क्या अंतरिक्ष में प्लाज्मा है?

क्या आपने कभी सोचा है कि इंटरस्टेलर या अंतरिक्ष अंतरिक्ष में क्या निहित है? अंतरिक्ष में एक तकनीकी वैक्यूम है, और इसलिए कुछ भी निहित नहीं है (पूर्ण अर्थ में नहीं है कि कुछ भी निहित नहीं है, लेकिन एक सापेक्ष अर्थ में)। और आप सही होंगे, क्योंकि औसतन इंटरस्टेलर स्पेस में लगभग 1000 परमाणु प्रति घन सेंटीमीटर और बहुत महान दूरी पर पदार्थ का घनत्व नगण्य है। लेकिन यह इतना सरल और सीधा नहीं है। इंटरस्टेलर माध्यम का स्थानिक वितरण nontrivial है। सामान्य गैलेक्टिक संरचनाओं के अलावा, जैसे कि एक जम्पर (बार) और आकाशगंगाओं के सर्पिल हथियार, गर्म गैस से घिरे अलग-अलग ठंडे और गर्म बादल भी होते हैं। इंटरस्टेलर माध्यम (एमएलएम) में बड़ी संख्या में संरचनाएं हैं: विशाल आणविक बादल, प्रतिबिंब निहारिका, प्रोटोप्लेनेटरी नेबुला, ग्रह नेबुला, ग्लोब्यूल्स, आदि। इस माध्यम में होने वाली अवलोकन अभिव्यक्तियों और प्रक्रियाओं की एक विस्तृत श्रृंखला होती है। नीचे दी गई सूची एमओएच में मौजूद संरचनाओं को सूचीबद्ध करती है:

• कोरोनल गैस
• उज्ज्वल क्षेत्र HII
• HII कम घनत्व क्षेत्र
• बादल का वातावरण
• गर्म क्षेत्र HI
• मसर संघनन
• बादल हाय
• विशाल आणविक बादल
• आणविक बादल
• ग्लोब्यूल

हम अब विवरण में नहीं जाएंगे कि प्रत्येक संरचना है, क्योंकि इस प्रकाशन का विषय प्लाज्मा है। प्लाज्मा संरचनाओं के लिए निम्नलिखित को जिम्मेदार ठहराया जा सकता है: कोरोनल गैस, चमकीले HII क्षेत्र, गर्म HI क्षेत्र, HI बादल, अर्थात लगभग पूरी सूची को प्लाज्मा कहा जा सकता है। लेकिन, आप आपत्ति जताते हैं, अंतरिक्ष एक भौतिक निर्वात है और कणों की इतनी सघनता के साथ प्लाज्मा कैसे हो सकता है?

इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, यह परिभाषा देना आवश्यक है: प्लाज्मा क्या है और भौतिकविदों द्वारा इस पदार्थ की स्थिति को प्लाज्मा माना जाता है?
प्लाज्मा की आधुनिक अवधारणाओं के अनुसार, यह एक पदार्थ का चौथा राज्य है जो गैसीय अवस्था में है, अत्यधिक आयनित (पहला राज्य एक ठोस है, दूसरा एक तरल राज्य है, और अंत में तीसरा गैसीय है)। लेकिन हर गैस, यहां तक ​​कि आयनित नहीं, एक प्लाज्मा है।

प्लाज्मा आवेशित और तटस्थ कणों से बना होता है। सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए कण सकारात्मक आयन और छेद (ठोस राज्य प्लाज्मा) हैं, और नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए कण इलेक्ट्रॉन और नकारात्मक आयन हैं। सबसे पहले, आपको एक विशेष प्रकार के कण की एकाग्रता को जानने की आवश्यकता है। एक प्लाज्मा को कमजोर रूप से आयनित माना जाता है यदि तथाकथित डिग्री आयनीकरण के बराबर है

$$

$$r = N_e / N_n$$

जहाँ $$$N_e$ इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता है, $$$एन_ एन$ - प्लाज्मा में सभी तटस्थ कणों की एकाग्रता सीमा में होती है $$$(r <10 ^ {- 2} - 10 ^ {- 3})$ । एक पूरी तरह से आयनित प्लाज्मा में आयनीकरण की डिग्री होती है $$$r \ to \ infty$

लेकिन जैसा कि ऊपर कहा गया था, कि प्रत्येक आयनित गैस एक प्लाज्मा नहीं है। यह आवश्यक है कि प्लाज्मा में क्वासिन्यूट्रलिटी की संपत्ति होती है , अर्थात। औसतन, पर्याप्त रूप से बड़ी अवधि के लिए और पर्याप्त रूप से बड़ी दूरी पर, प्लाज्मा आमतौर पर तटस्थ था। लेकिन समय और दूरी के ये अंतराल क्या हैं जिन पर गैस को प्लाज्मा माना जा सकता है?

तो, quasineutrality आवश्यकता इस प्रकार है:

$$

$$\ _ _ \ _ अल्फा = ई _ {\ अल्फा} एन _ {\ अल्फा} = 0$$

आइए पहले पता करें कि भौतिकविदों ने चार्ज पृथक्करण के समय पैमाने का अनुमान कैसे लगाया है। कल्पना कीजिए कि प्लाज्मा में कुछ इलेक्ट्रॉन अंतरिक्ष में अपनी मूल संतुलन स्थिति से भटक गए हैं। कूलम्ब बल इलेक्ट्रॉन पर कार्य करने के लिए शुरू होता है, इलेक्ट्रॉन को एक संतुलन स्थिति में लौटने का प्रयास करता है, अर्थात $$$F \ लगभग e ^ 2 / {r ^ 2} _ {cp}$ जहाँ $$$r_ {बुध}$ इलेक्ट्रॉनों के बीच औसत दूरी है। इस दूरी का मोटे तौर पर अनुमान लगाया गया है। मान लीजिए कि इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता (यानी, प्रति यूनिट वॉल्यूम में इलेक्ट्रॉनों की संख्या) है $$$N_e$ । इलेक्ट्रॉन एक दूसरे की दूरी पर औसतन होते हैं $$$r_ {बुध}$ , इसलिए वे औसत पर वॉल्यूम पर कब्जा कर लेते हैं $$$V = \ frac {4} {3} \ pi r_ {cp} ^ 3$ । इसलिए, यदि इस मात्रा में 1 इलेक्ट्रॉन है, $$$r_ {cp} = (\ frac {3} {4 \ pi N_e}) ^ {1/3}$ । नतीजतन, इलेक्ट्रॉन एक आवृत्ति के साथ संतुलन की स्थिति के पास दोलन करना शुरू कर देगा

$$

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

अधिक सटीक सूत्र

$$

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

इस आवृत्ति को इलेक्ट्रॉनिक लैंगमुइर आवृत्ति कहा जाता है। इसे अमेरिकी रसायनज्ञ इरविन लैंगमुइर, रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार विजेता "सतह की घटनाओं के रसायन विज्ञान के क्षेत्र में खोजों और अनुसंधान के लिए" द्वारा लाया गया था।

इस प्रकार, चार्ज जुदाई के समय पैमाने के रूप में लैंगमुइर आवृत्ति का पारस्परिक लेना स्वाभाविक है

$$

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

अंतरिक्ष में, बड़े पैमाने पर, समय के साथ $$$t >> \ tau$ कण संतुलन स्थिति के चारों ओर कई कंपन बनाते हैं और प्लाज्मा एक पूरे के रूप में अर्ध-तटस्थ होगा, अर्थात। समय के पैमाने के संदर्भ में, प्लाज्मा के लिए इंटरस्टेलर माध्यम को गलत किया जा सकता है।

लेकिन यह स्पष्ट करने के लिए स्थानिक तराजू का मूल्यांकन करना भी आवश्यक है कि ब्रह्मांड एक प्लाज्मा है। भौतिक विचारों से, यह स्पष्ट है कि यह स्थानिक पैमाने उस लंबाई से निर्धारित होता है जिसके द्वारा आवेशित कणों के घनत्व का परावर्तन प्लाज्मा दोलनों की अवधि के बराबर समय के दौरान उनकी थर्मल गति के कारण हो सकता है। इस प्रकार, स्थानिक पैमाने के बराबर है

$$

$$r_ {De} \ अनुमानित \ frac {\ upsilon_ {Te}} {\ _ omega_ {Le}} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {4 \ pi e ^ 2 N_a}}$$

जहाँ $$$\ upsilon_ {Te} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {m}}$ । यह अद्भुत सूत्र कहां से आया, आप पूछें। हम इस तरह से तर्क करेंगे। थर्मोस्टैट के संतुलन तापमान पर प्लाज्मा में इलेक्ट्रॉन निरंतर गतिज ऊर्जा के साथ चलते हैं $$$E_k = \ frac {m \ upsilon ^ 2} {2}$ । दूसरी ओर, समान ऊर्जा वितरण का नियम सांख्यिकीय ऊष्मप्रवैगिकी से जाना जाता है, और औसतन प्रत्येक कण में है $$$E = \ frac {1} {2} kT_e$ । यदि हम इन दो ऊर्जाओं की तुलना करते हैं, तो हमें ऊपर प्रस्तुत गति सूत्र मिलता है।

तो, हमें लंबाई मिली, जिसे भौतिकी में इलेक्ट्रॉनिक डेबी त्रिज्या या लंबाई कहा जाता है।

अब मैं डेबी समीकरण की अधिक कठोर व्युत्पत्ति दिखाऊंगा। फिर से, एन इलेक्ट्रॉनों की कल्पना करें जो एक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में एक निश्चित राशि से विस्थापित होते हैं। इस मामले में, एक घनत्व के साथ अंतरिक्ष चार्ज की एक परत बराबर होती है $$$\ _ e_j n_j$ जहाँ $$$e_j$ एक इलेक्ट्रॉन का आवेश होता है, $$$n_j$ इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता है। इलेक्ट्रोस्टैटिक्स से, पॉइसन फॉर्मूला अच्छी तरह से जाना जाता है

$$

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

यहां $$$\ epsilon$ - माध्यम का ढांकता हुआ निरंतर। दूसरी ओर, इलेक्ट्रॉन गति के कारण गति करते हैं और बोल्ट्जमैन वितरण के अनुसार इलेक्ट्रॉनों को वितरित किया जाता है

$$

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

हम पोइसन समीकरण में बोल्ट्जमैन समीकरण को प्रतिस्थापित करते हैं, हम प्राप्त करते हैं

$$

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

यह पोइसन-बोल्ट्जमैन समीकरण है। हम एक टेलर श्रृंखला में इस समीकरण में प्रतिपादक का विस्तार करते हैं और दूसरी-क्रम मात्रा और उच्चतर को छोड़ देते हैं।

$$

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

इस विस्तार को पॉइसन-बोल्ट्जमैन समीकरण में शामिल करें और प्राप्त करें

$$

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

यह डेबी समीकरण है। एक अधिक सटीक नाम डेबी-हेकेल समीकरण है। जैसा कि हमने ऊपर पाया, एक प्लाज्मा में, एक अर्ध-तटस्थ माध्यम में, इस समीकरण में दूसरा शब्द शून्य के बराबर है। पहले कार्यकाल में, हमारे पास अनिवार्य रूप से डेबी की लंबाई है ।

इंटरस्टेलर माध्यम में, डिबाई की लंबाई लगभग 10 मीटर है, जिसके बारे में अंतरालीय माध्यम में है $$$10 ^ 5$ मीटर है। हम देखते हैं कि ये काफी बड़ी मात्रा में हैं, तुलना में, उदाहरण के लिए, ढांकता हुआ। इसका मतलब यह है कि विद्युत क्षेत्र इन दूरियों पर क्षीणन के बिना प्रचार करता है, आवेशों को थोक आवेशित परतों में वितरित करता है, जिनमें से कण लैंगमुइर के बराबर आवृत्ति के साथ संतुलन पदों के आसपास दोलन करते हैं।

इस लेख से हमने दो मूलभूत मात्राएँ सीखीं, जो यह निर्धारित करती हैं कि अंतरिक्ष का माध्यम प्लाज्मा है या नहीं, इस तथ्य के बावजूद कि इस माध्यम का घनत्व अत्यंत छोटा है और एक पूरे के रूप में अंतरिक्ष मैक्रोस्कोपिक तराजू पर एक भौतिक वैक्यूम है। स्थानीय स्तर पर, हमारे पास गैस, धूल, या प्लाज्मा हैं