosidad de la sangre aumenta y a los pacientes se les recetan medicamentos para diluirla.
- Profundo: la formación de coágulos de sangre en las venas profundas.
- El síndrome DIC es la aparición simultánea de coágulos de sangre y sangrado.
Todas las enfermedades están asociadas con el funcionamiento del sistema circulatorio. El impacto sobre los componentes individuales en la estructura del plasma sanguíneo puede devolver la vitalidad del cuerpo a la normalidad.
El plasma es el componente líquido de la sangre con composición compleja. Él mismo realiza una serie de funciones sin las cuales la vida del cuerpo humano sería imposible.
Para fines médicos, el plasma en la sangre suele ser más eficaz que una vacuna, ya que las inmunoglobulinas que lo componen destruyen reactivamente los microorganismos.
