При высоких
т-рах, под действием электромагн. полей большой напряженности, при облучении
газа потоками заряженных частиц высокой энергии. Характерная особенность плазмы,
отличающая ее от обычного ионизованного газа , состоит в том, что линейные размеры
объема, занимаемого плазмой, много больше т. наз. дебаевского радиуса экранирования
D (см. Дебая-Хюккеля теория). Значение D для i-го
иона с концентрацией H i и т-рой T i определяется
выражением:
где n е
и Т е - концентрация и т-ра электронов соотв., е i -заряд
иона , е-элементарный электрич. заряд (заряд электрона), k- постоянная
Больцмана . Из этого выражения следует, что в плазме, как правило, т-ры электронов
и ионов различаются.
В низкотемпературной плазме
средняя энергия электронов или ионов значительно меньше эффективной энергии
ионизации частиц газа ; высокотемпературной считается плазма, характеризуемая обратным
соотношением указанных энергий (учитывается вклад в ионизацию разл. частиц).
Обычно низкотемпературная плазма имеет т-ру частиц меньше 10 5 К, высокотемпературная-порядка
10 -10 8 К. Отношение концентрации заряженных частиц к суммарной концентрации
всех частиц наз. степенью ионизации плазмы.
П
лазма, получаемая в лаб. условиях,
является в термодинамич. смысле открытой системой и всегда термодинамически
неравновесна. Процессы переноса энергии и массы приводят к нарушению локального
термодинамич. равновесия и стационарности (см. Химическая термодинамика),
закон Планка для поля излучения, как правило, не выполняется. Плазма наз. термической,
если ее состояние описывается в рамках модели локального термич. равновесия ,
а именно: все частицы распределены по скоростям в соответствии с законом Максвелла;
т-ры всех компонент одинаковы; состав плазма определяется законом действующих масс ,
в частности ионный состав обусловлен равновесием между ионизацией и рекомбинацией
(ф-ла Эггерта-Саха по сути является выражением для константы равновесия этих
процессов); заселенности энергетич. уровней всех частиц подчиняются распределению
Больцмана. Термическая плазма характеризуется обычно высокой степенью ионизации
и м. б. реализована в газах с относительно малой эффективной энергией ионизации
при достаточно высокой оптич. плотности (т.е. излучение плазмы почти целиком поглощается
ее собств. частицами). Обычно плазма описывается моделью частичного локального термич.
равновесия , к-рая включает все вышеперечисл. положения, но требует подчинения
закону Больцмана заселенностей лишь возбужденных уровней частиц плазмы, исключая
их основные состояния. Такую плазму наз. квазиравновесной; пример квазиравновесной
плазмы-столб электрич. дуги при атм. давлении .
Несоблюдение хотя бы одного
из условий локального термич. равновесия приводит к возникновению не равновесной плазмы. Очевидно, существует бесконечное множество неравновесных состояний плазмы. Примером
сильно неравновесной плазмы является плазма тлеющего разряда в газах при давлениях 10 1 -10 3
Па, в к-рой средняя энергия электронов составляет 3-6 эВ, а т-ра тяжелых частиц
не превышает обычно 1000 К. Существование и стационарность такого неравновесного
состояния плазмы обусловлены затрудненностью обмена энергией между электронами и
тяжелыми частицами. В плазме мол. газов , помимо этого, может иметь место неэффективный
обмен энергией между
разл. внутр. степенями свободы: электронной, колебательной, вращательной. В
пределах каждой из степеней свободы обмен энергией происходит относительно легко,
что приводит к установлению квазиравновесных распределений частиц по соответствующим
энергетич. состояниям. В этом случае говорят об электронной, колебат., вращат.
т-рах частиц плазмы.
Осн. особенности плазмы, отличающие
ее от нейтрального газа и позволяющие рассматривать плазму как особое, четвертое
состояние материи (четвертое агрегатное состояние в-ва), состоят в следующем.
1) Коллективное взаимод.,
т.е. одновременное взаимод. друг с другом большого числа частиц (в обычных газах
при нормальных условиях взаимод. между частицами, как правило, парное), обусловлено
тем, что кулоновские силы притяжения и отталкивания убывают с расстоянием гораздо
медленнее, чем силы взаимод. нейтральных частиц, т.е. взаимод. в плазме являются
"дальнодействующими".
2) Сильное влияние электрич.
и магн. полей на св-ва плазмы, к-рое приводит к появлению в плазме пространств. зарядов
и токов и обусловливает целый ряд специфич. св-в плазмы.
Одно из важнейших св-в
плазмы-ее квазинейтральность, т.е. почти полная взаимная компенсация зарядов на
расстояниях, значительно больших дебаевского радиуса экранирования. Электрич.
поле отдельной заряженной частицы в плазме экранируется полями частиц с зарядом
противоположного знака, т.е. практически снижается до нуля на расстояниях порядка
дебаевского радиуса от частицы. Любое нарушение квазинейтральности в объеме,
занимаемом плазмой, приводит к появлению сильных электрич. полей пространств. зарядов,
восстанавливающих квазинейтральность плазмы.
В состоянии плазмы находится
подавляющая часть в-ва Вселенной - звезды, звездные атмосферы , галактич. туманности
и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде "солнечного
ветра", заполняет магнитосферу Земли (образуя радиац. пояса Земли) и ионосферу.
Процессами в околоземной плазме обусловлены магн. бури и полярные сияния. Отражение
радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.
В лаб. условиях и при пром. применениях плазму получают посредством электрич. разряда в
Помимо трех основных состояний вещества: жидкого, твердого и газообразного, существует еще и четвертое состояние вещества. Это состояние называется плазма. Плазма - частично или полностью ионизированный газ. Плазму можно получить путем дальнейшего нагревания газа. При достаточно больших температурах начинается ионизация газа. И он переходит в состояние плазмы.
Степень ионизации плазмы может быть различной, в зависимости от того сколько атомов и молекул ионизировано. Помимо нагревания газа, плазму можно получить и другими путями. Например, с помощью излучений или бомбардировкой газа быстрыми заряженными частицами. В таких случаях говорят о низкотемпературной плазме.
Свойства плазмы
Плазму выделили в отдельное четвертое состояние вещества, так как она обладает специфическими свойствами. Плазма в целом является электрически нейтральной системой. Любое нарушение нейтральности устраняется путем скопления частиц одного знака.
Это происходит потому, что заряженные частицы плазмы обладают очень высокой подвижностью и легко поддаются воздействию электрических и магнитных полей. Под действием электрических полей заряженные частицы перемещаются к области, где нарушена нейтральность, до тех пор, пока электрическое поле не станет равным нулю, то есть восстановится нейтральность.
Между молекулами плазмы действуют силы кулоновского притяжения. При этом каждая частица взаимодействует сразу с многими другими окружающими её частицами. Вследствие чего, частицы плазмы помимо хаотичного теплового движения, могут участвовать в различных упорядоченных движениях. Поэтому в плазме легко возбудить различные колебания и волны.
По мере увеличения степени ионизации плазмы, её проводимость увеличивается. При достаточно высоких температурах, плазму можно считать сверхпроводником.
Плазма в природе
Огромная часть вещества Вселенной находится именно в состоянии плазмы. Например, Солнце и другие звезды вследствие высокой температуры состоят, в основном, из полностью ионизированной плазмы. Межзвездная среда тоже состоит из плазмы. Здесь ионизация атомов вызывается излучением самих звезд.
Межзвездная плазма является примером низкотемпературной плазмы. Наша планета тоже окружена плазмой. Например, ионосфера. В ионосфере ионизация газа вызывается излучением солнца. Выше ионосферы, расположены радиационные пояса Земли, которые тоже состоят из плазмы.
В данном случае плазма также является низкотемпературной. Большей частью свойств плазмы обладают также свободные электроны в металлах. Но их ограничением является тот факт, что они не могут свободно перемещаться по всему объему тела.
Плазма крови – это вязкая однородная жидкость светло-желтого цвета. Она составляет около 55-60% от общего объема крови. В виде взвеси в ней находятся клетки крови. Обычно плазма прозрачна, но после приема жирной пищи может быть слегка мутной. Состоит из воды и растворенных в ней минеральных и органических элементов.
Состав плазмы и функции ее элементов
Большую часть плазмы составляет вода, ее количество – примерно 92 % от всего объема. Кроме воды, она включает следующие вещества:
- белки;
- глюкозу;
- аминокислоты;
- жир и жироподобные вещества;
- гормоны;
- ферменты;
- минералы (ионы хлора, натрия).
Около 8% от объема составляют белки, которые являются основной частью плазмы. В ней содержится несколько видов белков, основными из них являются:
- альбумины – 4-5%;
- глобулины – около 3%;
- фибриноген (относится к глобулинам) – около 0,4%.
Альбумин
Альбумин – основной белок плазмы. Отличается малой молекулярной массой. Содержание в плазме – более 50% от всех белков. Образуются альбумины в печени.
Функции белка:
- выполняют транспортную функцию – переносят жирные кислоты, гормоны, ионы, билирубин, лекарственные препараты;
- принимают участие в обмене веществ;
- регулируют онкотическое давление;
- участвуют в синтезе белков;
- резервируют аминокислоты;
- доставляют лекарственные препараты.
Изменение уровня этого белка в плазме является дополнительным диагностическим признаком. По концентрации альбумина определяют состояние печени, так как для многих хронических заболеваний этого органа характерно его снижение.
Глобулины
Остальные белки плазмы относятся к глобулинам, которые являются крупномолекулярными. Вырабатываются они в печени и в органах иммунной системы. Основные виды:
- альфа-глобулины,
- бета-глобулины,
- гамма-глобулины.
Альфа-глобулины связывают билирубин и тироксин, активизируют производство белков, транспортируют гормоны, липиды, витамины, микроэлементы.
Бета-глобулины связывают холестерол, железо, витамины, транспортируют стероидные гормоны, фосфолипиды, стерины, катионы цинка, железа.
Гамма-глобулины связывают гистамин и участвуют в иммунологических реакциях, поэтому их называют антителами, или иммуноглобулинами. Существует пять классов иммуноглобулинов: IgG, IgM, IgA, IgD, IgE. Вырабатываются в селезенке, печени, лимфоузлах, костном мозге. Они отличаются друг от друга биологическими свойствами, структурой. Имеют разные способности по связыванию антигенов, активированию иммунных белков, имеют разную авидность (скорость связывания с антигеном и прочность) и способность проходить через плаценту. Примерно 80% всех иммуноглобулинов оставляют IgG, которые обладают высокой авидностью и являются единственными из всех, способными проникать через плаценту. Первыми у плода синтезируются IgM. Они же появляются первыми в сыворотке крови после большинства прививок. Обладают высокой авидностью.
Фибриноген является растворимым белком, который образуется в печени. Под воздействием тромбина он превращается в нерастворимый фибрин, благодаря которому формируется сгусток крови в месте повреждения сосуда.
Другие белки
Кроме вышеперечисленных, в плазме содержатся и другие белки:
- комплемент (иммунные белки);
- трансферрин;
- тироксинсвязывающий глобулин;
- протромбин;
- С-реактивный белок;
- гаптоглобин.
Небелковые компоненты
Кроме этого плазма крови включает небелковые вещества:
- органические азотсодержащие: аминокислотный азот, азот мочевины, низкомолекулярные пептиды, креатин, креатинин, индикан. Билирубин;
- органические безазотистые: углеводы, липиды, глюкоза, лактат, холестерин, кетоны, пировиноградная кислота, минералы;
- неорганические: катионы натрия, кальция, магния, калия, анионы хлора, йода.
Ионы, находящиеся в плазме, регулируют баланс pH, поддерживают в норме состояние клеток.
Функции белков
У белков есть несколько предназначений:
- гомеостаз;
- обеспечение стабильности иммунной системы;
- поддержание агрегатного состояния крови;
- перенос питательных веществ;
- участие в процессе свертывания крови.
Функции плазмы
Плазма крови выполняет много функций, среди которых:
- транспортировка кровяных клеток, питательных веществ, продуктов обмена веществ;
- связывание жидких сред, находящихся вне кровеносной системы;
- осуществление контакта с тканями организма через внесосудистые жидкости, тем самым осуществляя гемостаз.
Донорская плазма спасает много человеческих жизней
Применение донорской плазмы
Для переливания в наше время чаще нужна не цельная кровь, а ее компоненты и плазма. Поэтому в пунктах переливания нередко сдают кровь на плазму. Получают ее из цельной крови центрифугированием, то есть отделяют жидкую часть от форменных элементов с помощью аппарата, после чего клетки крови возвращают донору. Процедура продолжается около 40 минут. Отличие от сдачи цельной крови заключается в том, что кровопотеря значительно меньше, и сдать плазму вновь можно уже через две недели, но не более 12 раз в течение года.
Из плазмы получают сыворотку крови, которую используют в лечебных целях. Она отличается от плазмы тем, что в ней нет фибриногена, при этом содержатся все антитела, которые могут противостоять возбудителям болезней. Для ее получения помещают на час в термостат стерильную кровь. Затем отслаивают образовавшийся сгусток от стенки пробирки и держат в холодильнике сутки. После этого с помощью пастеровской пипетки отстоявшуюся сыворотку сливают в стерильную емкость.
Заключение
Плазма крови – это ее жидкая составляющая, имеющая очень сложный состав. Плазма выполняет в организме важные функции. Кроме того, донорская плазма используется для переливания и приготовления лечебной сыворотки, которую используют для профилактики, лечения инфекций, а также в диагностических целях для идентификации полученных во время анализа микроорганизмов. Она считается более эффективной, чем вакцины. Иммуноглобулины, содержащиеся в сыворотке, сразу же нейтрализуют вредные микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности, быстрее формируется пассивный иммунитет.
Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Поэтому в целом плазма является электрически нейтральной системой.
Определяется отношением числа ионизированных атомов к их общему числу
В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизированную ( - доли процента), частично ионизированную ( - несколько процентов) и полностью ионизированную ( = 100%). Слабо ионизированной плазмой является ионосфера - верхний слой земной атмосферы. В состоянии полностью ионизированной плазмы находится Солнце, горячие звезды. Солнце и звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы, где температура очень высокая, порядка 10 6 - 10 7 К. Искусственно созданной плазмой различной степени ионизации является плазма в газовых разрядах, газоразрядных лампах.
Существование плазмы связано либо с нагреванием газа, либо с излучением различного рода, либо с бомбардировкой газа быстрыми заряженными частицами.
Ряд свойств плазмы позволяет рассматривать ее как особое состояние вещества. Плазма - самое распространенное состояние вещества. Плазма существует не только в качестве вещества звезд и Солнца, она заполняет и космическое пространство между звездами и галактиками. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизированную плазму. Частицы плазмы интенсивно взаимодействуют с внешними электрическими и магнитными полями: из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц с зарядом одного знака, быстро исчезает. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстанавливается и электрическое поле не становится равным нулю.
Между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. Электропроводность и теплопроводность полностью ионизированной плазмы зависят от температуры по законам
соответственно. При высокой температуре полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.
Ионизация атомов межзвездной среды производится излучением звезд и космическими лучами - потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд температура межзвездной плазмы очень мала.
Управление движением плазмы в электрических и магнитных полях является основой ее использования как рабочего тела в различных двигателях для непосредственного превращения внутренней энергии в электрическую - плазменные источники электроэнергии, магнитогидродинамические генераторы. Для космических кораблей перспективно использование маломощных плазменных двигателей. Мощная струя плотной плазмы, получаемая в плазмотроне, широко используется для резки и сварки металлов, бурения скважин, ускорения многих химических реакций. Проводятся широкомасштабные исследования по применению высокотемпературной плазмы для создания управляемых термоядерных реакций.
Состояние плазмы практически единогласно признается научным сообществом как четвертое агрегатное состояние. Вокруг данного состояния даже образовалась отдельная наука, изучающая это явление – физика плазмы. Состояние плазмы или ионизованный газ представляется как набор заряженных частиц, суммарный заряд которых в любом объеме системы равен нулю – квазинейтральный газ.
Также существует газоразрядная плазма, которая возникает при газовом разряде. При прохождении электрического тока через газ, первый ионизирует газ, ионизированные частицы которого являются переносчиками тока. Так в лабораторных условиях получают плазму, степень ионизации которой можно контролировать при помощи изменения параметров тока. Однако, в отличие от высокотемпературной плазмы, газоразрядная нагревается за счет тока, и потому быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.
Электрическая дуга — ионизированный квазинейтральный газ
Свойства и параметры плазмы
В отличие от газа вещество в состоянии плазмы обладает очень высокой электрической проводимостью. И хотя суммарный электрический заряд плазмы обычно равен нулю, она значительно подвержена влиянию магнитного поля, которое способно вызывать течение струй такого вещества и разделять его на слои, как это наблюдается на Солнце.
Спикулы — потоки солнечной плазмы
Другое свойство, которое отличает плазму от газа – коллективное взаимодействие. Если частицы газа обычно сталкиваются по двое, изредка лишь наблюдается столкновение трех частиц, то частицы плазмы, в силу наличия электромагнитных зарядов, взаимодействуют одновременно с несколькими частицами.
В зависимости от своих параметров плазму разделяют по следующим классам:
- По температуре: низкотемпературная – менее миллиона кельвин, и высокотемпературная – миллион кельвин и более. Одна из причин существования подобного разделения заключается в том, что лишь высокотемпературная плазма способна участвовать в термоядерном синтезе.
- Равновесная и неравновесная. Вещество в состоянии плазмы, температура электронов которого значительно превышает температуру ионов, называется неравновесной. В случае же когда температура электронов и ионов одинаковая говорят о равновесной плазме.
- По степени ионизации: высокоионизационная и плазма с низкой степенью ионизации. Дело в том, что даже ионизированный газ, 1% частиц которого ионизированы, проявляет некоторые свойства плазмы. Однако, обычно плазмой называют полностью ионизированный газ (100%). Примером вещества в таком состоянии является солнечное вещество. Степень ионизации напрямую зависит от температуры.
Применение
Наибольшее применение плазма нашла в светотехнике: в газоразрядных лампах, экранах и различных газоразрядных приборах, вроде стабилизатора напряжения или генератора сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения. Возвращаясь к освещению – все газоразрядные лампы основаны на протекании тока через газ, что вызывает ионизацию последнего. Популярный в технике плазменный экран представляет собой набор газоразрядных камер, заполненных сильно ионизированным газом. Электрический разряд, возникающий в этом газе порождает ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминифором и далее вызывает его свечение в видимом диапазоне.
Вторая область применения плазмы – космонавтика, а конкретнее – плазменные двигатели. Такие двигатели работают на основе газа, обычно ксенона, который сильно ионизируется в газоразрядной камере. В результате этого процесса тяжелые ионы ксенона, которые к тому же ускоряются магнитным полем, образуют мощный поток, создающий тягу двигателя.
Наибольшее же надежды возлагаются на плазму – как на «топливо» для термоядерного реактора. Желая повторить процессы синтеза атомных ядер, протекающие на Солнце, ученые работают над получением энергии синтеза из плазмы. Внутри такого реактора сильно разогретое вещество (дейтерий, тритий или даже ) находится в состоянии плазмы, и в силу своих электромагнитных свойств, удерживается за счет магнитного поля. Формирование более тяжелых элементов из исходной плазмы происходит с выделением энергии.
Также плазменные ускорители используются в экспериментах по физике высоких энергий.
Плазма в природе
Состояние плазмы – наиболее распространенная форма вещества, на которую приходиться около 99% массы всей Вселенной. Вещество любой звезды – это сгусток высокотемпературной плазмы. Помимо звезд, существует и межзвездная низкотемпературная плазма, которая заполняет космическое пространство.
Ярчайшим примером является ионосфера Земли, которая представляет собой смесь нейтральных газов (кислорода и азота), а также сильно ионизированного газа. Ионосфера образуется как следствие облучения газа солнечным излучением. Взаимодействие же космического излучения с ионосферой приводит к полярному сиянию.
На Земле плазму можно наблюдать в момент удара молнии. Электрический искровой заряд, протекающий в атмосфере, сильно ионизирует газ на своем пути, образуя тем самым плазму. Следует отметить, что «полноценная» плазма, как набор отдельных заряженных частиц, образуется при температурах более 8 000 градусов Цельсия. По этой причине утверждение, что огонь (температура которого не превышает 4 000 градусов) – это плазма – лишь популярное заблуждение.
