Молекулярно-атомная суть процесса образования плазмы

Плазмой называют четвёртое состояние веществ, представляющее собой ионизированный газ, в котором содержатся положительно заряженные ионы, электроны, а также возбужденные и нейтральные атомы и молекулы. В природе плазма встречается в газах при дуговых, тёмных и тлеющих разрядах. А в практической деятельности человека она нашла довольно широкое применение в промышленности при осуществлении механической обработки металлических заготовок. Безусловно, никакой фрезерный или сверлильный станок с ЧПУ плазму в своей работе не использует, зато она является основой в электросварке, плазменной наплавке и резке. При этом чаще всего её использует аппарат плазменной резки.

На сегодняшний день существует два вида плазмы:

• газоразрядная – образуется в газах при возникновении электрических разрядов;
• изотермическая – возникает при достижении температурой газа значения, запускающего его термическую ионизацию.

Проследить физические явления, происходящие при переходе вещества в четвёртое состояние, можно на примере изотермической плазмы. При повышении температуры у неё растёт кинетическая энергия, а также амплитуда колебания молекул и атомов, расположенных в углах кристаллических решеток. Продолжается это до того момента, пока они не перейдут в жидкое состояние, а затем уже получается газообразная смесь молекул тех элементов, которые входят в состав вещества. Они беспорядочно и очень быстро двигаются, из-за чего постоянно сталкиваются друг с другом.

При повышении температуры вещества до 3000-5000 К диссоциация молекул заканчивается и газ начинает превращение в плазму. Такая температура обеспечивает достижение такой кинетической энергии атома, при которой в момент столкновения начинают разрушаться его электронная оболочка, а нейтральные атомы превращаются в положительно заряженные ионы. В свою очередь, освобождённые электроны выбивают с оболочек остальных атомов их электроны. И такой процесс протекает лавинообразно.

В итоге помимо нейтральных атомов в газе также появляются свободные отрицательные электроны, которые были оторваны от атомов, и положительные ионы. При возрастании температуры вещества процентное содержание электронов и ионов в смеси увеличивается. Газ из водорода, атомы которого состоят из одного электрона и одного ядра, при десятках тысяч градусов не только достигает полной ионизации, но и прекращает протекание процесса ионизации атомов. Связано это с тем, что все его ядра уже утратили свои электрона, а плазма превратилась в смесь исключительно из ядер атомов и отрицательно заряженных электронов, не связанных с ними.

Те вещества, которые имеют большую по сравнению с водородом атомную массу, имеют, соответственно, и большее количество электронов и электронных оболочек в совокупности с более прочными связями ядра с электронами. По этим причинам электроны у них при двадцати-тридцати тысячах градусов теряются только с внешних оболочек, что не позволяет закончить процесс ионизации. Достичь получается только полной ионизации газа, а плазма же состоит не из смеси ядер атомов, свободных от электронов, с самими электронами, а из свободных электронов и ионов, у которых всё ещё есть связь с ядрами на внутренних оболочках.