4.11 Возможные механизмы излучения газов, нагретых до высоких температур.

Вы знаете, что свет излучается определенными квантами. Рассмотрим одноатомный газ.

Световые кванты излучаются и поглощаются при переходах электронов в атомных системах, атомах, молекулах, ионах, электронно-ионной плазме, из одного состояния в другое.

При поглощении кванта происходит возбуждение атома, молекулы и т.д. Для того, чтобы произошло испускание кванта, необходимо предварительно возбудить атом. Атом теряет энергию возбуждения, передавая ее испускаемому кванту. Лучеиспускательная способность тем выше, чем больше число возбужденных атомов, т.е. чем выше температура.

Все электронные переходы подразделяются на три группы по признаку непрерывности или дискретности энергетического спектра начального и конечного состояний атомной системы: на связанно-связанные, связанно-свободные и свободно-свободные.

При температурах газов 12 – 20 тыс. К они уже ионизованы, т.е. заметная часть электронов находится в свободном состоянии. Можно предположить, что излучательная способность газа при таких температурах обуславливается свободно-свободными переходами (тормозное излучение), свободно-связанными переходами на различные возбужденные состояния (рекомбинационное излучение) и дискретными переходами между возбужденными состояниями атома или иона (линейчатое излучение). В зависимости от уровня температуры, рода газа, давления газа может преобладать тот или иной механизм излучения.

Так, например, для инертных газов, на основе общих представлений о характере зависимости излучения от температуры и давления и экспериментальных данных Ровинским предложено следующее соотношение для оценки излучающей способности.

q _изл – Вт/см³; P в Мпа, T в Кельвинах.

c и a – постоянные коэффициенты.

Это соотношение справедливо для инертных газов в условиях, когда преобладающими процессами излучения являются свободно-связанные и связанно-связанные переходы, т.е. при температурах не ниже 6000К и не выше температур, при которых существенным тановится вклад тормозного излучения (свободно-свободные переходы), т.е. где-то порядка 10000-12000К.

5. Плазма.

5.1. Общие понятия.

Поскольку вы имеете дело с импульсными тепловым машинами, с выделением в ряде случаев в импульсе больших энергетик, которые могут приводить к появлению плазмы.

Плазмой называется ионизованный газ, в котором часть атомов потеряли по одному или по несколько принадлежавших им электронов и превратились в положительные ионы. Это предварительное определение плазмы.

В общем случае плазма представляет собой смесь трех компонент. Она содержит свободные электроны, положительные ионы и нейтральные атомы (или молекулы).

Плазма оказывается самым распространенным состоянием вещества в природе.

Солнце и звезды можно рассматривать как гигантские сгустки горячей плазмы. Внешняя часть земной атмосферы – ионосфера не что иное как плазменная оболочка.

За пределами ионосферы простирается плазмосфера и так называемые радиационные пояса, которые представляют собой своеобразные плазменные образования.

В земных условиях: мы встречаемся с плазмой при различных газовых разрядах, т.к. любой разряд (молния, искра, дуга) всегда связан с возникновением плазмы. Так же мы рассмотрели ряд установок таких как метательные, для получения импульсов излучения, в которых также образовывалась плазма.

Важными стимулами в развитии исследований по физике плазмы были перспективы практического применения. Сначала интерес представлял вопрос получения плазмы как проводника электрического тока, затем как источника света и т.д. Сложными вопросами являлись вопросы с управляемым термоядерным синтезом.

Физика плазмы, как уже отмечалось, проникает так же в ускорительную технику.

Уточним определение плазмы.

Электрические силы, связывая разноименные заряды в плазме, обеспечивают ее квазилинейность, т.е. приблизительное равенство концентрации электронов и ионов.

Для плазмы вводят характерный размер r_д – называемый дебайевским радиусом, который характеризует экранирование электрического поля в плазме.

Допустим, что в плазму введен “пробный” точечный заряд q. На достаточно малом расстоянии r от этого заряда потенциал будет q/r. Однако на больших расстояниях ход потенциальной функции изменится вследствие поляризации плазмы, вызываемой полем заряда q.

При установившемся статическом равновесии пространственное распределение электронов и ионов в окрестности пробного заряда определяется законом Больцмана.

u – потенциальная энергия.

Используя закон Пуассона для потенциала  ~ Ex ~ 4nex² и закон Больцмана, можно видеть, что на больших расстояниях от заряда q потенциал убывает экспоненциально, а область поля вокруг q ограничена сферой с радиусом порядка r_д.

Используя понятие дебайевского радиуса определение плазмы:

Собрание свободно движущихся разноименно заряженных частиц, т.е. ионизированный газ, называется плазмой, если r_д мал по сравнению с объемом, занимаемым газом.