Методика формирования понятия Плазма в школьном курсе физики
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»
§ 1. 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
[pic] и отрицательных [pic] зарядов практически одинаковы по абсолютной
величине:
[pic] или [pic].
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:
[pic] и [pic], где
[pic] - заряд протона, [pic]- 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?
§ 2. 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: [pic].
В условиях теплового равновесия она определяется формулой Саха:
[pic]. (2.1)
Здесь [pic], и [pic] - концентрация (число частиц в 1 м3) ионизованных и
нейтральных атомов соответственно, Г-температура газа в К, k - постоянная
Больцмана, [pic] - энергия ионизации газа, т.е. энергия, необходимая для
удаления электрона с внешней электронной оболочки атома. Обычно [pic]
выражается в процентах, тогда результат, полученный из формулы Саха,
необходимо умножить на 100 %. В воздухе при нормальных условиях для азота
[pic] и [pic] эВ
(см. задачу 2.1). Относительная ионизация ничтожно мала: [pic]
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 [pic]. После этого, [pic] 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: [pic], где
[pic].
(2.2)
Нетрудно убедиться, что ионизация газа при тепловых соударениях молекул
возможна лишь при очень высоких температурах [pic]. Вычисления показывают:
(положим [pic] эВ), что [pic].
В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо
ионизованную ([pic] составляет доли процента), частично ионизованную ([pic]
около нескольких процентов) и полностью ионизированную ([pic] 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».
§ 3. КОЛЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ
Поскольку плазма представляет собой газ, состоящий из заряженных и
нейтральных частиц, то она проявляет коллективные свойства. Понятие
коллективные свойства поясним на следующем примере. Рассмотрим силы,
действующие на молекулу, скажем, в обычном воздухе. Сразу заметим, что сила
гравитационного притяжения пренебрежимо мала по сравнению с силой
электромагнитного взаимодействия (см. задачу 3.1). Расчет показывает, что
силы взаимодействия (притяжения и отталкивания) действуют между
нейтральными молекулами на очень малых расстояниях (Fпр~1/r7, a Fот~1/
r13), где r - расстояние между молекулами, т.е. являются
короткодействующими. В случае же плазмы, которая содержит заряженные
частицы, ситуация совсем иная. Во время движения заряженных частиц
изменяются локальные концентрации положительного и отрицательного зарядов,
что приводит к возникновению электрических полей. С движением зарядов
связаны также токи и, следовательно, магнитные поля. Эти поля на больших
расстояниях могут влиять па движение других заряженных частиц. Например, в
плазме из-за более медленного убывания с расстоянием кулоновских сил (~1 /
r2) взаимодействие между частицами постоянно влияет на их движение. Таким
образом, понятие коллективные свойства означает, что в плазме движение
частиц определяется не только локальными условиями, но и ее состоянием в
удаленных областях.
Однако справедливо это не всегда. Если плазма настолько разрежена, что
кулоновское взаимодействие между частицами оказывается значительно меньшим,
чем влияние на них внешних электрических и магнитных полей (в космических
условиях последние обыч
| |  скачать работу |
Методика формирования понятия Плазма в школьном курсе физики |
