11.4. Температура плазмы

Плазма – особое состояние материи. Современные знания о плазме представляют собой, образно говоря, кашу. Попытаемся сформировать более чёткие представления о главном параметре плазмы – её температуре.

Начнём с определения плазмы в учебниках. Плазма – сильно ионизированный газ, в котором концентрация электронов приблизительно равна концентрации положительных ионов. Горячая плазма имеет температуру , а холодная . Далее, учебник просвещает нас о том, что все звёзды, звёздные атмосферы, галактические туманности и межзвёздная среда – тоже плазма.

Интересное дело, температура межзвездной среды около 3 град. Кельвина, что явно противоречит исходному определению понятий горячая и холодная плазма. Как быть? Давать новое определение понятию плазма? Попытаемся.

Плазма – электронно-ионное состояние вещества, непрерывно излучающего и поглощающего фотоны, соответствующие температуре этого вещества. Такое определение снимает температурное ограничение и облегчает формирование представлений о физической сути плазмы.

В соответствии с законом Вина (304), температуру в любой точке пространства формирует максимальная совокупность фотонов с определённой длиной волны или радиусом.

Радиусы фотонов (длины волн), совокупности которых формируют температуры и , представлены в формулах (313) и (314), а их энергии – в формулах (315) и (316).

Радиусы фотонов (длины волн), совокупности которых формируют температуры 100 и 1000 град. Цельсия, представлены в формулах (320) и (321).

Поскольку это радиусы (длины волн) невидимых инфракрасных фотонов, то создаётся впечатление ошибочности результата расчёта, так как тела с температурой излучают световые фотоны. Мы уже пояснили суть этой кажущейся ошибочности. Поясним ещё раз. Надо учитывать, что формула Вина даёт радиус (длину волны) максимальной плотности фотонов, формирующих такую температуру. Это значит, что присутствие световых фотонов не исключается, что мы и наблюдаем в действительности, но температуру, равную , формирует максимальная совокупность инфракрасных фотонов с радиусом (длиной волны) . Фотонов с другими радиусами меньше в зоне с такой температурой. Определим температуру, которую формирует максимальная совокупность световых фотонов с максимальным радиусом вращения (максимальной длиной волны) равным .

(347)

Не надо удивляться столь высокой температуре, формируемой световыми фотонами с параметрами вблизи инфракрасной области. Закон Вина указывает лишь на то, что в зоне с такой температурой максимальное количество фотонов будет иметь радиус (длину волны) . Конечно, в этой зоне будут не только световые фотоны всех радиусов, но и инфракрасные и ультрафиолетовые фотоны (рис. 130, 131). Однако, максимальное количество фотонов будет с радиусом .

Мы уже показали, что минимальную температуру формируют фотоны с радиусами . Вполне естественно, что возникает вопрос: почему не существует фотонов с большим радиусом?

Если бы мы представляли фотон, как волну, то ответ на поставленный вопрос мы бы никогда не получили, так как волна не имеет параметра, который бы позволил нам понять причины локализации фотона в пространстве и причины существования предела этой локализации. А вот радиус фотона, является естественным геометрическим параметром, позволяющим составить представление о причине существования предела локализации фотона (рис. 31, 32).

Так как фотон (рис. 31, 32) имеет форму, близкую к кольцевой и так как он имеет массу в движении, то он может существовать в локализованном состоянии только при условии равенства между центробежной силой инерции и силой, сжимающей кольцо фотона. У нас остаётся одна возможность: признать, что силы, сжимающие фотон в процессе его движения со скоростью света и удерживающие его в локализованном состоянии, имеют магнитную природу. Вполне естественно, что величина этих сил зависит от массы фотона. Чем масса фотона больше, тем эти силы больше. Из закона локализации фотона

(348)

следует, что с увеличением длины его волны (радиуса) его масса уменьшается. Таким образом, должен существовать предел равенства центробежных сил инерции и магнитных сил, действующих на кольцевую (рис. 31, 32) модель фотона. Он обусловлен уменьшением сил, локализующих фотон в пространстве (рис. 31, 32). В результате, достигнув этого предела, совокупность напряжённостей магнитных полей, локализующих фотон в пространстве, оказывается недостаточной, и вся структура фотона разрушается, а остатки магнитных полей растворяются в субстанции, из которой они и состоят и которую мы называем эфиром.

Итак, закон Вина (304), описывающий процесс формирования температуры, великолепно работает в реликтовом, инфракрасном и световом диапазонах фотонных излучений (старое название – электромагнитные излучения). Согласно этому закону радиусы фотонов (длины волн), совокупность которых формирует температуру, обратно пропорциональны величине температуры. Чем больше температура, тем меньше радиусы фотонов, которые формируют её.

Мы - перед вполне естественным следующим вопросом: чему равна максимально возможная температура плазмы и совокупность каких фотонов формирует её? Мы уже отметили, что современная наука не имеет ещё точного ответа на этот вопрос, поэтому попытка найти его - дело не простое.

Известно, что спектр излучения Солнца близок к спектру излучения абсолютно черного тела (рис. 131, 132) с температурой Т=6000 К. Эти данные позволяют нам вычислить радиусы фотонов, формирующих температуру на поверхности Солнца. Они равны

. (349)

Это фотоны середины светового диапазона. Средняя величина температуры на поверхности Солнца, равная 6000 К, свидетельствует о том, что её формируют не самые энергоёмкие световые фотоны, радиусы (длины волн) которых равны и у нас возникает желание знать температуру, которую сформируют эти фотоны. Она равна . Это не так много, но достаточно, чтобы плавился самый тугоплавкий металл вольфрам. Его температура плавления равна Т=3382 С, а кипения – Т=6000 С.

Конечно, если закон Вина работает в реликтовом, инфракрасном и световом диапазонах, то он должен работать в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма диапазонах. Попытаемся проверить это.

Известно, что ультрафиолетовое излучение Солнца начинается с длины волны . Какую температуру может формировать совокупность таких фотонов? Закон Вина даёт такой ответ Так мало!

Однако, астрофизики считают, что голубые звёзды имеют на поверхности температуру до 80000К. В соответствии с законом Вина, по которому они определяют эту температуру, её формирует совокупность фотонов с радиусами . Это фотоны, примерно, середины ультрафиолетового диапазона (табл. 2).

А Франк – Каменецкий утверждает, что в недрах Солнца сжатая плазма имеет температуру свыше . При этой температуре, как он полагает, идут термоядерные реакции. Вполне естественно, что температуру не могут формировать световые фотоны. Закон Вина позволяет нам определить радиусы (длины волн) фотонов, формирующих такую температуру. Они равны . Это фотоны средней зоны рентгеновского диапазона (табл. 2). И тут мы сразу вспоминаем рентгеноскопию. Все мы её проходили и никакого тепла не ощущали.

Допустим, что нас облучали рентгеновскими фотонами, соответствующими началу рентгеновского диапазона и имеющими радиусы (длины волн) . В соответствии с законом Вина совокупность этих фотонов должна формировать температуру . Да, в рентгенкабинетах нас облучают фотонами, которые могут формировать температуру более миллиона градусов, а мы не ощущаем её. Почему?

Если предположить, что рентгеновские аппараты генерируют не максимальную совокупность этих фотонов, а всего лишь 5% от максимальной совокупности, то они, согласно закону Вина, формируют температуру, равную 50000 К. Однако, мы её не ощущаем, проходя рентгеновское обследование. Это значит, что рентгеновские фотоны не формируют температуру, отождествляемую нами с привычным для нас теплом.

Конечно, физики обязаны были давно изучить этот вопрос, но они не сделали этого. В результате, мы до сих пор не знаем границу на шкале фотонных излучений, где заканчиваются фотоны, формирующие тепло и температуру в привычном для нас понимании и начинаются фотоны, совокупность которых не генерирует тепло.

Спектр абсолютно чёрного тела (рис. 131) с одной стороны ограничен фотонами, формирующими температуру от абсолютного нуля, а с другой стороны фотонами ультрафиолетового диапазона. Следовательно, существует граница фотонов, формирующих такую температуру среды, которую мы отождествляем с теплом. Все фотоны, имеющие радиусы (длины волн) меньшие, чем на этой границе, не формируют тепло в принятом нами понимании. Как же найти эту границу?

Из спектроскопии известно, что электроны взаимодействуют с протонами ядер атомов линейно и энергии их связи, примерно, одинаковые. С учетом этого мы можем взять энергию ионизации атома водорода. Она равна E=13,6 eV. Радиусы фотонов, имеющих такую энергию, равны Это фотоны невидимого ультрафиолетового диапазона. Совокупность этих фотонов формирует температуру .

Итак, граница между фотонами, которые формируют привычную для нас температуру, находится между ультрафиолетовым и рентгеновским диапазонами (табл. 2). Как найти точные параметры фотонов, которые определяют эту границу?

На нашем пути преграда. Суть её в том, что при последовательном удалении электронов из атомов энергии связи остающихся электронов с протонами ядер оказываются пропорциональными энергии ионизации атома водорода, умноженной на квадрат количества электронов, удалённых из атома. Обусловлено это тем, что освободившийся протон ядра начинает взаимодействовать с соседним электроном и таким образом увеличивает его энергию связи с ядром, которая оказывается равной энергии фотонов, излученных при этом. Возникает вопрос: с каким количеством протонов может взаимодействовать один электрон, уменьшая свою массу и не теряя устойчивость?

Нам известно, что наиболее энергоёмкие фотоны излучаются электронами водородободобных атомов. Это такие атомы, у которых остаётся один электрон на все протоны ядра. Электрон водородоподобного атома гелия имеет энергию ионизации, равную 54,41 eV. Фотоны с такой энергией находятся в ультрафиолетовом диапазоне. Они имеют радиусы . Это фотоны середины ультрафиолетового диапазона (табл. 2). Совокупность таких фотонов формирует температуру . Это уже не мало. Физический смысл этой температуры означает, что она соответствует началу формирования атома гелия и астрофизики подтверждают это.

Итак, перед нами проблема определения максимально возможной температуры и мы пока не знаем, как её решить. Есть ещё одно направление поиска. Если фотоны излучает электрон, то у него должен существовать предел потери массы, после которого он теряет устойчивость.

Возьмём для примера сотый химический элемент – Фермий. Если атом фермия станет водородоподобным, с одним электроном, то этот электрон, устанавливая связь со всеми 100 протонами ядра излучит фотон с энергией, равной произведению энергии ионизации атома водорода на квадрат номера химического элемента. E=13,6x100x100=136000eV. Радиус этого фотона будет равен

Это фотон рентгеновского диапазона, который, как мы уже установили, не генерирует тепло в принятом у нас понимании.

Вполне естественно, что описанное событие не может произойти, так как существует предел уменьшения массы электрона, после которого он должен терять устойчивость и растворятся в эфире.

Итак, максимально возможную температуру, которую мы отождествляем с теплом, формируют фотоны ультрафиолетового или начала рентгеновского диапазона, но точные параметры этих фотонов мы ещё не знаем.