Плазма (физика) — разлика између измена

{{друго значење3|Плазма}}

 

* Остварење равнотежног или стационарног стања за кратко време, мање од μs, путем еластичних и нееластичних судара. [[Датотека:plasma fountain.gif|мини|десно|200п|Земљина "'''[[плазмена фонтана]]'''": бледо-жуто подручје изнад северног пола показује јоне хелијума, кисеоника и водоника који напуштају Земљу и губе се у свемирском пространству. Зелено подручје представља [[поларна светлост|поларну светлост]] или плазми која се улива у земљину атмосферу.<ref>Plasma fountain [http://pwg.gsfc.nasa.gov/istp/news/9812/solar1.html Source], press release: [http://pwg.gsfc.nasa.gov/istp/news/9812/solarwind.html Solar Wind Squeezes Some of Earth's Atmosphere into Space], Приступљено 23. 4. 2013.</ref>]]

Плазму можемо квантитативно окарактерисати помоћу низа параметара.

Плазмени параметри су:

У случају неравнотеже стање плазме одређују спољашњи параметри али и унутрашњи као што су константе појединачних реакција.

<br />

Наелектрисане честице у плазми ступају у интеракцију једна са другом појединачно или путем усредњеног поља свих осталих наелектрисаних честица. Ове интеракције су Кулоновог типа, али потенцијал појединачне честице није строго Кулоновог типа (~1/r, где је r-растојање). Око наелектрисане честице одређеног знака сакупљају се супротно наелектрисане честице формирајући сферни облак одређеног радијуса D, односно Дебајеву сферу. Ове честице заклањају (екранирају) честицу мењајући јој потенцијал до вредности φ~(1/r)e^-r/D. Из ове релације следи да свако наелектрисање интерагује колективно са наелектрисањима која се налазе унутар Дебајеве сфере. Утицај наелектрисања изван Дебајеве сфере је занемарљив.

Дебајев радијус је једнак: D=(ε₀kT/n_ee²)^1/2<br />

* Код судара између електрона и неутрала релаксациона времена су нешто дужа, τ= 4,1∙10^-5s

 

Плазме су извори енергије различитих врста честица али и зрачења. Плазма емитује и посебну врсту сопствених електромагнетних таласа ниских фреквенција (из домена радио таласа 10⁵Hz до високофреквентног зрачења 10¹¹Hz). Настајање плазмених осцилација, које се везују за осцилације електрона, повезано је са очувањем квазинеутралности у плазми.

Свако случајно померање електрона у односу на тежу наелектрисану честицу доводи до настанка јаког електричног поља које враћа електрон назад. Електрон почиње да осцилује фреквенцијом

</table>

 

У плазми се одвија низ елементарних процеса.

То су процеси дисоцијације, јонизације, ексцитације, захвата електрона. Сви ови процеси одвијају се кроз еластичне и нееластичне сударе а карактерише их одређена вероватноћа односно ефикасни пресек. <br />

Други тип елементарних процеса су они у којима учествују електрони или јони. Ексцитација и јонизација атома и молекула одвија се кроз сударе са електронима.<br />

A + e ↔ A^* + e <br />

e + AB ↔ A + B⁺ + 2e<br />

У термалним плазмама преовлађују процеси првог типа док у нетермалним плазмама преовлађују процеси другог типа.<br />

За формирање позитивних јона кроз сударе електрона и одређеног атома или молекула потребни су електрони велике енергије.<br />

За грађење негативних јона погоднији су електрони мањих енергија (до неколико електрон волти).

Механизми формирања негативних јона су:<br />

Важан тип елементарних процеса су јон-молекулске реакције: CH₄⁺ + CH₄ = CH₅⁺ + CH₃ ;ове реакције се одвијају под утицајем јонизујућег зрачења.<br />

Важан тип елементарних процеса су и реакције на граничним површинама. У овим реакцијама учествују поред електрона и побуђене врсте, дугоживући радикали. Вишак енергије преноси се на граничну површину као на треће тело. Овакви процеси су типични за плазма-катализу.

 

’’Пролаз електрицитета кроз гас као и кроз електролит праћен је и условљен хемијским променама и разлагањем које се не може сматрати само случајним пратиоцем електричних пражњења, већ као њихова особина без кога се пражњење не би дешавало.’’ закључио је Томсон још 1893. године.

Још у XIX веку запажена је могућност одигравања хемијских реакција у електричним пражњенима. Међутим, хемија плазме почела је интензивно да се развија тек седамдесетих година XX века кад се јавио већи интерес за коришћење плазме као медијума за одигравање хемијских реакција.<br />

Електронска густина износи 10¹⁰-10¹²cm^-3, притисак P‹1 bar, температуре, Т до 10⁵К.

Састав овакве плазме израчунава се коришћењем кинетичких модела. Активирање реактаната у хемијским реакцијама врше електрони који имају високе енергије и у нееластичним сударима са честицама гаса граде јоне, атоме и друге продукте дисоцијације и јонизације. Ови продукти су веома реактивни и могу реаговати на различите начине дајући разноврсне продукте. Нискотемпературске плазме различитих врста електричних пражњења разликују се у вредностима енергија електрона, притисцима гаса и у величини електричног поља тако да избор пражњења одређује хемијску промену коју желимо да постигнемо. За реакције крековања и дисоцијације погодне су плазме тињајућег или радиофреквентног пражњења док за реакције кондензације и полимеризације се користе плазме у којима је енергија електрона нижа као нпр. у корона пражњењу.

Основна карактеристика ових плазми је постојање термодинамичке равнотеже која се остварује при високим притисцима и високим струјама (лучна пражњења). У р.ф. плазменике се уводе високе електричне енергије и снаге (100кW и више) чиме реактанти добијају високу кинетичку енергију транслационог кретања коју у врло интензивним сударима преносе доводећи доминантно до процеса дисоцијације и јонизације. Стога у овим плазмама преовлађују јони, атоми и радикали у побуђеним стањима, дајући у међусобним реакцијама крајње продукте. Због високих температура које у њима владају, ове плазме су погодне за одигравање ендотермних реакција, за које је потребан значајан утрошак енергије. Пошто су на овако високим температурама доминантно заступљене реакције дисоцијације, продукти реакција у оваквим условима су мали, једноставни молекули, стабилни на високим температурама као што су нпр. NO,CH₄,C₂H₂. Предност реакција које се одигравају у р.ф. плазменицима високе енергије је виши принос реакција од оних у неравнотежним плазмама које се користе на ниским притисцима.

Ове плазме су температурски нехомогене, великог температурског градијента а састав плазме у свакој тачки за дати укупан притисак и температуру одређен је стањем хемијске равнотеже.

Познајући само константан почетни однос присутних компонената у систему, могуће је за претпостављене хемијске реакције које се у плазми могу одиграти израчунати резултујући састав плазме, ако су познате топлоте сваке од реакције и слободне енергије појединих компонената у плазми.

 

У термалној плазми се одређеним механизмом ствара електрична струја (електрично пражњење) кроз носећи гас који постаје делимично јонизован. Струјни ток загрева гас. Енергија између честица које настају у плазми размењује се у сударима. При довољном притиску успоставља се термодинамичка равнотежа, дакле све честице имају јединствену температуру Т. То значи да је:

# Расподела честица по брзинама Максвелова

2. У високотемпературским плазмама за одигравање хемијских реакција поред процеса стварања плазме веома је битно и уношење реактаната у плазму као и издвајање крајњих продуката.

Узорак се може уносити пре, за време или после стварања плазме. Реактанти се уносе у систем пре генерисања плазме када учествују у настајању и одржавању плазме. Стога се процеси увођења изводе зависно од жељених ефеката.

3. Процес замрзавања равнотежног састава продуката и њиховог извлачења из реактора је од посебног значаја за синтезе у плазми. Потребно је да се продукти настали на врло високим температурама реда 10⁴К нагло охладе до собне температуре, а да се при томе избегну накнадне реакције рекомбинације. Улога ових процеса је да у времену краћем од реакционе кинетике уклоне кинетичку енергију са насталих продуката и да деактивирају врсте које могу разорити крајње продукте повратним реакцијама. Најважнији параметри за реакциони принос су брзина хлађења и кашњење хватања продуката у односу на почетак опадања температуре. Област задовољавајуће брзине хлађења износи 10⁵ до 10⁸К/s.

Постоје различите технике за брзо хлађење као што су: брзо ширење млаза кроз млазницу, контакт са хладним зидовима, адијабатска експанзија или убацивање неке лако испарљиве инертне течности или хладног инертног гаса у плазму. Радикали који су у највећој мери присутни у плазми при хлађењу прелазе у стабилне молекуле. Док у врућим плазмама владају услови ЛТР дотле је процес наглог хлађења наравнотежан, одређен кинетичким параметрима компонената система. Стога садржај крајњих продуката није одређен само равнотежним саставом већ и кинетиком процеса рекомбинације у току хлађења.

При испитивању ових процеса неопходно је тачно одредити равнотежну концентрацију крајњих продуката.

Израчунати састав плазме одређеног типа указује на могућност издвајања одређених молекула или радикала као продуката реакције. Прорачуни су засновани на чињеници да систему у стању хемијске равнотеже одговара минимална слободна енергија. Као што смо раније поменули, на високим температурама процеси разлагања и дисоцијације постају доминантни. Упоредо са процесима дисоцијације у плазмама настају молекули и радикали којих нема на обичним температурама као што су C₃, Al₂O₃, Na₂, B₂O₃.<br />

Плазме се користе за редукцију хлорида и оксида до елемената. Ово се постиже у високо интензивним луковима у којима је анода направљена од оксида датог елемента пресована са графитним пудером.

Редукција BF₃ и BCl₃ се врши у плазма џету у струји водоника одакле се добија елементарни бор.

 

Уношењем праха алуминијум-триоксида у радиофреквентну плазму у аргону (помоћни гас садржи и водоник) долази до фазне селекције између стабилне фазе α-Аl₂О₃ и метастабилних γ,δ,θ-Аl₂О₃. Разматрање фазног састава праха насталог при распршивању у плазми је од значаја за квалитет нанесених превлака, јер метастабилне фазе материјала могу током времена прелазити у стабилне мењајући особине материјала у вези термалне проводљивости, специфичне запремине.

 

Високе температуре ових плазми погодне су за производњу нових хемијских врста или реактивних интермедијера који учествују у разним реакцијама синтеза у плазми.

Синтеза ацетилена се најпогодније врши у различитим радиофреквентним плазма реакторима високе снаге. Хилсова метода користи се за производњу ацетилена из метана у високострујним луковима. Додатак N₂, H₂ или водене паре аргонској плазми у плазматронима омогућава синтезу ацетилена из угљеника и водоника, при чему принос ацетилена зависи од почетног односа C/H и брзина хлађења крајњег производа. Од различитих начина хемијске фиксације азота најзначајнија је директна оксидација азота кисеоником.<br />

Термална плазма омогућава брзо загревање и високе реакционе температуре и тако обезбеђује тренутно разлагање. Тада су отворене могућности за нове синтезе у плазми путем хемијских реакција на високим температурама које се одвијају или између атома или између радикала који су продукти распада штетних једињења или се у овакву плазму уводе и други реактанти чиме се остварује синтеза одговарајућих продуката.

У свим овим случајевима, прорачун равнотежног састава представља неку врсту прелиминарног истраживања које може да одговори на то да ли је или није могућа синтеза одговарајућег молекула у плазми и при којим условима (притисак, температура, количина и врста реактаната) она треба да се одвија. Термодинамички прорачуни су од велике важности али помоћу њих се не могу објаснити сви кораци током одговарајуће синтезе који су некада далеко од равнотежних.

Ове хемијске реакције се односе на различите зоне тињавог пражњења, пулсирајућег пражњења или озрачивања ласерима. Анализом хемијских процеса под неравнотежним условима дошло се до сазнања да се на овај начин могу добити:

# Високи приноси крајњих продуката C₂F₂ из CF₄

# добијени радикали (молекули) се могу користити као реактанти у другим хемијским реакцијама<br />