Пятое сосотояние вещества. Плазменный кристалл

размер шрифта: Aa | Aa

altДосболаев М.К., канд. физ-мат.наук, ст. препод. Казну им. аль-Фараби, Рамазанов В.С., ученик 11 –го кл. РФМШ им. Жаутыкова

Любая современная научная работа базируется на устоявшейся, общепризнанной системе знаний и разрабатывает, как правило, узкий, еще неизученный элемент общей теории. Кажется, что этоочень правильно, рационально и научно - в основе такой работы надежные, многократно эксперимен тально проверенные знания. Однако, и в этой системе есть слабое звено.

Все рушится сразу, если находится ошибка в основе всей теории. Именно в такой ситуации и оказалась современная наука, изучающая высокотемпературную плазму. Грубейшая ошибка обнаружена в самом основании этой теории, т.е. там, где ее никто не ожидал. Доказано, что как только температура плазмы превышает некий порог, ее свойства кардинально, скачкообразно изменяются. Все современные модели плазмы полностью теряют смысл, а все научные изыскания, основанные на этих моделях, становятся бессмысленными.

Условие Лоусона - это "священная корова" в современной теории Управляемого Термоядерного Синтеза (УТС), и в его основании постулат, что частицы в плазме движутся хаотически, а их скорости распределены по закону Максвелла. Если достаточно долго удерживать сгусток частиц, то, рано или поздно, большинство частиц удачно столкнутся и вступят в реакцию. Чем больше плотность частиц, тем меньше времени нужно удерживать плазму. Таким образом, постулируются газокинетические свойства плазмы, и в этом корень всех проблем и неудач с реализацией УТС. На самом деле все значительно сложнее и гармоничнее. Нагрев вещества до критической температуры, всего лишь, создает условия для образования множества точек плазменного фокуса. Как только такие точки фокуса в плазме образовались, ее свойства кардинально меняются. Это уже не хаос, а строго организованная в трехмерном пространстве система потоков (пучков) заряженных частиц со множеством трехмерных перекрестков. Частицы в этих потоках, то синхронно (все одновременно) замедляются, то синхронно ускоряются, создавая при этом мощнейшие сфероподобные электрические поля, и мощнейшие магнитные поля. В итоге, все пространство, занятое плазмой оказывается заполненным сложной и очень гармоничной структурой магнитных и электрических полей.

Поля создаются движущимися заряженными частицами плазмы, и эти же поля организуют движение самих частиц, заставляя их двигаться по строго определенным траекториям. Никакого хаотичного или беспорядочного движения частиц, в таком случае, не может быть. Электроны движутся по выделенным трассам, сбиваясь в плотные сгустки и замедляясь на пересечении этих трасс, а положи-тельные частицы совершают колебательные радиальные движения через эти сгустки электронов. Основной парадокс в том что, при общем равенстве положительных и отрицательных частиц, в районе перекрестков существует постоянный избыток отрицательных частиц, который не может быть уравновешен положительным зарядом. Положительные частицы, конечно же, притягиваются этим сгустком электронов, но пересекают его на максимальной скорости (прямых-то столкновений, практически, нет) и снова замедляются.

В итоге, большую часть времени, положительные частицы проводят вне сгустка электронов и положительный заряд оказывается сконцентрированным вокруг отрицательного сгустка, в форме положительно заряженной сферы, где положительные частицы затормаживаются, и имеют минимальную скорость. Отрицательные частицы, наоборот - на минимальной скорости пересекают район перекрестков и на максимальной пролетают район положительных сфер. Это одна из главных вновь открытых закономерностей. Ее суть предельно проста. Если длина свободного пробега частицы плазмы намного больше дебаевского радиуса, то образование сгустков отрицательных частиц, окруженных положительными сферами, неизбежно. В тоже время, диаметр положительных сфер жестко связан по размерам, с хорошо известным Дебаевским радиусом, и размер (радиус) положительных сфер также как и Дебаевкий радиус, зависит от плотности частиц и их энергии, и вычисляется по той же формуле. Следовательно, как только температура плазмы превысит некоторый критический порог, когда: прямые столкновения между частицами станут очень редкими, то потоки частиц будут беспрепятственно пронизывать друг друга, а силы магнитного взаимодействия между частицами станут существенны и сравнимы с силами электростатического взаимодействия. Плазма самопроизвольно раздробится на отдельные шарообразные структуры. Ее структура в таком случае очень напоминает структуру твердого тела на атомарном уровне. Отсюда и название – Плазменный Кристалл (ПК).

Как выяснилось, ПК обладают многими фантастическими свойствами. Например, их совершенно не нужно удерживать, как пытаются удержать плазму. При остывании ПК лавинообразно переходит в состояние обычной плазмы и взрывается, как взрывается шаровая молния. В принципе, шаровая молния это и есть кусочек вещества в пятом состоянии. ПК (шаровые молнии) могут использоваться как реакторы управляемого ядерного синтеза, как установки управляемой мутации химических элементов - из водорода можно получать в промышленных масштабах любой химический элемент, от гелия до урана и золота. При этом, термоядерные реакторы на ПК это относительно простые, надежные, недорогие устройства, совершенно непохожие на современные установки, работающие по совершенно другому принципу, абсолютно безопасные в эксплуатации, не нарабатывающие радиоактивные отходы, обеспечивающие прямое преобразование энергии ядерного синтеза в электрическую и способные использовать в качестве топлива не только дейтерий и тритий, но и множество других химических элементов. ПК могут быть использованы как генераторы сверхмощного когерентного излучения в любом диапазоне, от радиоволн до жесткого ядерного излучения (рентгеновский лазер например), и как сверхчувствитель-ные радиоприемники того же диапазона. ПК это основа бурного и стремительного научно-технического прогресса в ближайшем будущем.

Исследование свойств пылевой плазмы, в которой и обнаружены упорядоченные структуры, имеет перспективные технические приложения. К примеру, в последние годы плазменные технологии широко применяются в различных отраслях промышленности: изготовление материалов с заданными свойствами для нужд нефтегазовой и горно-металлургической промышленности; плазменная электроника; биомедицина; производство микросхем; утилизация промышленных (в т.ч. радиационных) отходов и т.п. В последние годы инженеры - исследователи фирмы IBM провели специальные исследования, в которых показали, что процесс плазменного травления, используемый при производстве микросхем, приводит к естественному появлению макрочастиц, растущих во времени и ухудшающих, в конечном счете, качество образцов. В связи с этим, плазменно-пылевые структуры являются основным препятствием при получении качественных компьютерных микросхем и как следствие, основным источником финансовых затрат при дальнейшей миниатюризации компьютеров. Первые эксперименты по обнаружению упорядоченных структур в пылевой плазме были проведены группой ученых из Института внеземной физики им. М.Планка (г. Гархинг, Германия) под руководством профессора Г.Морфилла. Аналогичные эксперименты на основе СВЧ разряда проведены в Национальном университете Шунгли (Тайвань). Экспериментальному определению заряда пылевых частиц посвящена работа группы Кильского университета (Kiel, Germany). Новизна результатов экспериментальных работ, проведенных учеными Института высоких температур РАН (г.Москва) является обнаружение макроскопических упорядоченных структур в плазме с сильно неоднородным распределением электронных температур в стратах тлеющего разряда в неоне. Учеными КазНУ имени аль-Фараби впервые разработана, налажена и запущена экспериментальная установка для исследования свойств пылевой плазмы на основе тлеющего разряда постоянного тока. Основная идея экспериментальной установки заключается в генерации плазмы тлеющего разряда и инжектировании пылевых частиц в объем плазмы.

Установлены закономерности, изучены свойства плазменно-пылевого кристалла и других плазменно-пылевых образований. Проведено сравнение с данными компьютерного моделирования. Наиболее важными приложениями результатов исследований являются:
• Создание новых конструкционных и функциональных материалов для нужд нефтегазовой, горно-металлургической и др. отраслей промышленности Казахстана.
• Управляемый термоядерный синтез.
• Наноразмерное приборостроение.
• Сверхплотные интегральные схемы.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием широко апробированных экспериментальных газоразрядных методов на основе сертифицированных приборов и устройств (универсальный вакуумный пост, лазеры, видеокамеры, контрольно-измерительные приборы и др.).
Заметим, что в настоящее время нет единой концепции или теории, которые бы объясняли образование плазменного кристалла. В наиболее реалистичной физической модели фазовых переходов в пылевой плазме, формирование плазменно-пылевых кристаллов связывается нелинейным эффектом коллективного притяжения пылевых частиц. Нелинейное коллективное притяжение одноименно заряженных пылевых частиц соответствует большим значениям зарядов пылинок. Взаимодействие является не сильным, но коллективным, и при фазовых переходах пылевые частицы локализуются в мелкой потенциальной яме притяжения.


PDFПечатьE-mail