Plazma (fizika)

Izvor: Wikipedia
Disambig.svg Za ostale upotrebe, pogledajte članak Plazma.
Plazmena lampa, ilustruje neke od složenijih pojava u plazmi uključujući nastajenje vlakana. Boje su posledica elektronskih prelaza pri prelasku rekombinovanog atoma iz pobuđenog u osnovno stanje.
Sunčeva koronarna erupcija izbacuje ogromne količine plazme u Sunčev sistem.

Plazma je jonizovan gas koji se zbog jedinstvenih osobina smatra posebnim agregatnim stanjem materije uz čvrsto, tečno i gasovito stanje. Jonizovan znači da se bar jedan elektron odvojio od matičnog atoma ili molekula prevodeći ga u pozitivan jon. Slobodna naelektrisanja čine plazmu električno provodljivom zbog čega ona snažno oseća uticaj elektromagnetnog polja. Ovo četvrto agregatno stanje prvo je identifikovao Kruks (Sir William Crookes) 1879. godine u cevi za pražnjenje (Kruksovoj cevi).[1]. Prirodu katodnih zraka u Kruksovoj cevi detaljnije je proučio Dž. Dž. Tompson 1897. godine.[2]. Ime „plazma“ uveo je Langmir 1928. godine.[3], navodno što ga je podsetila na krvnu plazmu.[4]. Langmir je napisao:

„Osim u blizini elektroda, gde postoje slojevi sa vrlo malo elektrona jonizovani gas sadrži jone i elektrone u otprilike istom broju tako da je ukupno rezultujuće prostorno naeletrisanje vrlo malo. Koristićemo naziv plazma da opišemo to područje sa ujednačenim brojem jona i elektrona."[3]

Plazma obično ima oblik neutralnog oblaka ili naelektrisanog jonskog mlaza ali može isto da sadrži zrnca prašine i nanočestica kada se naziva 'prašnjava plazma'.[5] Nastaje zagrevanjem i jonizacijom gasa kada dolazi od odvajanja elektrona od atoma a nastala naelektrisanja se slobodno kreću.

Uobičajene plazme[uredi - уреди]

Plazme su najrasprostranjeniji oblik postojanja materije u Svemiru. Postoje procene da je 99% vidljivog Svemira u obliku plazme.[6].

S obzirom da je prostor među zvezdama ispunjen plazmom, mada vrlo retkom (videti međuzvezdana sredina i međugalaktički prostor), u osnovi cela zapremina svemira je u obliku plazme (videti astrofizička plazma). U sunčevom sistemu, (planeta) Jupiter najviše doprinosi ne-plazmi, samo oko 0,1% mase i 10−15% zapremine unutar orbite Plutona. Poznati plazma fizičar Hannes Alfvén je primetio da se zbog sopostvenog naeletrisanja čak i male čestice kosmičke prašine ponašaju kao joni te tako kolektivno obrazuju svemirsku plazmu.

Uobičajeni oblici plazme
Veštački stvorena plazma
  • U Plazma displeju, uključujući moderne TV ekrane
  • U fluorescentnim lampama (niskoenergijsko ovetljenje), neonske lampe
  • Izduvni gasovi raketnih motora
  • Čeona površina svemirkog broda prilikom ulaska u atmosferu
  • Istraživanje kotrolisane fuzije
  • Električni luk u lučnoj lampi, luk prilikom zavarivanja
  • Plazmena kugla (videti prvu sliku)
  • Plazma za nagrizanje dielektričnog sloja u proizvodnji integrisanih kola
Zemaljske plazme
Svemirske i astrofizičke plazme

Definicija plazme[uredi - уреди]

Plazma je najrasprostranjeniji oblik materije. Reč plazma (πλασμα) je grčkog porekla i označava ostvarenje, delo. Irvin Langmir je plazmom nazvao svetleći, visokojonizovani deo električnog pražnjenja. Iako se umesto naziva plazma vrlo često koristi naziv jonizovani gas, po svojim karakteristikama plazma se bitno razlikuje od gasnog stanja.

  1. Bitni činioci plazme su nosioci naelektrisanja - elektroni i joni. Zato plazma predstavlja medijum kroz koji teče struja a samim tim se stvara i magnetno polje a dolazi i do emisije elektromagnetnih talasa.
  2. Kvazineutralnost je bitno svojstvo plazmi (suma pozitivnog i negativnog naelektrisanja u elementu zapremine je nula).
  3. Plazma u sebi sadrži povećanu količinu energije što je posledica činjenice da plazma i nastaje tako što se gasu dovede energija npr. zagrevanjem.
  4. Plazmu karakteriše postojanje ravnotežnih stacionarnih stanja u procesima jonizacije i rekombinacije.
  5. Raspodela čestica po brzinama i energijama prikazuje se i u plazmi funkcijama raspodele što daje mogućnost da se plazmi pridruži određena temperatura T.

Na osnovu ovih osobina plazme dolazi se i do osnova za postavljanje kriterijuma plazmenog stanja.

  • Veličina plazme je uslovljena srednjim slobodnim putem plazme tj. vremenima karakterističnih procesa.
  • Ostvarenje ravnotežnog ili stacionarnog stanja za kratko vreme, manje od μs, putem elastičnih i neelastičnih sudara.
    Zemljina "plazmena fontana": bledo-žuto područje iznad severnog pola pokazuje jone helijuma, kiseonika i vodonika koji napuštaju Zemlju i gube se u svemirskom prostranstvu. Zeleno područje predstavlja polarnu svetlost ili plazmi koja se uliva u zemljinu atmosferu.[7]

Parametri plazme[uredi - уреди]

Plazmu možemo kvantitativno okarakterisati pomoću niza parametara. Plazmeni parametri su:

  • temperatura cele plazme ili samo pojedinačnih tipova čestica
  • koncentracija elektrona odnosno stepen jonizacije
  • koncentracija pobuđenih atoma
  • Debajev radijus
  • relaksacioni putevi
  • plazmena frekvencija

Spoljašnji parametri su povezani za izvor napajanja kojim se inicira plazma. To su:

  • jačina struje
  • napon pražnjenja
  • električna provodljivost

Parametri plazme koji su u tesnoj vezi sa sastavom plazme su:

  • toplotna provodljivost
  • viskoznost

Stanje plazme u datoj tački prostora u trenutku vremena okarakterisano je koncentracijama čestica, elektrona, jona, molekula, atoma i radikala i funkcijama koje pokazuju raspodelu čestica po brzinama i po energijama. Temperatura svake čestice definisana je njenom srednjom termičkom energijom koja je srazmerana kT (gde je k Bolcmanova konstanta). Temperature svih čestica pri tome međusobno su jednake kada je plazma u stanju kompletne termodinamičke ravnoteže i kada je temperatura ista u svim delovima plazme. Laboratorijske plazme nisu u stanju kompletne termodinamičke ravnoteže najčešće zbog postojanja gradijenta temperature i čestica. Plazma u stanju kompletne termodinamičke ravnoteže ne bi bila zanimljiva sa aspekta spektroskopije i zračenja jer bi sva energija koja je izračena bila apsorbovana sistemom. U slučaju da postoje oblasti malih dimenzija u kojima lokalno postoji termodinamička ravnoteža i temperatura svih čestica je ista, tada kažemo da je plazma u stanju lokalne termodinamičke ravnoteže i takav model se veoma često primenjuje na laboratorijske plazme višeg pritiska. U plazmama u kojima nema ni u pojedinim tačkama jednakosti temperature različitih čestica, kažemo da je plazma van termodinamičke ravnoteže.

Kada je plazma u termodinamičkoj ravnoteži, bilo da je reč o kompletnoj ili lokalnoj termodinamičkoj ravnoteži, njeno stanje se može opisati makroskopskim parametrom temperaturom i sastavom plazme koji je određen termodinamičkim konstantama.

Ravnoteža može da bude parcijalna i tada se elektronima pripisuje jedna temperatura (veća vrednost) a težim česticama druga. U slučaju neravnoteže stanje plazme određuju spoljašnji parametri ali i unutrašnji kao što su konstante pojedinačnih reakcija.

Debajev radijus[uredi - уреди]

Naelektrisane čestice u plazmi stupaju u interakciju jedna sa drugom pojedinačno ili putem usrednjenog polja svih ostalih naelektrisanih čestica. Ove interakcije su Kulonovog tipa, ali potencijal pojedinačne čestice nije strogo Kulonovog tipa (~1/r, gde je r-rastojanje). Oko naelektrisane čestice određenog znaka sakupljaju se suprotno naelektrisane čestice formirajući sferni oblak određenog radijusa D, odnosno Debajevu sferu. Ove čestice zaklanjaju (ekraniraju) česticu menjajući joj potencijal do vrednosti φ~(1/r)•e-r/D. Iz ove relacije sledi da svako naelektrisanje interaguje kolektivno sa naelektrisanjima koja se nalaze unutar Debajeve sfere. Uticaj naelektrisanja izvan Debajeve sfere je zanemarljiv. Debajev radijus je jednak:
D=(ε0kT/nee2)1/2
gde je ε0 - dielektrična konstanta vakuuma, k - Bolcmanova konstanta, T - temperatura, ne - gustina elektrona, e - elementarno naelektrisanje
Ova veličina raste sa porastom temperature a opada sa porastom gustine naelektrisanih čestica. Dakle, Debajev radijus je jednak radijusu sfere unutar koje može doći do narušavanja elektroneutralnosti tj. do razdvajanja pozitivnog od negativnog naelektrisanja kao rezultat termičkog kretanja.

Za jednu tipičnu plazmu temperature T=10000K i ne=1016 m-3 Debajev radijus je D=6,9∙10-5 m.
U intersteralnim plazmama Debajev radijus može iznositi i nekoliko metara. Dimenzija plazme L mora da bude mnogo veća od Debajevog radijusa, L»D. Ovo je prvi kriterijum plazmenog stanja.
Sada nam može izgledati da se plazma sastoji iz Debajevih sfera kao posebnih celina. U skladu sa ovim definišu se relaksacioni put i relaksaciono vreme.

Relaksacioni put je srednji slobodni put koji elektron treba da pređe pa da mu se energija kroz uzajamno dejstvo sa mikropoljem promeni za kT (srednja termalna energija).

Relaksaciono vreme je ono vreme koje je potrebno jednom sistemu da se posle nekog poremećaja vrati u stanje ravnoteže. Relaksaciona vremena su kratka:

  • Kod sudara između naelektrisanih čestica elektron-elektron, τ=10-12 s
  • Kod sudara između elektrona i neutrala relaksaciona vremena su nešto duža, τ= 4,1∙10-5 s

Plazmena frekvencija[uredi - уреди]

Plazme su izvori energije različitih vrsta čestica ali i zračenja. Plazma emituje i posebnu vrstu sopstvenih elektromagnetnih talasa niskih frekvencija (iz domena radio talasa 105Hz do visokofrekventnog zračenja 1011Hz). Nastajanje plazmenih oscilacija, koje se vezuju za oscilacije elektrona, povezano je sa očuvanjem kvazineutralnosti u plazmi. Svako slučajno pomeranje elektrona u odnosu na težu naelektrisanu česticu dovodi do nastanka jakog električnog polja koje vraća elektron nazad. Elektron počinje da osciluje frekvencijom ωp=(ne e2/me ε0)-1/2

Ako pomnožimo Debajev radijus i Langmirovu frekvenciju dobijamo:
ωxD=(kTe/m)1/2 - termalna brzina elektrona.

Ovo je lako objasniti. Vreme plazmenog odgovora na izvedeni poremećaj (1/ω) odgovara vremenu koje je potrebno elektronu koji ima termalnu energiju da pređe put D i tako ekranira poremećaj koji se dogodio.

Opseg parametara plazme[uredi - уреди]

Područja plazme. Gustina raste na gore, temperatura raste na desno. Slobodni elektroni u metalu mogu se smatrati elektronskom plazmom.[8]

Vrednosti parametara plazme kreću se u opsegu od nekoliko redova veličine, međutim, ima slučajeva da su plazme sa očigledno vrlo različitim vrednostima parametara vrlo slične. Tablica koja sledi pokazuje samo uobičajene atomske plazme a ne egzotične pojave poput kvarknih gluonskih plazmi:

Tipični opsezi parametara plazme: redovi veličine (RV)
Osobina Zemaljske plazme Svemirske plazme
Veličina
u metrima
10−6 m (lab. plazme) to
102 m (munja) (~8 RV)
10−6 m (sloj na letelici) to
1025 m (međugalaktička nebula) (~31 RV)
Vreme života
u sekundi
10−12 s (laserom proizvedena plazma) to
107 s (fluorescentno svetlo) (~19 RV)
101 s (solarne erupcije) to
1017 s (međugalaktička plazma) (~17 RV)
Gustina
u česticama po
kubnom metru
107 m-3 to
1032 m-3 (inertial confinement plasma)
100 (i.e., 1) m-3 (međugalaktička sredina) to
1030 m-3 (zvezdano jezgro)
Temperatura
u kelvinima
~0 -{K}- (kristalna ne-neutralna plazma[9]) do
108 K (magnetna fuziona plazma)
102 K (polarna svetlost) to
107 K (sunčevo jezgro)
Magnetna polja
u teslama
10−4 T (lab. plazma) to
103 T (pulsna plazma)
10−12 T (intergalaktička sredina) to
1011 T (u blizini neutronske zvezde)

Elementarni procesi u plazmi[uredi - уреди]

U plazmi se odvija niz elementarnih procesa. To su procesi disocijacije, jonizacije, ekscitacije, zahvata elektrona. Svi ovi procesi odvijaju se kroz elastične i neelastične sudare a karakteriše ih određena verovatnoća odnosno efikasni presek.

Prvi tip elementarnih procesa predstavljaju procesi u kojima učestvuju neutralne čestice. Ovde dolazi do pobuđivanja atoma i molekula.

AB + C ↔ A + BC
Drugi tip elementarnih procesa su oni u kojima učestvuju elektroni ili joni. Ekscitacija i jonizacija atoma i molekula odvija se kroz sudare sa elektronima.

A + e ↔ A* + e
e + B ↔ B+ + 2e
e + AB ↔ A + B+ + 2e
U termalnim plazmama preovlađuju procesi prvog tipa dok u netermalnim plazmama preovlađuju procesi drugog tipa.

Termalna jonizacija nastaje kao rezultat termičkog kretanja molekula i atoma. Toplota koja se dovodi sistemu manifestuje se kao kinetička energija prisutnih čestica. Na temperaturi T=2000K kada je srednja kinetička energija po čestici 0,26eV,postoje čestice koje imaju i znatno veću energiju (visokoenergetski deo Maksvelove raspodele čestica po brzinama, odnosno energijama). Ako je ta energija veća od njihove energije jonizacije one će se jonizovati. Nastali elektroni mogu takođe dalje da vrše jonizaciju. U termalnim plazmama uspostavlja se stanje ravnoteže između procesa jonizacije i rekombinacije. Saha-Egertova jednačina definiše stepen jonizacije, α.

Za formiranje pozitivnih jona kroz sudare elektrona i određenog atoma ili molekula potrebni su elektroni velike energije.

Za građenje negativnih jona pogodniji su elektroni manjih energija (do nekoliko elektron volti). Mehanizmi formiranja negativnih jona su:

  1. radijativni zahvat e + A = A- + hν
  2. disocijativni zahvat AB + e = A + B-
  3. formiranje parova AB + e = A+ + B- + e
  4. zahvat sudarom tri tela A + B + e = A + B-

Važan tip elementarnih procesa su jon-molekulske reakcije: CH4+ + CH4 = CH5+ + CH3 ;ove reakcije se odvijaju pod uticajem jonizujućeg zračenja.

Važan tip elementarnih procesa su i reakcije na graničnim površinama. U ovim reakcijama učestvuju pored elektrona i pobuđene vrste, dugoživući radikali. Višak energije prenosi se na graničnu površinu kao na treće telo. Ovakvi procesi su tipični za plazma-katalizu.

Hemija plazme[uredi - уреди]

’’Prolaz elektriciteta kroz gas kao i kroz elektrolit praćen je i uslovljen hemijskim promenama i razlaganjem koje se ne može smatrati samo slučajnim pratiocem električnih pražnjenja, već kao njihova osobina bez koga se pražnjenje ne bi dešavalo.’’ zaključio je Tomson još 1893. godine. Još u XIX veku zapažena je mogućnost odigravanja hemijskih reakcija u električnim pražnjenima. Međutim, hemija plazme počela je intenzivno da se razvija tek sedamdesetih godina XX veka kad se javio veći interes za korišćenje plazme kao medijuma za odigravanje hemijskih reakcija.

Hemija plazme predstavlja disciplinu hemije koja se bavi ispitivanjem hemijskih promena kao i kinetike mehanizama hemijskih reakcija nastalih u plazmi, stimulisanih plazmom ili nastalih u interakciji između plazme i čvrste (ređe tečne) faze. Zbog svojih osobina, visoke temperature i prisustva velikog broja čestica, plazma predstavlja pogodan medijum za odigravanje najrazličitijih hemijskih reakcija. Plazma sadrži molekule, radikale, atome, jone i elektrone koji poseduju visoke kinetičke energije i mogu biti u visoko pobuđenim stanjima. Stoga se hemijske reakcije između ovih konstituenata plazme veoma razlikuju od uobičajenih hemijskih reakcija dajući jedinjenja koja ponekad ne mogu nastati u običnim hemijskim reakcijama ili je njihovo nastajanje u plazmi mnogo jednostavnije.

Ako se gasna plazma posmatra kao sredina pogodna za odigravanje hemijskih reakcija tada se na osnovu njenih fizičkohemijskih karakteristika, temperature, pritiska gasa i elektronske gustine razlikuju dva tipa:

  1. Visokotemperaturske plazme
  2. Niskotemperaturske plazme

Visokotemperaturske plazme nazivaju se i termičke, ravnotežne ili vruće plazme. Karakterišu se postojanjem lokalne termodinamičke ravnoteže (LTR), odnosno plazma se karakteriše jedinstvenom temperaturom, T. Elektronska gustina,ne, iznosi 1014-1016cm-3, pritisak gasa P›1 bar, temperatura T›105K.

Niskotemperaturske plazme su neravnotežne, netermičke, hladne i karakterišu se odsustvom termodinamičke ravnoteže, odnosno temperatura elektrona je znatno viša od temperature težih čestica, jona i neutrala i ne postoji jedinstvena temperatura plazme. Elektronska gustina iznosi 1010-1012cm-3, pritisak P‹1 bar, temperature, T do 105K. Sastav ovakve plazme izračunava se korišćenjem kinetičkih modela. Aktiviranje reaktanata u hemijskim reakcijama vrše elektroni koji imaju visoke energije i u neelastičnim sudarima sa česticama gasa grade jone, atome i druge produkte disocijacije i jonizacije. Ovi produkti su veoma reaktivni i mogu reagovati na različite načine dajući raznovrsne produkte. Niskotemperaturske plazme različitih vrsta električnih pražnjenja razlikuju se u vrednostima energija elektrona, pritiscima gasa i u veličini električnog polja tako da izbor pražnjenja određuje hemijsku promenu koju želimo da postignemo. Za reakcije krekovanja i disocijacije pogodne su plazme tinjajućeg ili radiofrekventnog pražnjenja dok za reakcije kondenzacije i polimerizacije se koriste plazme u kojima je energija elektrona niža kao npr. u korona pražnjenju.

Reakcije u visokotemperaturskoj plazmi[uredi - уреди]

Osnovna karakteristika ovih plazmi je postojanje termodinamičke ravnoteže koja se ostvaruje pri visokim pritiscima i visokim strujama (lučna pražnjenja). U r.f. plazmenike se uvode visoke električne energije i snage (100kW i više) čime reaktanti dobijaju visoku kinetičku energiju translacionog kretanja koju u vrlo intenzivnim sudarima prenose dovodeći dominantno do procesa disocijacije i jonizacije. Stoga u ovim plazmama preovlađuju joni, atomi i radikali u pobuđenim stanjima, dajući u međusobnim reakcijama krajnje produkte. Zbog visokih temperatura koje u njima vladaju, ove plazme su pogodne za odigravanje endotermnih reakcija, za koje je potreban značajan utrošak energije. Pošto su na ovako visokim temperaturama dominantno zastupljene reakcije disocijacije, produkti reakcija u ovakvim uslovima su mali, jednostavni molekuli, stabilni na visokim temperaturama kao što su npr. NO,CH4,C2H2. Prednost reakcija koje se odigravaju u r.f. plazmenicima visoke energije je viši prinos reakcija od onih u neravnotežnim plazmama koje se koriste na niskim pritiscima. Ove plazme su temperaturski nehomogene, velikog temperaturskog gradijenta a sastav plazme u svakoj tački za dati ukupan pritisak i temperaturu određen je stanjem hemijske ravnoteže. Poznajući samo konstantan početni odnos prisutnih komponenata u sistemu, moguće je za pretpostavljene hemijske reakcije koje se u plazmi mogu odigrati izračunati rezultujući sastav plazme, ako su poznate toplote svake od reakcije i slobodne energije pojedinih komponenata u plazmi.

Termalna plazma - primene u hemiji plazme[uredi - уреди]

U termalnoj plazmi se određenim mehanizmom stvara električna struja (električno pražnjenje) kroz noseći gas koji postaje delimično jonizovan. Strujni tok zagreva gas. Energija između čestica koje nastaju u plazmi razmenjuje se u sudarima. Pri dovoljnom pritisku uspostavlja se termodinamička ravnoteža, dakle sve čestice imaju jedinstvenu temperaturu T. To znači da je:

  1. Raspodela čestica po brzinama Maksvelova
  2. Raspodela čestica po energijama Bolcmanova
  3. Broj jona odgovara stanju jonizacione ravnoteže (Saha jednačina)
  4. Plazma zrači po Plankovom zakonu zračenja

Termodinamička ravnoteža je lokalna pošto zbog gradijenta temperature Plankov zakon zračenja nije gotovo nikada ispunjen. Temperature ovih plazmi kreću se u opsegu od 5000K do 20000K. Ove plazme su najčešće slabo jonizovane ili kvazineutralne. Ovakva plazma se u hemiji kod hemijskih reakcija može koristiti kao:

  1. Izvor energije-zbog visokih temperatura brzina hemijskih reakcija je veća
  2. Kao izvor pozitivnih i negativnih jona za odvijanje određenih jon-molekulskih reakcija
  3. Kao izvor zračenja za različite tipove fotohemijskih reakcija

U zavisnosti od načina stvaranja pražnjenja ovakve plazme nazivamo:

  1. radiofrekventnim i mikrotalasna pražnjenja
  2. lukovi jednosmerne odnosno naizmenične struje
  3. plazme plazmatrona jednosmerne i naizmenične struje
  4. tinjavo pražnjenje i varnice

Od velikog značaja su plazmatroni jednosmerne i naizmenične struje kao i lukovi visokog intenziteta. Temperature su dovoljno visoke da obezbede visok stepen disocijacije reaktanata. Karakter hemijskih konverzija koje se dešavaju na temperaturama od nekoliko hiljada stepeni je određen termodinamičkim svojstvima supstancija koje učestvuju u hemijskoj reakciji. Ukoliko znamo termodinamičke konstante (slobodne energije), u većini slučajeva, možemo odrediti optimalne temperature za odgovarajuće hemijske reakcije kao prinos odgovarajućih produkata. Međutim, tok reakcije nije uslovljen samo termodinamičkim svojstvima supstancija koje učestvuju u hemijskim reakcijama. Od bitnog značaja su i intermedijerna stanja kroz koja prolazi sistem kao i raspodela energije po stepenima slobode, što određuje fizička kinetika. Naravno uvek je i pitanje u kolikoj meri je, što zavisi od tipa plazme, primenljiva Maksvelova raspodela čestica po brzinama i Bolcmanova raspodela čestica po energijama.

Hemijske reakcije sinteze u plazmi mogu se ostvariti u tri faze:

  1. stvaranje plazme
  2. hemijska reakcija
  3. zaustavljanje reakcije (hlađenje)

1. Argon se najčešće koristi kao gas u kome se realizuje visokotemperaturska plazma jer je potreban relativno nizak napon pare za formiranje pražnjenja. U njemu se grade metastabili preko kojih se ostvaruje ekscitacija pojedinih vrsta u plazmi. Inertan je i ima spektar relativno siromašan linijama. Veoma često se koristi smeša argona sa nekim drugim gasom kao npr. vodonikom ili azotom u vrućim plazmama. Na ovaj način, izmenom termodinamičkih osobina, mogu se menjati opšte osobine plazme pre svega njena temperatura i elektronska gustina, čime se reakcije i procesi u plazmi mogu voditi u željenom pravcu. Treba voditi i računa da i unete supstance kao reaktanti takođe svojim termodinamičkim i transportnim osobinama menjaju opšte karakteristike plazme.

2. U visokotemperaturskim plazmama za odigravanje hemijskih reakcija pored procesa stvaranja plazme veoma je bitno i unošenje reaktanata u plazmu kao i izdvajanje krajnjih produkata. Uzorak se može unositi pre, za vreme ili posle stvaranja plazme. Reaktanti se unose u sistem pre generisanja plazme kada učestvuju u nastajanju i održavanju plazme. Stoga se procesi uvođenja izvode zavisno od željenih efekata. PRIMER: Pri sintezi NO,prvo se u plazmu unosi N2 a zatim O2 da bi se favorizovala njegova reakcija sa nastalim aktivnim atomskim azotom, a ne sa molekulskim.

3. Proces zamrzavanja ravnotežnog sastava produkata i njihovog izvlačenja iz reaktora je od posebnog značaja za sinteze u plazmi. Potrebno je da se produkti nastali na vrlo visokim temperaturama reda 104K naglo ohlade do sobne temperature, a da se pri tome izbegnu naknadne reakcije rekombinacije. Uloga ovih procesa je da u vremenu kraćem od reakcione kinetike uklone kinetičku energiju sa nastalih produkata i da deaktiviraju vrste koje mogu razoriti krajnje produkte povratnim reakcijama. Najvažniji parametri za reakcioni prinos su brzina hlađenja i kašnjenje hvatanja produkata u odnosu na početak opadanja temperature. Oblast zadovoljavajuće brzine hlađenja iznosi 105 do 108K/s. Postoje različite tehnike za brzo hlađenje kao što su: brzo širenje mlaza kroz mlaznicu, kontakt sa hladnim zidovima, adijabatska ekspanzija ili ubacivanje neke lako isparljive inertne tečnosti ili hladnog inertnog gasa u plazmu. Radikali koji su u najvećoj meri prisutni u plazmi pri hlađenju prelaze u stabilne molekule. Dok u vrućim plazmama vladaju uslovi LTR dotle je proces naglog hlađenja naravnotežan, određen kinetičkim parametrima komponenata sistema. Stoga sadržaj krajnjih produkata nije određen samo ravnotežnim sastavom već i kinetikom procesa rekombinacije u toku hlađenja.

Plazma-hemijski procesi pod kvaziravnotežnim uslovima[uredi - уреди]

Pri ispitivanju ovih procesa neophodno je tačno odrediti ravnotežnu koncentraciju krajnjih produkata. Izračunati sastav plazme određenog tipa ukazuje na mogućnost izdvajanja određenih molekula ili radikala kao produkata reakcije. Proračuni su zasnovani na činjenici da sistemu u stanju hemijske ravnoteže odgovara minimalna slobodna energija. Kao što smo ranije pomenuli, na visokim temperaturama procesi razlaganja i disocijacije postaju dominantni. Uporedo sa procesima disocijacije u plazmama nastaju molekuli i radikali kojih nema na običnim temperaturama kao što su C3, Al2O3, Na2, B2O3.

Plazme se koriste za redukciju hlorida i oksida do elemenata. Ovo se postiže u visoko intenzivnim lukovima u kojima je anoda napravljena od oksida datog elementa presovana sa grafitnim puderom. Redukcija BF3 i BCl3 se vrši u plazma džetu u struji vodonika odakle se dobija elementarni bor. U ovim plazmama mogu se sintetisati i metalokeramički materijali koji predstavljaju jedinjenja metala i nemetala, veoma su termootporni, velike tvrdoće i mehaničke čvrstoće. Najčešće se metalni prah unosi u plazmenik zajedno sa strujom nosećeg gasa,gde se vrši isparavanje, aktiviranje i reakcija sa pomoćnim gasom koji pri formiranju nitrida može biti azot ili amonijak, a pri formiranju karbida metan ili ugljenmonoksid. Uvođenjem praha metala u plazmatron ili visokostrujni luk u prisustvu amonijaka, metana, bora ili silicijuma proizvode se metalni nitridi (AlN-toplotna provodljivost uporediva sa provodljivošću bakra), karbidi (SiC), boridi (B4C) ili silicidi (Si3N4).

Unošenjem praha aluminijum-trioksida u radiofrekventnu plazmu u argonu (pomoćni gas sadrži i vodonik) dolazi do fazne selekcije između stabilne faze α-Al2O3 i metastabilnih γ,δ,θ-Al2O3. Razmatranje faznog sastava praha nastalog pri raspršivanju u plazmi je od značaja za kvalitet nanesenih prevlaka, jer metastabilne faze materijala mogu tokom vremena prelaziti u stabilne menjajući osobine materijala u vezi termalne provodljivosti, specifične zapremine.

Procesi u kojima su krajnji produkti intermedijerni produkti hemijskih reakcija[uredi - уреди]

Visoke temperature ovih plazmi pogodne su za proizvodnju novih hemijskih vrsta ili reaktivnih intermedijera koji učestvuju u raznim reakcijama sinteza u plazmi. Sinteza acetilena se najpogodnije vrši u različitim radiofrekventnim plazma reaktorima visoke snage. Hilsova metoda koristi se za proizvodnju acetilena iz metana u visokostrujnim lukovima. Dodatak N2, H2 ili vodene pare argonskoj plazmi u plazmatronima omogućava sintezu acetilena iz ugljenika i vodonika, pri čemu prinos acetilena zavisi od početnog odnosa C/H i brzina hlađenja krajnjeg proizvoda. Od različitih načina hemijske fiksacije azota najznačajnija je direktna oksidacija azota kiseonikom.

1/2N2 + 1/2O2 → NO ΔH0=90,4kJ/mol

Pošto je ova reakcija endotermna, visoke temperature pogoduju njenom odigravanju.

U visokotemperaturskim lukovima sa ugljenim elektrodama vrši se sinteza tetrafluor etilena iz tetrafluor metana.

U samom luku nastaje reakcija: CF4 → C2F2 ali tokom hlađenja nastaje: C2F2 + F → C2F3 + F → C2F
Termalna plazma omogućava brzo zagrevanje i visoke reakcione temperature i tako obezbeđuje trenutno razlaganje. Tada su otvorene mogućnosti za nove sinteze u plazmi putem hemijskih reakcija na visokim temperaturama koje se odvijaju ili između atoma ili između radikala koji su produkti raspada štetnih jedinjenja ili se u ovakvu plazmu uvode i drugi reaktanti čime se ostvaruje sinteza odgovarajućih produkata. U svim ovim slučajevima, proračun ravnotežnog sastava predstavlja neku vrstu preliminarnog istraživanja koje može da odgovori na to da li je ili nije moguća sinteza odgovarajućeg molekula u plazmi i pri kojim uslovima (pritisak, temperatura, količina i vrsta reaktanata) ona treba da se odvija. Termodinamički proračuni su od velike važnosti ali pomoću njih se ne mogu objasniti svi koraci tokom odgovarajuće sinteze koji su nekada daleko od ravnotežnih.

Plazma hemijske reakcije u neravnotežnim uslovima[uredi - уреди]

Ove hemijske reakcije se odnose na različite zone tinjavog pražnjenja, pulsirajućeg pražnjenja ili ozračivanja laserima. Analizom hemijskih procesa pod neravnotežnim uslovima došlo se do saznanja da se na ovaj način mogu dobiti:

  1. Nova jedinjenja (molekuli) O2F2, O3F2, O4F2, XeF4, XeF2
  2. Visoki prinosi krajnjih produkata C2F2 iz CF4
  3. dobijeni radikali (molekuli) se mogu koristiti kao reaktanti u drugim hemijskim reakcijama

Za proučavanje mehanizama i kinetike hemijskih reakcija pod neravnotežnim uslovima neophodno je poznavanje efikasnih preseka za sve procese, njihovu zavisnost od energije reaktanata, raspodelu energije po česticama i evoluciju ovih funkcija raspodele sa vremenom. U ovakvim slučajevima su bitne hemijske reakcije u kojima učestvuju elektroni i joni. Ovakva teorijska proučavanja je teško izvesti. Uslovi u neravnotežnim plazmama su obično takvi da su elektronske temperature daleko veće-104K, dok su temperature težih čestica (molekula) niske, 700K, pa hlađenje produkata nije potrebno.

Stepen jonizacije[uredi - уреди]

Da bi plazma postojala neophodno je da postoji jonizacija. Izraz „gustina plazme“ obično se odnosi na elektronsku gustinu, odnosno, broj slobodnih elektrona po jedinici zapremine. Stepen jonizacije plazme predstavlja frakciju atoma koji su izgubili (ili primili) elektron i najvećim delom zavisi od temperature. Čak i delimično jonizovan gas u kojem je jonizovano svega 1% čestica može da pokazuje osobine plazme (t. j., da reaguje na magnetsko polje i da bude eletrično provodan). Stepen jonizacije, α definiše se kao α = ni/(ni + na) gde je ni brojčana jonska gustina a na brojčana gustina neutralnih atoma. Elektronska gustina je s time povezana preko srednje gustine jonskog naeletrisanja <Z> relacijom ne=<Z> ni gde je ne brojčana elektronska gustina.

Temperature[uredi - уреди]

Plamen sveće. Vatra se može smatrati niskotemperaturkom delimičnom plazmom.

Temperatura plazme se uobičajeno izražava u kelvinima ili elektronvoltima a (grubo govoreći) predstavlja merilo toplotne kinetičke energije po jednoj čestici. U većini slučajeva elektroni su u blizini toplotne ravnoteže tako da je njihova temperatura relativno dobro definisana, čak i kada postoji značajno odstupanje od Maksvelove raspodele energije, na primer zbog uticaja UV zračenja, energetskih čestica, ili jakog električkog polja. Zbog velike razlike u masama elektroni mnogo brže stupaju u termodinamičku ravnotežu međusobno nego sa jonima ili neutralnim atomima. Iz tih razloga jonska temperatura može biti veoma različita (obično niža) od elektronske temperature. To je naročito slučaj u slabo jonizovanim tehnološkim plazmama gde su joni često u blizini ambijentne temperature.

Potencijali[uredi - уреди]

Munja je primer plazme koja se javlja na površini Zemlje. Munja pri naponima do 100 miliona volti i strujama do 30.000 ampera emituje svetlost, radio-talase, h-zrake, čak i gama zrake.[10] Temperatura plazme u munji može da dostigne 28.000 kelfina a gustine elektrona mogu da pređu 1024/m3. Plazma se često naziva četvrtim agregatnim stanjem materije. Ona se razlikuje od ostalih niskoenergijskih stanja materije, čvrstog, tečnog i gasovitog mada ima izvesne sličnosti sa gasovitim stanjem, po tome što nema stalni oblik ni zapreminu. Fizičari smatraju da je plazma više nego gas jer poseduje nekoliko posebnih osobina uključujući sledeće:

Izvori[uredi - уреди]

  1. Kruks je održao predavanje pred Britanskim udruženjem za unapređenje nauke British Association for the Advancement of Science, u Šefildu, u petak, 22. avgusta 1879. [1] [2], Pristupljeno 23. 4. 2013.
  2. Obznanjeno u njegovom večernjem redavanju u Kraljevskoj isntituciji u petak, 30. aprila 1897., i objavljeno u Filozofskom magazinu -{Philosophical Magazine}-, 44, 293 [3], Pristupljeno 23. 4. 2013.
  3. 3.0 3.1 I. Langmuir, "Oscilacije u jonizovanim gasovima (Oscillations in ionized gases)," Proc. Nat. Acad. Sci. U.S., vol. 14, pp. 628, 1928
  4. G. L. Rogoff, Ed., IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 19, pp. 989, Dec. 1991. Videti izvod u http://www.plasmacoalition.org/what.htm
  5. Greg Morfill et al, Focus on Complex (Dusty) Plasmas (2003) New J. Phys. 5
  6. D. A. Gurnett, A. Bhattacharjee, Introduction to Plasma Physics: With Space and Laboratory Applications (2005) (Page 2). Also K Scherer, H Fichtner, B Heber, "Space Weather: The Physics Behind a Slogan" (2005) (Page 138)
  7. Plasma fountain Source, press release: Solar Wind Squeezes Some of Earth's Atmosphere into Space, Pristupljeno 23. 4. 2013.
  8. After Peratt, A. L., "Advances in Numerical Modeling of Astrophysical and Space Plasmas" (1966) Astrophysics and Space Science, v. 242, Issue 1/2, pp. 93-163.
  9. See The Nonneutral Plasma Group at the University of California, San Diego
  10. See Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning, Pristupljeno 23. 4. 2013.

Spoljašnje veze[uredi - уреди]