Агрегатные состояния, о которых многие не знали: плазма и конденсат Бозе - Эйнштейна

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Серова О.О. 1

---

1МБОУ лицей № 3

Михайлов И.В. 1

---

1МБОУ лицей № 3

Работа в формате PDF

686.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой.

В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное. Но, оказывается, есть четвертое агрегатное состояние – плазма, и даже пятое – конденсат Бозе - Эйнштейна

Проблема: В школьном курсе физики рассказывается о трех агрегатных состояниях. И лишь немного о четвертом агрегатном состоянии. В связи с тем, что на изучение этой темы отводится не так много времени дети не успевают понять важность этих состояний. Особенно важно понимание для тех, кто будет сдавать экзамен. Но о пятом агрегатном состоянии не рассказывается вообще, получается, так что о плазме знают немного, а о конденсате Бозе – Эйнштейна ничего.

Актуальность: Тема этой работы актуальна тем, что в основном курсе физики для средней школы уделено очень мало времени для изучения четвертого агрегатного состояния, в то время как плазма – самое распространенное во Вселенной состояние вещества. Многие не догадываются о возможности наличия, даже пятого агрегатного состояния.

Цель: Определить свойства плазмы, основные характеристики и область ее применения, понять различие обычного газа и плазмы. Разобраться, что такое конденсат Бозе – Эйнштейна и где возможно его применение.

Задачи:

1) Ознакомиться с научными источниками

2) Дать определение плазмы, проанализировать и определить ее свойства, виды.

3) Найти область применения плазмы.

4) Найти различия обычного газа и плазмы.

5) Определить способы получения плазмы.

6) Рассмотреть историю возникновения конденсата Бозе – Эйнштейна и дать определение.

7) Понять, где возможно применять пятое агрегатное состояние.

Краткий обзор используемой литературы и источников:

Источники: данные статей, опытов и наблюдений.

Литература: Большая российская энциклопедия, научные статьи Б. Б. Кадомцев, М.Б. Кадомцев, научные статьи и новости.

Значимость: Я считаю, что четвертое и пятое агрегатное состояние в дальнейшем будет наиболее изучено и найдет широкое применение в самых разных областях науки, техники и обычной жизни.

Основная часть

1. Четвертое агрегатное состояние – плазма

Физическое состояние вещества зависит от сочетаний температуры и давления. В зависимости от этих параметров вещество может принимать разные агрегатные состояния, такие как твердое тело, жидкость или газ. Однако существуют и другие фундаментальные состояния вещества. Одно из них - плазма, которая может возникать при определенных условиях.

Плазма - это ионизированный в той или иной степени, с долей ионизированных атомов от 0,1% до 100%, газ. В нем в равных количествах содержатся ионы и электроны, т.е. суммарный электрический заряд большого его объема нейтрален. Основными причинами ионизации газа являются воздействие на него электромагнитного излучения и космических лучей высоких энергий, а также его высокая температура. 

Плазма

На самом деле, все люди видели плазму. Более того, почти все видят ее каждый день. Плазма — самое распространенное состояние вещества во Вселенной. Ею заполнено межгалактическое, межзвездное и межпланетное пространство. Звезды состоят из плазмы, и Солнце не исключение.

Когда во время грозы ударяет молния, это тоже плазма. Молния возникает при сильной электризации облаков или земли и ионизации воздуха. Высокоскоростная фотосъемка позволила ученым определить, что она вовсе не является плотным потоком электрических зарядов, как считалось раньше. На самом деле, молния представляет собой полый плазменный канал, где ток сосредоточен в стенках, образуя так называемый скинслой — зону концентрации электричества. Напряжение в нем может достигать миллиарда вольт.

Землю окружает ионосфера, где атмосферные газы ионизируются и тоже превращаются в плазму под действием космических лучей — потоков элементарных частиц и ядер атомов, которые движутся с высокими энергиями и в случае с Землей исходят, в основном, от Солнца. На полюсах планеты поведение ионосферы определяется магнитным полем. Когда сюда ударяют другие потоки плазмы — солнечный ветер, который исходит от нашей звезды, — атомы и молекулы ионизированных газов возбуждаются, начинают светиться, и мы видим полярное сияние.

Наблюдение за обычным пламенем, будь то лесной пожар или зажженная спичка, также позволяет нам видеть плазму. В процессе горения газы раскаляются и происходит их слабая ионизация. Тем не менее, пламя начинает хорошо проводить электрический ток, только когда его температура очень высока, и газы ионизируются сильнее. На Земле в природных условиях это невозможно.

1.1 Свойства плазмы:

высокую степень ионизации газа (максимум — полная ионизация)

нулевой полный заряд плазмы

высокая электропроводность

свечение

сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полями

высокая частота (порядка 100 МГц) колебаний электронов внутри плазмы, приводящая к вибрации всего объема плазмы

Знания об особенностях физических свойств плазмы позволяют ученым не только получать информацию о межзвездном пространстве (как раз и заполненным в основном плазмой), но дают основание рассчитывать на перспективы установок управляемого термоядерного синтеза (на базе высокотемпературной плазмы из дейтерия и трития).

1.2 Классификация видов плазмы:

Классификация видов плазмы условна. Если в сфере радиуса находится много заряженных частиц (n – концентрация всех частиц плазмы), плазма называется идеальной. При N <= 1N<=1 говорят о неидеальной плазме ( здесь N – параметр идеальности). В идеальной плазме потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их тепловой энергией.

Плазма с температурой >=102 – 103 >= 102 – 103 электронвольт (эВ) называется высокотемпературной. Низкотемпературная плазма с температурой <= 10 – 100 <= 10 – 100 эВ, в которой существенную роль могут играть столкновительные и радиационные процессы. Особой разновидностью низкотемпературной плазмы является пылевая плазма, содержащая макроскопические (размером от долей до сотен микрометров) твердые частички, несущие большой электрический заряд. Высокотемпературную плазму с высокой электропроводностью также называют идеальной, если можно пренебречь диссипативными процессами. Диссипативный процесс - сумма кинетической и потенциальной энергий при движении убывает.

При сверхвысоких плотностях энергии, возникающих в результате столкновений тяжелых ультрарелятивистских частиц, возможно образование кваркглюонной плазмы – адронной среды, в которой перемешаны цветные заряды. Частицы криогенной плазмы ( с температурой в доли кельвина) создаются путем прецизионной ионизации холодных атомов лазерным пучком, энергия квантов которого практически равна энергии ионизации. Для описания электронов в металлах, заряд которых скомпенсирован зарядом ионов кристаллической решетки, а также электронов т дырок в полупроводниках часто используют термин плазмы твердых тел. Современная физика также рассматривает лазерную плазму, возникающую при оптическом пробое под действием мощного лазерного излучения на вещество, заряженную плазму и др. По числу видов ионов различают одно- и многокомпонентную плазму.

1.3 Область применения плазмы

Наиболее широко плазма применяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы.

Гуляя вечером по улицам города, мы любуемся световыми рекламами, не думая о том, что в них светится неоновая или аргоновая плазма. Пользуемся лампами дневного света.

Всякий, кто имел «удовольствие» устроить в электрической сети короткое замыкание, встречался с плазмой. Искра,  которая проскакивает между проводами, состоит из плазмы электрического разряда в воздухе.

Дуга электрической сварки тоже плазма.

Также в промышленности началось внедрение технологии напыления расплавленного материала под воздействием пламенной струи. Металл, или другой материал, расплавляется, после чего подается на струю плазму. В результате он распыляется, дополняя струю. После этого взаимодействия с плазмой прекращается, и материал оседает на требуемых поверхностях в виде тонкого покрытия. Этот метод позволяет провести обработку гораздо быстрее, чем в случае с электрохимическим методом.

Установка Токамак (тороидальная магнитная ловушка, предназначенная для осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС)) впервые была построена в 1954 году, после успеха проведенных испытаний, в мире было создано более двухсот ее копий, где исследования происходят и сегодня.

Особенность этого проекта – обеспечение контроля ионизированного газа. В Токамаке плазма удерживается с помощью магнитного поля. Такой способ применяется, поскольку создать ограждение стенками для предотвращения утечки плазмы невозможно. Любое вещество при контакте с ней расплавляется. Чтобы магнитное поле могло подействовать ионизирующий газ, через него пропускают электрический ток. Он обеспечивает создание электрического поля. Также прохождение тока активизирует набор высокой температуры.

Исследование плазмы позволят реализовать идею контролируемого термоядерного синтеза. Как следствие удастся создать высокоэффективные электростанции, работающие значительно безопаснее атомных, и не создающих вредного выброса в атмосферу.

1.4 Различия обычного газа и плазмы:

1.5 Получение плазмы:

Чтобы перевести газ в состояние плазмы, нужно оторвать хотя бы часть электронов от атомов, превратив эти атомы в ионы. Такой отрыв от атома называют ионизацией. В природе и технике ионизация может производиться различными путями. Самые распространенные из них:

Ионизация тепловой энергией.

Ионизация электрическим разрядом.

Ионизация давлением.

Ионизация лазерным излучением.

2. Конденсат Бозе – Эйнштейна

Конденсат Бозе — Эйнштейна — агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю. Иногда его называют пятым состоянием вещества наряду с твердыми телами, жидкостями, газами и плазмой.

2.1 История возникновения:

В 1924-м году индийский физик Сатьендра Нат Бозе предложил квантовую статистику для описания бозонов, частиц с целым спином, которые также были названы в честь него. В 1925-м году Альберт Эйнштейн обобщил труды Бозе, применив его статистику к системам, состоящим из атомов с целым спином. К таким атомам, например, относятся атомы Гелия-4. В отличие от фермионов, бозоны не подчиняются запрещающему принципу Паули, то есть несколько бозонов могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Конденсат Бозе — Эйнштейна представляет собой газ, состоящий из частиц или атомов с целым спином. Как известно, частицы способны принимать сразу несколько квантовых состояний – так называемые квантовые эффекты. Согласно работе Эйнштейна, с понижением температуры количество доступных частице квантовых состояний будет уменьшаться. Причиной этому служит то, что частицы с понижением температуры все больше будут предпочитать наименее энергетические состояния. Учитывая то, что бозоны способны одновременно находиться в одном и том же состоянии, с понижением температуры они перейдут в одно и то же состояние.

Таким образом, конденсат Бозе — Эйнштейна будет состоять из множества невзаимодействующих частиц, находящихся в одном состоянии.

Данные распределения скорости (3 вида) для газа атомов рубидия, подтверждающие открытие новой фазы вещества, конденсата Бозе-Эйнштейна. Слева: перед появлением конденсата Бозе-Эйнштейна.

Центр: сразу после появления конденсата.

Справа: после дальнейшего испарения, оставляя образец почти чистого конденсата.

2.2 Применение пятого агрегатного состояния:

Хотя данное явление сложно представить, как и любые квантовые эффекты, подобное вещество может найти применение в широком спектре задач. Одним из примеров применения конденсата Бозе — Эйнштейна является атомный лазер. Как известно, излучение, испускаемое лазером, является когерентным. То есть фотоны такого излучения имеют одинаковую энергию, фазу и длину волны. Если же фотоны будут находиться в одном квантово-механическом состоянии, как в случае с конденсатом Бозе — Эйнштейна, то существует возможность синхронизировать данное охлажденное вещество, чтобы получить излучение для более эффективного лазера. Такой атомный лазер был создан еще в 1997-м году под руководством Вольфганга Кеттерле – одного из первых ученых, создавших конденсат.

Так как конденсат Бозе — Эйнштейна был получен относительно недавно, сферы его применения еще точно не определены. Однако, по мнению различных ученых, конденсат может быть полезен во многих областях, начиная от медицинского оборудования и заканчивая квантовыми компьютерами.

Конденсат Бозе — Эйнштейна — графическая визуализация

Заключение

В данном исследовании я изучала четвертое и пятое агрегатные состояния: плазма и конденсат Бозе-Эйнштейна.

Эти агрегатные состояния в настоящее время мало изученные в науках, не много информации можно найти в источниках.

В настоящее время они активно изучается учеными в лабораториях для дальнейшего использования.

Для меня эта тема интересна тем, что в дальнейшем я планирую связать свое будущее обучение и работу с физикой и изучением четвертого и пятого агрегатного состояния для перспектив их практических применений.

Я считаю, что четвертое и пятое агрегатное состояние в дальнейшем будет наиболее изучено и найдет широкое применение в самых разных областях науки, техники и обычной жизни.

Список использованной литературы

Кадомцев Б.Б., Кадомцев М.Б. Успехи физических наук, 1997

Курнаев В.А. Полвека с плазмой. НИЯУ МИФИ, 2011

Орлов В.А., Дорожкин С.В. Плазма - четвертое состояние вещества. Просвещение/Бином, 2014

Большая российская энциклопедия https://bigenc.ru/physics/text/1869523

Конденсат Бозе – Эйнштейнаhttps://spacegid.com/kondensat-boze-eynshteyna.html

Плазма в природе https://polymus.ru/ru/news/news/plazma-v-prirode/