1.3. Температура, густина, квазінейтральність та ступінь іонізації. Температура

При читанні науково-популярної літератури читач часто бачить значення температури плазми порядку десятків, сотень тисяч або навіть мільйонів °С або К. Для опису плазми у фізиці зручно вимірювати температуру не в °С, а в одиницях виміру, що характерна для енергії руху частинок, наприклад, в електрон-вольтах (еВ). Для переведення температури у еВ можна скористатися наступним співвідношенням: 1 еВ = 11600 K (Кельвінів). Таким чином стає зрозуміло, що температура в «десятки тисяч °С» досить легко досяжна.

У нерівноважній плазмі електронна температура істотно перевищує температуру іонів. Це відбувається через відмінність в масах іону і електрону, яка ускладнює процес обміну енергією. Така ситуація зустрічається в газових розрядах, коли іони мають температуру близько сотень, а електрони близько десятків тисяч K.

У рівноважній плазмі обидві температури рівні. Оскільки для здійснення процесу іонізації необхідні температури, порівнянні з потенціалом іонізації, рівноважна плазма зазвичай є гарячою (з температурою більше кількох тисяч K).

Поняття високотемпературна плазма вживається звичайно для плазми термоядерного синтезу, який вимагає температур в мільйони K.

Ступінь іонізації

Для того, щоб газ перейшов у стан плазми, його необхідно іонізувати. Ступінь іонізації пропорційна числу атомів, які віддали або поглинули електрони, і найбільше залежить від температури. Навіть слабо іонізований газ, в якому менше 1% часток знаходяться в іонізованому стані, може проявляти деякі типові властивості плазми (взаємодія з зовнішнім електромагнітним полем і висока електропровідність). Ступінь іонізації α визначається як α = ni/(ni+ na), де n i — концентрація іонів, а na — концентрація нейтральних атомів. Концентрація вільних електронів в незарядженій плазмі ne визначається очевидним співвідношенням: ne=<Z>ni, де <Z> — середнє значення заряду іонів плазми.

Для низькотемпературної плазми характерна мала ступінь іонізації (до 1%). Так як такі плазми досить часто вживаються в технологічних процесах, їх іноді називають технологічними плазмами. Найчастіше їх створюють за допомогою електричних полів, які прискорюють електрони, які в свою чергу іонізують атоми. Електричні поля вводяться у газ за допомогою індуктивного або ємнісного зв'язку (див. індуктивно-пов'язана плазма). Типові застосування низькотемпературної плазми включають плазмову модифікацію властивостей поверхні (алмазні плівки, нітридування металів, зміна змочуваності), плазмове травлення поверхонь (напівпровідникова промисловість), очищення газів і рідин (озонування води і спалювання частинок сажі в дизельних двигунах).

Гаряча плазма майже завжди повністю іонізована (ступінь іонізації ~100%). Зазвичай саме вона розуміється під «четвертим агрегатним станом речовини». Прикладом може служити Сонце.

Густина

Крім температури, яка має фундаментальну важливість для самого існування плазми, другою найважливішою властивістю плазми є густина. Словосполучення густина плазми зазвичай позначає густину електронів, тобто число вільних електронів в одиниці об'єму (строго кажучи, тут, густиною називають концентрацію — не масу одиниці об'єму, а число часток в одиниці об'єму) . У квазінейтральній плазмі густина іонів пов'язана з нею за допомогою середнього зарядового числа іонів : . Наступною важливою величиною є густина нейтральних атомів . У гарячій плазмі величина мала, але може проте бути важливою для фізики процесів в плазмі. При розгляді процесів в густій, неідеальній плазмі характерним параметром густини стає , який визначається як відношення середньої відстані між частинками до борівського радіусу.