Курсовая работа: Экстремальные состояния вещества

Выбранная предельная концентрация энергии измеряется величиной 10³⁷ эрг/см³ и соответствует температуре порядка 10¹³ градусов и давлениям около 10³¹ атмосфер. Такими уровнями очерчена верхняя граница рассматриваемой нами области экстремальных состояний вещества. За этой границей остаются условия на самых ранних стадиях эволюции Вселенной, в ряде коллапсирующих или проходящих катастрофические этапы своей эволюции небесных тел, а также, возможно, в ядрах массивных пульсаров.

Теперь очертим рассматриваемую область состояний нижней границей. Пусть экстремальные состояния, достигнутые и изученные в лабораторных условиях, останутся за нею. Не отбросив их, невозможно было бы разобраться в том исключительном разнообразии форм и свойств, присущих веществу в холодном несжатом состоянии: электрических, химических, оптических и т. д. и т. п.

С ростом температуры и давления структура вещества упорядочивается и упрощается: разрушаются молекулы и молекулярные комплексы и вещество переходит в чисто атомарное состояние; электронные оболочки атомов перестраиваются, и заполнение электронных уровней становится все более регулярным; от ядер отрываются наружные электроны, определяющие химическую индивидуальность вещества, а затем коллективизируются, оголяя ядра, и все остальные электроны. В конце концов свойства вещества будут зависеть лишь от того, каким путем достигнута высокая концентрация энергии: с продвижением вдоль оси температур все вещества становятся плазмой, вдоль оси давлений - идеальными металлами с единой, наиболее плотной кристаллической решеткой - объемно-центрированной кубической (надо заметить, что твердое вещество приобретает ее лишь тогда, когда ядра атомов полностью оголены) (см. рис. 2).

Рис. 2. Расположение ядер атомов в кристалле с объемно-центрированной кубической решеткой

Но для того, чтобы осуществились все упомянутые унифицирующие перестройки, нужна энергия, достаточная хотя бы для того, чтобы оторвать от атома наружные электроны. Соответствующая концентрация энергии составляет около 10¹⁴ эрг/см³ . Отсюда уже нетрудно перейти к температурам (сотни тысяч градусов) и давлениям (сотни миллионов атмосфер). Только при достаточном удалении от этой границы возможно сколько-нибудь общее теоретическое описание свойств вещества.

Но здесь теоретические предсказания при нынешнем состоянии экспериментальной техники уже не допускают проверки путем экспериментов и наблюдений. Между тем возможности чисто теоретических исследований сильно ограничены: необходимо учитывать взаимодействия между частицами, а их надежный учет невозможен, особенно вблизи верхней границы рассматриваемой области, где современная физика не располагает последовательной теорией сильных взаимодействий.

По этой причине в физике экстремальных состояний имеется еще немало проблем, ждущих своего окончательного решения.

И вместе с тем даже в свете сегодняшних наших знаний область экстремальных состояний предстает перед нами отнюдь не как сплошное белое пятно. Эта область достаточно уверенно делится по характеру агрегатного состояния вещества (здесь твердое тело, там плазма), по характеру протекания ядерных процессов (здесь идут термоядерные, там - пикноядерные реакции), по типу структурных единиц вещества (здесь существуют электроны и ядра, там вещество построено из нейтронов). Правда, переходы между различными состояниями, как правило, совершаются непрерывно, так что область экстремальных состояний трудно разбить на какие-либо районы четкими границами. Разделительные линии - маршруты наших будущих путешествий по этой области - будут носить весьма условный смысл. Весьма условным, дающим лишь представление о порядках величин, будет и расположение тех вех, по которым в данной работе будет даваться представление об отдельных районах: состояние вещества в центре Солнца и в сердцевине белого карлика, в коре и мантии пульсара.

2. Экстремальные состояния вещества

Теперь проанализируем различия, существующие между разными состояниями вещества, чтобы в сравнении уяснить специфические особенности, характерные именно для экстремальных состояний вещества. Однако, сначала необходимо привести основные сведения о том, что представляет собой плазма, поскольку это понятие будет одним из ключевых в дальнейшем описании экстремальных состояний.

2.1. Основные понятия и принципы физики плазмы

Что же такое плазма? Плазмой называют газ, ионизированный до такой степени, что электрические силы притяжения, действующие между электронами и положительными ионами, препятствуют заметному разделению зарядов. Таким образом, плазма - это ионизированный газ, который электрически квазинейтрален в каждом малом объёме. Условие квазинейтральности означает, во-первых, малость суммарного заряда плазмы по сравнению с суммой зарядов одного знака; во-вторых, подразумевается электрическая нейтральность плазмы в среднем в достаточно больших объемах или за достаточно большие промежутки времени.

Величины объемов и промежутков времени, в которых проявляется квазинейтральность, определяются пространственными и временными масштабами разделения зарядов.

Прежде чем перейти к рассмотрению масштабов разделения зарядов введем понятие равновесной и неравновесной плазмы. В процессе хаотического движения при столкновениях с ионами электроны отдают им долю своей энергии, так что в стационарном состоянии устанавливается некоторое равновесие между приобретаемой и отдаваемой энергией. Распределение электронов и ионов можно описать максвеловским законом распределения и характеризовать некоторой средней полной скоростью, так что средняя энергия электронов и ионов может характеризоваться некоторой температурой соответственно T_e и T₊ :

В слабых полях и в установившихся режимах энергии электронной и ионной составляющих плазмы равны между собой и равны энергии нейтральных молекул T_e =T₊ =T. Это состояние отвечает полному термодинамическому равновесию, а плазма называется соответственно равновесной.

В сильных полях, особенно в разреженной плазме, энергия приобретаемая электронами от поля оказывается существенно больше энергии ионов T_e >>T₊ =T. Такое состояние называется неравновесным, а плазма неравновесной.

Рассмотрим теперь пространственный масштаб разделения зарядов. В некотором объёме плазмы с характерным размером d, который называется дебаевским радиусом экранирования, потенциальная и кинетическая энергии заряженной частицы равны между собой.

В равновесной плазме, когда T_e =T₊ =T:

,

в резко неравновесной плазме, когда T_e >>T₊ =T

,

где: T_e - температура электронов; T₊ - температура ионов; T- температура газа; n - плотность электронов и ионов; e - заряд электрона; k - постоянная Больцмана.

Дебаевский радиус характеризует расстояния, на которых возможны сильные разделения зарядов в плазме. Например, при T_e =1 эВ и n=10¹⁴ 1/м³ дебаевский радиус d = 5,2×10^-4 м.

Согласно определению Ленгмюра, ионизированный газ называется плазмой, если дебаевский радиус экранирования d намного меньше других характерных расстояний области занятой этим газом.

Временным параметром определяющим разделение зарядов в плазме является угловая частота гармонических колебаний заряженных частиц плазмы. Дело в том, что перемещение заряженных частиц в плазме приводит к появлению электростатических сил стремящихся вернуть частицы в первоначальное положение. Движение таких частиц представляет собой гармонические колебания вокруг положения равновесия:

d=Asin(w_p t+f₀ ) ,

где A - амплитуда колебаний; f₀ - начальная фаза колебаний; w_p - угловая частота, равная