Plasmafysiikka

Plasmafysiikka on haara fysiikan , että tutkimukset ominaisuudet, dynamiikkaa ja sovellukset plasmoja . Plasma on ainefaasi , joka koostuu varautuneista hiukkasista, ioneista ja elektroneista . Plasmafysiikka, kuten nesteiden ja kaasujen fysiikka, ei ole itsessään fysiikan ala. Se on monisuuntainen eli se täyttää, käyttää ja syventää muita fysiikan käsitteiden muita aloja ( atomifysiikka , kvanttifysiikka , tilastofysiikka , nestemekaniikka , fysikaalinen kemia jne.) Sen mukauttamiseksi luonnostaan ​​monimutkaisiin ongelma erilaisten voimakentille altistuneiden varautuneiden ja varaamattomien hiukkasten tutkimisesta. Kemia on myös tärkeä osa.

Muutosta kaasun plasmaan (ionisoitunut kaasu) ei tapahdu vakio lämpötilassa varten tietyn paineen , jossa on latenttia lämpöä ja tilan muutos, kuten muiden valtioiden; mutta se on asteittainen muutos. Kun kaasua lämmitetään riittävästi, ulkokerrosten elektronit voidaan repiä pois hiukkasten törmäyksissä, jotka muodostavat plasman. Globaalisti neutraali, varautuneiden hiukkasten läsnäolo aiheuttaa käyttäytymistä, jota ei ole tavanomaisissa nesteissä, esimerkiksi sähkömagneettisen kentän läsnä ollessa .

Plasma voi muodostua myös matalassa lämpötilassa, jos ionisaatiolähde on sen ulkopuolella. Tämä pätee ionosfääriin , tähän maapallon ilmakehän korkeaan kerrokseen, joka kylmänä, vaikka käy läpi jatkuvasti voimakasta ionisoivaa pommitusta auringosta tulevista hiukkasista. Revontulet ovat yksi ilmentymiä tämän plasmaa.

Tämä tila on yleisintä maailmankaikkeudessa , todetaan erityisesti tähdet , sumuja, The tähtienvälinen aine ja myös maanpäällisen ionosfäärissä . Toisessa mittakaavassa plasmat löytyvät myös fluoresoivista putkista , avaruuspotkurista ja joistakin kemiallisista reaktoreista . Niitä käytetään yleisesti teollisuudessa, erityisesti mikroelektroniikassa ja materiaalien prosessoinnissa.

Johdanto

Kuvaus

Plasma, kuten kiinteä aine , neste tai kaasu , on aineen tila . Se näkyy maapallolla vain erittäin korkeassa lämpötilassa, kun energia on sellainen, että se onnistuu repimään elektroneja atomista. Sitten tarkkaillaan sitä, mitä yleisesti kutsutaan eräänlaiseksi erittäin aktiiviseksi elektronien "keittoksi", jossa atomiytimet "uivat".

Amerikan fyysikko Irving Langmuir käytti fysiikassa ensimmäistä kertaa termiä plasma, jota kutsutaan myös nimellä "aineen neljäs tila" vuonna 1928 analogisesti veriplasman kanssa, johon tämä ilmiö liittyy visuaalisesti.

Tavallisissa olosuhteissa kaasumainen väliaine ei salli sähkön johtamista. Kun tähän väliaineeseen kohdistuu heikko sähkökenttä, puhdasta kaasua pidetään täydellisenä eristeenä, koska se ei sisällä vapaita varautuneita hiukkasia (elektroneja tai positiivisia ioneja). Vapaita elektroneja ja positiivisia ioneja voi esiintyä, jos kaasu altistuu voimakkaalle sähkökentälle tai riittävän korkeissa lämpötiloissa, jos sitä pommitetaan hiukkasilla tai jos se altistuu erittäin voimakkaalle sähkömagneettiselle kentälle.

Kun ionisaatio on riittävän korkea niin, että elektronien määrä tilavuusyksikköä kohti on verrattavissa neutraalien molekyylien lukumäärään, kaasusta tulee sitten hyvin johtava neste, jota kutsutaan plasmaksi. On tärkeää huomata, että plasmaväliaine ionisoidusta väliaineesta erottuu sen makroskooppisesta neutraalisuudesta.

Alun perin plasma viittasi globaalisti neutraaliin ionisoituun kaasuun, minkä jälkeen tätä määritelmää laajennettiin koskemaan osittain ionisoituja kaasuja, joiden käyttäytyminen poikkeaa neutraalin kaasun käyttäytymisestä. Tänään puhumme plasmasta, kun havaitsemamme aine sisältää suuren määrän eri luonteisia hiukkasia, jotka voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa ja ympäristön kanssa: se on elektronien , kationien , anionien , atomien keitto . Neutraali, aggregaatit ( klusterit) ) ...

Plasman luonnehtimiseksi on tarpeen ottaa huomioon läsnä olevien lajien määrä ja niiden erilaiset varaustilat ja tutkia sitten tiheyden, lämpötilan ja jakautumistoiminnan evoluutio avaruudessa ja nopeudessa, kaikkien todennäköisten reaktioiden suhteen riippumatta kemiallista tai ydinvoimaa, unohtamatta mahdollisia törmäyksiä. Jos elektronien ja ionien väliset rekombinaatioprosessit eivät tasapainota ionisaatioprosessia, plasman sanotaan olevan termodynaamisen tasapainon ulkopuolella. Kaikkien plasmassa esiintyvien ilmiöiden täydellinen tutkiminen on tähän päivään saakka mahdotonta, se johtuu siitä, että plasmojen erottamiseksi ja luokittelemiseksi tarvitaan aluksi yksinkertaistamista.

Plasmafysiikka on kiinnostunut myös dynamiikan palkkien elektronien, protonien , raskaat ionit : puolueellisin plasma. Voidaan lainata muun muassa teoreettisten fyysikkojen tekemää työtä kvarkkien ja gluonien plasmoilla . Tällä tavoin laajennetun sanan plasma fyysinen määritelmä on seuraava: joukko hiukkasia, jotka ovat riittävän innoissaan, jotta ne eivät pystyisi yhdistymään vakaalla tavalla ja muodostamaan hiukkaset, jotka havaitaan perustilassa.

Erottamaan nämä määritelmät, ns asia plasma koostuu elektronien ja ionien kykene muodostamaan atomien, kun taas kvarkki plasma kutsutaan kvarkki-gluoniplasma on muodostettu kvarkkien kykene yhdistymään muodossa neutronien, protonit, jne. Neutroni- ja protoniplasma havaitaan, kun nämä hiukkaset ovat liian innoissaan muodostamaan ioneja.

Tämän artikkelin loppuosassa käsittelemme kuitenkin vain atomipohjaisia ​​plasmoja .

Esimerkkejä

Plasmat ovat erittäin yleisiä maailmankaikkeudessa, koska ne edustavat yli 99% tunnetusta aineesta. Ne pysyvät kuitenkin melkein huomaamatta välittömässä ympäristössämme, "maapallolla", koska niiden luonne ei ole yhteensopiva maanpäällisen elämän edellytysten kanssa.

Siten voimme erottaa luonnolliset plasmat ja keinotekoiset plasmat (ihmisen luomat):

luonnolliset plasmat:

keinotekoiset plasmat:

Fysiikka

Koska plasma on erilaisten vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten kokoonpano, sitä on yleensä vaikea luonnehtia. Oletetaan, että plasma sisältää X-lajia, mukaan lukien saman atomin (tai molekyylin tai aggregaatin ...) erilaiset varaustilat , se on tarpeen kuvata kokonaisuudessaan, tutkia tiheyden , lämpötilan , jakautumistoiminnan kehittymistä avaruudessa ja kunkin lajin nopeus kaikkien mahdollisten kemiallisten reaktioiden , ydinaseiden tai törmäysten aikana . Se on melkein mahdoton tehtävä, koska vaikka voidaan kirjoittaa yhtälöt, jotka yhdistävät kaikki nämä tiedot, on usein mahdotonta ratkaista niitä edes numeerisesti nykyisillä laskentavälineillä.
Ongelman yksinkertaistamiseksi alusta alkaen jaamme plasmat useisiin luokkiin. Kussakin luokassa plasmilla on tietyntyyppinen oma käyttäytymisensä. Näiden luokkien rakentamiseksi eri parametrit on määriteltävä seuraavasti.

Lajilämpötila ("kuuma plasma", "kylmä plasma")

Plasma, koska se sisältää ionisoituneita lajeja, sisältää myös vapaita elektroneja (plasman globaalin neutraalisuuden perusteella, lukuun ottamatta hiukkassäteitä). Elektronien massa on 2000 kertaa heikompi kuin ionit ( protonin tai neutronin massasuhde elektronin massaan on tarkemmin 1836), joten niillä on vähemmän inertiaa ja ne ovat "reaktiivisempia". Siksi on helpompaa antaa energiaa elektronille kuin raskaammille lajeille, ioneille. Jaamme sitten plasmat kahteen luokkaan:

Miksi tämä nimellisarvo? Plasmafysiikassa mitataan elektronien tai ionien kineettinen energia niiden lämpötilan perusteella (kuten tilastollisessa fysiikassa  : missä on Boltzmannin vakio ). Tämä nimike viittaa ionien energiaan.

Tämä tieteellinen erottelu on myös kulttuurista:

Muut kuvaukset

Plasman ja siihen liittyvien ilmiöiden kuvaamiseen käytetään erilaisia ​​käsitteitä:

jossa elektronitiheys ja neutraali tiheys. Jos silloin plasman sanotaan olevan "heikosti" ionisoitua ja jos sen sanotaan olevan "voimakkaasti" ionisoitua. Jos verrataan hiukkasvuorovaikutusten ionisaatiota, voimme myös luokitella samoihin luokkiin:

Heikosti ionisoidulla kaasulla on elektronineutraaleja törmäystaajuuksia, jotka ovat suurempia kuin elektronioni- tai elektronielektroni-törmäystaajuuksia. Käytämme tavallista merkintää:  Voimakkaasti ionisoidulle kaasulle meillä on sitten:  edustaa Coulomb-vuorovaikutuksiin liittyvää keskimääräistä potentiaalista energiaa edustaa keskimääräistä kineettistä energiaa, joka liittyy termiseen sekoitukseen jos plasma on heikosti korreloitunut: sen sanotaan olevan "kineettinen" jos plasma on voimakkaasti korreloitunut.

Peruskäsitteet

Kvasineutraalisuuskriteeri osoittaa, että plasma on globaalisti sähköisesti neutraali, toisin sanoen positiivisia varauksia on yhtä monta kuin negatiivisia. Plasman osalta, joka koostuu kerran ladatusta positiivisesta ionitiheydestä ja elektronien tiheydestä , meillä on suhde . Laskennan neutraalisuus johtuu erityisesti sähkövarauksen säilymisestä ionisaatioprosessien aikana. Coulombin ( ) ja Laplace ( ) -voimien vaikutuksen alainen plasma , kuten mikä tahansa dynaaminen järjestelmä, pyrkii kohti tasapainotilaa minimoimalla voimansa.

Näemme nopeasti, että tasa-arvo mahdollistaa tämän vakauden saavuttamisen. Vain tämä yhtälö sellaisenaan ei ratkaise Maxwellin yhtälöitä oikein.

Harkitsemme sitten esimerkiksi suhdetta Itse asiassa plasmatutkimukset liittyvät usein keskikokoisiin häiriöihin. Esimerkiksi jos otetaan huomioon keskimääräinen elektronitiheys . Tämän tiheyden häiriö on ja plasmalle on tunnusomaista elektronitiheys . Oletamme usein


Vaipan edustamiseksi tutkimme melko tiettyä plasmaa: "Vakuumiplasman" raja on siis akseliin (Ox) kohtisuorassa oleva taso . Kun t> 0, tilanne kehittyy elektronien termisen sekoituksen kautta (monissa tapauksissa pidämme ionien liikkeitä vähäisinä elektronien liikkeiden edessä, oletamme sitten ionit kiinteiksi). Lämpösekoituksella on taipumus levittää elektronien jakautumista, mutta sitä tasapainottavat sähköstaattiset voimat, jotka ovat yleensä neutraaleja. Siksi saadaan sähköinen jakelu, joka lähestyy sinistä käyrää toisessa kaaviossa. Tätä jakaumaa kutsutaan elektroniseksi vaipaksi ja voidaan osoittaa, että sen koko on Debyen pituuden mukainen.

Alkuperäinen tilanne Tasapainotilanne

Aikaisemmin määritelty sähköinen seulonta antaa meille mahdollisuuden tunnistaa Debye-pituus: se on pituusasteikko, jonka alapuolella voi olla varauksen erotus ja jonka yläpuolella plasma palauttaa neutraaluutensa.

kanssa:



Kun häiritsemme plasmaa tasapainossa, elektronit alkavat heilahtaa tietyllä sykkeellä:

Suuruusjärjestykset

Eri plasmat
Nimellisarvo Elektroninen tiheys [m -3 ] Elektroninen lämpötila [K]
Heikosti ionisoitu
Ionosfääri (alempi kerros)
Kaasupurkaus
Voimakkaasti ionisoitu
Ionosfääri (ylempi kerros)
Aurinkokorona
Tiheä
Magneettinen fuusio
Tähden sydän
Inertiafuusio
valkoinen kääpiö

Matemaattinen mallinnus

On olemassa monia matemaattisia malleja, jotka soveltuvat erityyppisille plasmoille. Ne kaikki vaativat kytkentää hiukkasten evoluutioyhtälöiden ja sähkömagneettisen kentän välillä . Suuri määrä yhtälöitä ja vapausasteita (3 tilaa, 3 nopeutta plus aika) sijoittaa plasman fysiikan ongelmat vaikeimpien numeerisesti ratkaistavien joukkoon.

Suurimman osan ajasta katsotaan, että hiukkasiin vaikuttaa keskimääräinen sähkömagneettinen kenttä: tämä on Vlassov- lähestymistapa . Vastaavasti voimme ottaa huomioon kaikki hiukkasten väliset vuorovaikutukset: tämä on Fokker-Planck-lähestymistapa , joka on luonnollisesti paljon monimutkaisempi.

Sähkömagneettisen kentän evoluution mallinnuksessa käytetään tavallisesti Maxwell-yhtälöitä . Jos magneettikentän vaikutukset ovat heikkoja, voidaan tyydyttyä sähköstaattisuuden Poissonin yhtälöön . Nämä yhtälöt yhdistetään edellisiin varaustiheyden ja plasmavirran lähdetermeillä. Nämä saadaan nopeuden jakauman momenteista.

Tapauskohtaisesti voimme myös ottaa huomioon hiukkasten törmäysten vaikutuksen (vuorovaikutukset hyvin lyhyellä etäisyydellä). Jos törmäyksiä on riittävästi, hiukkasten nopeuden jakautuminen pyrkii kohti paikallista Maxwellin tasapainoa: tämä on nesteen raja.

Yleinen likiarvo koostuu yhden keskimääräisen nesteen tarkastelusta kaikille plasman hiukkasille: se on magnetohydrodynamiikka (tai MHD), joka mahdollistaa erityisesti aurinkotuulen mallintamisen.

Tutkimusalat ja sovellukset

Huomautuksia ja viitteitä

  1. "plasman" (tarkoittaa B) leksikografiset ja etymologiset määritelmät ranskalaisesta atk-kassasta kansallisen teksti- ja leksikaalisten resurssien keskuksen verkkosivustolla
  2. (sisään) MG Kong , G. Kroesen , G. Morfill ja T. Nosenko , "  Plasma Medicine: an Introductory Review  " , New Journal of Physics , voi.  11, n °  11,2009, s.  115012 ( ISSN  1367-2630 , DOI  10.1088 / 1367-2630 / 11/11/115012 , luettu verkossa , käytetty 18. joulukuuta 2018 )
  3. (in) Gregory Fridman , Gary Friedman , Alexander Gutsol ja Anatoli B. Shekhter , "  Applied Plasma Medicine  " , plasmaprosessit ja Polymers , vol.  5, n o  6,2008, s.  503-533 ( ISSN  1612-8869 , DOI  10.1002 / ppap.200700154 , luettu verkossa , käytetty 18. joulukuuta 2018 )

Ulkoiset linkit