Примерно 300 лет назад английский физик и химик Роберт Бойль (1627–1691) и независимо от него французский аббат Мариотт (1600–1684) открыли очень важный газовый закон, который с тех пор называется законом Бойля — Мариотта; читается он так:
Объем данной массы газа обратно пропорционален давлению, если температура постоянна.
Или в несколько иной формулировке:
Произведение давления на объем есть величина, постоянная для данной массы газа при неизменной температуре.
Закон этот нашел широчайшее применение у всех, кто так или иначе соприкасается с необходимостью рассчитывать устройства, в которых происходят изменения давлений и объемов газов, например, при проектировании двигателей внутреннего сгорания или в вакуумной технике.
Другой, не менее важный закон в области газов был сформулирован итальянским физиком Амедео Авогадро (1776–1856). Закон этот читается так:
В равных объемах любых двух газов, находящихся при одних и тех же давлении и температуре, содержится одинаковое число молекул.
Выходит, что отношение масс двух газов одинаковых объемов при одинаковых давлениях и температуре равно отношению их молекулярных весов. Законом Авогадро воспользовались, чтобы получить таблицу отношений атомных масс. Отношение масс атомов кислорода и водорода равно 16 : 1,008. И вот ученые договорились считать атомный вес кислорода в точности равным 16. В таком случае молекулярный вес кислорода (молекула кислорода состоит из двух атомов) равен 32, а вес молекулы водорода — 2,016. Они договорились также ввести новую единицу массы для каждого вещества: граммолекулу, или моль.
Граммолекулой, или молем, называется количество вещества, масса которого в граммах равна молекулярному «весу».
Выходит, например, что одна граммолекула водорода равна 2,016 грамма.
Число молекул в одной граммолекуле всегда одно и то же, независимо от вещества. Когда это число подсчитали, оказалось, что оно равно: N = 6,02·1023.
Величину N назвали «числом Авогадро».
По закону Авогадро, 1 граммолекула любого газа занимает один и тот же объем при одинаковых давлениях и температуре. При температуре 0 градусов и давлении 1 атмосфера объем граммолекулы получается равным 22,4 литра.
Плазменное — четвертое состояние вещества
Возьмем металлическое тело, скажем пулю, и, положив ее в жароупорный тигелек, поставим тигелек в электропечь. Пройдет немного времени, и пуля расплавится, превратится в жидкость, вещество перейдет во второе состояние.
Но будем повышать нагрев. Если возможности печи позволят, металл в конце концов закипит и испарится. Вещество перейдет в свое третье состояние.
Ну, а если нагревать дальше? Что будет с газом, если его нагревать до 4, 5, 6 тысяч градусов?
Не так еще давно даже самые осведомленные физики на этот вопрос отвечали, что ничего особенного не произойдет. Газ просто нагреется сильнее, вот и все. Его молекулы приобретут высокую кинетическую энергию и станут еще быстрее метаться между стенками сосуда.
В таком ответе не было ничего удивительного. Люди не умели тогда получать особенно высоких температур и не могли знать, что будет с веществом, допустим, при 6000 градусов. В обычных топливных печах максимальная температура достигает только 2000, а в электрических — 3000 градусов.
Теперь положение изменилось. Даже в промышленных условиях добиваются иногда температур порядка 12 000 градусов. А физики по «добыванию» высоких температур превзошли пределы самых невероятных фантазий.
В Институте атомной энергии научным сотрудником М. С. Иоффе были произведены эксперименты, в которых удалось получить температуру для дейтерия 60 миллионов градусов — в три раза более высокую, чем в центре Солнца (по современным представлениям, температура в центре Солнца несколько менее 20 миллионов градусов). Академик Евгений Константинович Завойский добился еще более эффектных результатов: в своих опытах ему вместе с сотрудниками удалось нагреть потоки электронов до температуры свыше 100 миллионов градусов.
Сейчас уже известно точно: выше 6000 градусов газы, даже что ни на есть устойчивые, как бы испаряются.
Что же с ними происходит?
Когда при бешеных скоростях, вызванных сильным нагревом, атомы вещества сталкиваются один с другим, из них выбиваются электроны. Утрачивая часть электронов, атомы превращаются в положительные ионы, то есть в «осколки», заряженные положительным электричеством. Электроны, как известно, заряжены отрицательно. В результате получается смесь из отрицательных электронов, положительных ионов и не успевших «испариться» нейтральных атомов. Так как положительное электричество в такой смеси равно отрицательному электричеству, смесь в целом остается нейтральной. Но электроны сталкиваются между собой и с ионами и заставляют «испаренный газ» светиться (что бывает, впрочем, не всегда, а лишь при достаточном количестве частиц; если разрежение высокое, вещество может стать совсем невидимым).
Облако материи в таком особо возбужденном состоянии и называется плазмой. Открыл ее в 1920 году выдающийся индийский астрофизик Мег Над Сага.
Что плазма уже не газ, а качественно совсем иное, новое состояние вещества, ученые убедились довольно быстро.
Каждое состояние вещества имеет свои особые свойства, не похожие на свойства остальных состояний. Имеет их и плазма.
Свойства плазмы резко отличаются от свойств газа. Газ, например, — электрический изолятор. Плазма, хотя она в целом и нейтральна, как газ, наоборот, прекрасно проводит электрический ток. В отличие от металлов, которые проводят ток тем хуже, чем больше они нагреты, электропроводность плазмы растет с увеличением температуры.
Теория говорит, что при очень высокой температуре плазма практически должна обладать свойством сверхпроводимости, то есть ее электрическое сопротивление должно быть близко к нулю. Кроме того, плазма — идеальный проводник тепла, она — сверхтеплопроводящий материал.
В плазме очень много тепла, но есть и то, чего нет ни в одном теплоносителе, — порядок. Сильное магнитное поле, в котором добывается плазма, вносит в ее движение порядок, причем необыкновенный: винтовой, или иначе — гиротропный.
Острый интерес к плазме в наши дни вызван многими причинами. Первая, конечно, заключается в том, что, как оказалось, плазма гораздо больше распространена в природе, чем это можно было бы предполагать. Почти вся Вселенная состоит из плазмы. Из плазмы состоят Солнце, горячие звезды, туманности, межзвездный газ.
Выяснилось, что с плазмой люди имели дело задолго до ее открытия.
Вода начинает испаряться еще до того, как достигает температуры своего кипения. И плазма образуется не обязательно при температуре 6 и выше тысяч градусов. Она возникает, например, под воздействием сильного облучения газа рентгеновыми или ультрафиолетовыми лучами. Поместив газ в мощное электрическое поле, его также можно привести в состояние ионизации, частично обратить в плазму.
Слабо горит свеча. И все же ее пламя хоть в малой степени, но ионизировано. Это еще не настоящая плазма, но уже намек на нее. А вот ослепительный свет электрической дуга и мягкое свечение неоновой трубки прямо исходят от плазмы. Близко к настоящей плазме пламя сварочной горелки и форсунки дизеля, пламя в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.
Кратковременное плазменное состояние возникает в стволе орудия при выстреле. Вообще при всяком взрыве большой массы взрывчатого вещества происходит образование плазмы.
Плазма образует канал электрической искры и молнии. Ионизированные слои в атмосфере Земли состоят из плазмы. Полярное сияние есть не что иное, как свечение ионизированного газа, то есть тоже плазмы.
Юрий Гагарин совершил свой подвиг буквально в объятиях плазмы. Когда космический корабль «Восток», взметнувшись с площадки космодрома, с грохотом пробивал плотные слои атмосферы, сопла ракетного двигателя извергали плазму.
