👩🏿‍🤝‍👩🏼 🛑 🏴‍☠️ Gibt es Plasma im Weltraum? 👩‍✈️ 🏺 👩🏼‍⚕️

Haben Sie jemals darüber nachgedacht, was im interstellaren oder intergalaktischen Raum enthalten ist? Es gibt ein technisches Vakuum im Raum, und daher ist nichts enthalten (nicht in dem absoluten Sinne, dass nichts enthalten ist, sondern in einem relativen Sinne). Und Sie werden Recht haben, denn im interstellaren Raum von durchschnittlich 1000 Atomen pro Kubikzentimeter und in sehr großen Entfernungen ist die Dichte der Substanz vernachlässigbar. Das ist aber nicht so einfach und unkompliziert. Die räumliche Verteilung des interstellaren Mediums ist nicht trivial. Neben allgemeinen galaktischen Strukturen wie einem Jumper (Balken) und Spiralarmen von Galaxien gibt es auch separate kalte und warme Wolken, die von heißerem Gas umgeben sind. Es gibt eine große Anzahl von Strukturen im interstellaren Medium (MLM): riesige Molekülwolken, reflektierende Nebel, protoplanetare Nebel, planetarische Nebel, Kügelchen usw. Dies führt zu einer Vielzahl von Beobachtungsmanifestationen und -prozessen im Medium. In der folgenden Liste sind die im MOH vorhandenen Strukturen aufgeführt:

Koronales Gas
Helle Bereiche HII
HII Zonen mit niedriger Dichte
Cloud-Umgebung
Warme Bereiche HI
Maser Kondensation
Wolken hi
Riesige Molekülwolken
Molekülwolken
Kügelchen

Wir werden jetzt nicht auf Details eingehen, da es jede Struktur gibt, da das Thema dieser Veröffentlichung Plasma ist. Das Folgende kann Plasmastrukturen zugeschrieben werden: koronales Gas, helle HII-Regionen, warme HI-Regionen, HI-Wolken, d.h. Fast die gesamte Liste kann als Plasma bezeichnet werden. Aber Sie widersprechen, der Raum ist ein physikalisches Vakuum, und wie kann es ein Plasma mit einer solchen Konzentration von Partikeln geben?

Um diese Frage zu beantworten, muss eine Definition gegeben werden: Was ist Plasma und nach welchen Parametern betrachten Physiker diesen Materiezustand als Plasma?
Nach modernen Plasmakonzepten ist dies der vierte Zustand einer Substanz, die sich in einem gasförmigen Zustand befindet, der stark ionisiert ist (der erste Zustand ist ein Feststoff, der zweite ist ein flüssiger Zustand und schließlich ist der dritte gasförmig). Aber nicht jedes Gas, auch nicht ionisiert, ist ein Plasma.

Plasma besteht aus geladenen und neutralen Teilchen. Positiv geladene Teilchen sind positive Ionen und Löcher (Festkörperplasma), und negativ geladene Teilchen sind Elektronen und negative Ionen. Zunächst müssen Sie die Konzentration eines bestimmten Partikeltyps kennen. Ein Plasma gilt als schwach ionisiert, wenn der sogenannte Ionisationsgrad gleich ist

r = N_{e} / N_{n}

$r = N_e / N_n$

N_{e}

$N_e$ Ist die Konzentration der Elektronen,

N_{n}

$N_n$ - Die Konzentration aller neutralen Partikel im Plasma liegt im Bereich

(r < 10^{- 2} - 10^{- 3})

$(r <10 ^ {- 2} - 10 ^ {- 3})$ . Ein vollständig ionisiertes Plasma weist einen Ionisationsgrad auf

r t o i n f t y

$r \ to \ infty$

Aber wie oben gesagt, dass nicht jedes ionisierte Gas ein Plasma ist. Es ist notwendig, dass das Plasma die Eigenschaft der Quasineutralität besitzt , d.h. Im Durchschnitt war das Plasma für ausreichend große Zeiträume und in ausreichend großen Entfernungen im Allgemeinen neutral. Aber in welchen Zeit- und Entfernungsintervallen kann das Gas als Plasma betrachtet werden?

Die Quasineutralitätsanforderung lautet also wie folgt:

s u m_{a l p h a} e_{a l p h a} N_{a l p h a} = 0

$\ sum _ {\ alpha} e _ {\ alpha} N _ {\ alpha} = 0$

Lassen Sie uns zunächst herausfinden, wie Physiker die Zeitskala der Ladungstrennung schätzen. Stellen Sie sich vor, dass ein Elektron im Plasma von seiner ursprünglichen Gleichgewichtsposition im Raum abweicht. Die Coulomb-Kraft beginnt auf das Elektron zu wirken und versucht, das Elektron in einen Gleichgewichtszustand zurückzubringen, d.h.

F a p p r o x e^{2} / {r^{2}}_{c p}

$F \ approx e ^ 2 / {r ^ 2} _ {cp}$ wo

r_{M i}

$r_ {Mi}$ Ist der durchschnittliche Abstand zwischen Elektronen. Dieser Abstand wird ungefähr wie folgt geschätzt. Angenommen, die Konzentration der Elektronen (d. H. Die Anzahl der Elektronen pro Volumeneinheit) ist

N_{e}

$N_e$ . Elektronen sind im Durchschnitt voneinander entfernt

r_{M i}

$r_ {Mi}$ Sie belegen also durchschnittlich die Lautstärke

V = f r a c 43 p i r_{c p}^{3}

$V = \ frac {4} {3} \ pi r_ {cp} ^ 3$ . Wenn sich also 1 Elektron in diesem Volumen befindet,

r_{c p} = (f r a c 3 4 p i N_{e})^{1 / 3}

$r_ {cp} = (\ frac {3} {4 \ pi N_e}) ^ {1/3}$ . Infolgedessen beginnt das Elektron mit einer Frequenz in der Nähe der Gleichgewichtsposition zu schwingen

o m e g a a p p r o x s q r t f r a c F m r_{c p} a p p r o x s q r t f r a c 4 p i e^{2} N_{e} 3 m

$\ omega \ approx \ sqrt {\ frac {F} {mr_ {cp}}} \ approx \ sqrt {\ frac {4 \ pi e ^ 2 N_e} {3m}}$

Genauere Formel

o m e g a_{L e} = s q r t f r a c 4 p i e^{2} N_{e} m

$\ omega_ {Le} = \ sqrt {\ frac {4 \ pi e ^ 2 N_e} {m}}$

Diese Frequenz wird als elektronische Langmuir-Frequenz bezeichnet . Es wurde vom amerikanischen Chemiker Irwin Langmuir, Nobelpreisträger für Chemie, "für Entdeckungen und Forschungen auf dem Gebiet der Chemie von Oberflächenphänomenen" herausgebracht.

Daher ist es natürlich, den Kehrwert der Langmuir-Frequenz als Zeitskala der Ladungstrennung zu verwenden

t a u = 2 p i / o m e g a_{L e}

$\ tau = 2 \ pi / \ omega_ {Le}$

Im Weltraum im großen Stil im Laufe der Zeit

t >> t a u

$t >> \ tau$ die Teilchen machen viele Schwingungen um die Gleichgewichtsposition und das Plasma als Ganzes wird quasi neutral sein, d.h. In Bezug auf die Zeitskala kann das interstellare Medium mit Plasma verwechselt werden.

Es ist aber auch notwendig, die räumlichen Skalen zu bewerten, um genau zu zeigen, dass der Kosmos ein Plasma ist. Aus physikalischen Überlegungen ist klar, dass diese räumliche Skala durch die Länge bestimmt wird, um die sich die Störung der Dichte geladener Teilchen aufgrund ihrer thermischen Bewegung über eine Zeit, die der Periode der Plasmaoszillationen entspricht, verschieben kann. Somit ist die räumliche Skala gleich

r_{D e} a p p r o x f r a c u p s i l o n_{T e} o m e g a_{L e} = s q r t f r a c k T_{e} 4 p i e^{2} N_{e}

$r_ {De} \ approx \ frac {\ upsilon_ {Te}} {\ omega_ {Le}} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {4 \ pi e ^ 2 N_e}}$

u p s i l o n_{T e} = s q r t f r a c k T_{e} m

$\ upsilon_ {Te} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {m}}$ . Woher kommt diese wunderbare Formel? Wir werden so argumentieren. Elektronen im Plasma bewegen sich bei der Gleichgewichtstemperatur des Thermostats ständig mit kinetischer Energie

E_{k} = f r a c m u p s i l o n^{2} 2

$E_k = \ frac {m \ upsilon ^ 2} {2}$ . Andererseits ist das Gesetz der gleichmäßigen Energieverteilung aus der statistischen Thermodynamik bekannt, und im Durchschnitt hat jedes Teilchen

E = f r a c 12 k T_{e}

$E = \ frac {1} {2} kT_e$ . Wenn wir diese beiden Energien vergleichen, erhalten wir die oben dargestellte Geschwindigkeitsformel.

Wir haben also die Länge erhalten, die in der Physik als elektronischer Debye-Radius oder Länge bezeichnet wird .

Jetzt werde ich eine strengere Ableitung der Debye-Gleichung zeigen. Stellen Sie sich wieder N Elektronen vor, die unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes um einen bestimmten Betrag verschoben werden. In diesem Fall ist eine Raumladungsschicht mit einer Dichte gleich

s u m e_{j} n_{j}

$\ sum e_j n_j$ wo

e_{j}

$e_j$ Ist die Ladung eines Elektrons,

n_{j}

$n_j$ Ist die Konzentration der Elektronen. Aus der Elektrostatik ist die Poisson-Formel bekannt

b i g t r i a n g l e d o w n^{2} p h i (r) = - f r a c 1 e p s i l o n e p s i l o n_{0} s u m e_{j} n_{j}

$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi ({r}) = - \ frac {1} {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum e_j n_j$

Hier

e p s i l o n

$\ epsilon$ - Dielektrizitätskonstante des Mediums. Andererseits bewegen sich Elektronen aufgrund thermischer Bewegung und Elektronen werden gemäß der Boltzmann-Verteilung verteilt

n_{j} (r) = n_{0} e x p (- f r a c e_{j} p h i (r) k T_{e})

$n_j ({r}) = n_0 \ exp (- \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e})$

Wir ersetzen die Boltzmann-Gleichung durch die Poisson-Gleichung, die wir erhalten

b i g t r i a n g l e d o w n^{2} p h i (r) = - f r a c 1 e p s i l o n e p s i l o n_{0} s u m e_{j} n_{0} e x p (- f r a c e_{j} p h i (r) k T_{e})

$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi ({r}) = - \ frac {1} {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum e_j n_0 \ exp (- \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e})$

Dies ist die Poisson-Boltzmann-Gleichung. Wir erweitern den Exponenten in dieser Gleichung in einer Taylor-Reihe und verwerfen Mengen zweiter Ordnung und höher.

e x p (- f r a c e_{j} p h i (r) k T_{e}) = 1 - f r a c e_{j} p h i (r) k T_{e}

$\ exp (- \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e}) = 1 - \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e}$

Ersetzen Sie diese Erweiterung durch die Poisson-Boltzmann-Gleichung und erhalten Sie

b i g t r i a n g l e d o w n^{2} p h i (r) = (s u m f r a c n_{0 j} e_{j}^{2} e p s i l o n e p s i l o n_{0} k T_{e}) p h i (r) - f r a c 1 e p s i l o n e p s i l o n_{0} s u m n_{0 j} e_{j}

$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi ({r}) = (\ sum \ frac {n_ {0j} e_ {j} ^ 2} {\ epsilon \ epsilon_0 kT_e}) \ phi ({r}) - \ frac {1 } {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum n_ {0j} e_ {j}$

Dies ist die Debye-Gleichung. Ein genauerer Name ist die Debye-Hückel-Gleichung. Wie wir oben herausgefunden haben, ist in einem Plasma wie in einem quasi neutralen Medium der zweite Term in dieser Gleichung gleich Null. Im ersten Semester haben wir im Wesentlichen die Debye-Länge .

Im interstellaren Medium beträgt die Debye-Länge etwa 10 Meter, im intergalaktischen Medium etwa 10 Meter

10^{5}

$10 ^ 5$ Meter. Wir sehen, dass dies ziemlich große Mengen sind, verglichen beispielsweise mit Dielektrika. Dies bedeutet, dass sich das elektrische Feld ohne Dämpfung über diese Entfernungen ausbreitet und Ladungen in geladenen Massenschichten verteilt, deren Teilchen mit einer Frequenz gleich Langmuir um die Gleichgewichtspositionen schwingen.

Aus diesem Artikel haben wir zwei grundlegende Größen gelernt, die bestimmen, ob ein Raummedium Plasma ist, obwohl die Dichte dieses Mediums extrem klein ist und der Raum insgesamt ein physikalisches Vakuum auf makroskopischen Skalen ist. Auf lokaler Ebene haben wir entweder Gas, Staub oder Plasma

Gibt es Plasma im Weltraum?

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