🐒 👩🏾‍🤝‍👩🏽 🈹 Apakah ada plasma di ruang angkasa? 👆🏼 🏼 🔹

Pernahkah Anda berpikir tentang apa yang terkandung dalam ruang antarbintang atau intergalaksi? Ada kekosongan teknis di ruang angkasa, dan oleh karena itu tidak ada yang terkandung (tidak dalam arti absolut bahwa tidak ada yang terkandung, tetapi dalam arti relatif). Dan Anda akan benar, karena rata-rata di ruang antarbintang sekitar 1000 atom per sentimeter kubik dan pada jarak yang sangat jauh, kepadatan zat tersebut dapat diabaikan. Tetapi ini tidak begitu sederhana dan langsung. Distribusi spasial media antarbintang adalah nontrivial. Selain struktur galaksi umum, seperti jumper (batang) dan lengan spiral galaksi, ada juga awan dingin dan hangat terpisah yang dikelilingi oleh gas yang lebih panas. Medium antarbintang (MLM) memiliki sejumlah besar struktur: awan molekuler raksasa, nebula pantulan, nebula protoplanet, nebula planetary, globula, dll. Ini mengarah ke berbagai manifestasi pengamatan dan proses yang terjadi dalam medium tersebut. Daftar di bawah ini mencantumkan struktur yang ada di Departemen Kesehatan:

Gas koroner
Daerah terang HII
Zona Kepadatan Rendah HII
Lingkungan cloud
Daerah hangat HI
Kondensasi maser
Awan hi
Awan molekul raksasa
Awan molekul
Globules

Kami tidak akan merinci sekarang karena ada setiap struktur, karena topik publikasi ini adalah plasma. Berikut ini dapat dikaitkan dengan struktur plasma: gas koronal, daerah HII cerah, daerah HI hangat, Awan HI, mis. hampir seluruh daftar bisa disebut plasma. Tapi, Anda keberatan, ruang adalah kekosongan fisik, dan bagaimana mungkin ada plasma dengan konsentrasi partikel seperti itu?

Untuk menjawab pertanyaan ini, perlu untuk memberikan definisi: apa itu plasma dan dengan parameter apa fisikawan menganggap keadaan ini sebagai plasma?
Menurut konsep modern plasma, ini adalah keadaan keempat dari suatu zat yang dalam keadaan gas, sangat terionisasi (keadaan pertama adalah zat padat, yang kedua adalah keadaan cair, dan akhirnya yang ketiga adalah gas). Tetapi tidak setiap gas, bahkan terionisasi, adalah plasma.

Plasma terdiri dari partikel bermuatan dan netral. Partikel bermuatan positif adalah ion dan lubang positif (solid state plasma), dan partikel bermuatan negatif adalah elektron dan ion negatif. Pertama-tama, Anda perlu mengetahui konsentrasi jenis partikel tertentu. Plasma dianggap terionisasi dengan lemah jika derajat ionisasi yang sama

r = N_{e} / N_{n}

$r = N_e / N_n$

dimana

N_{e}

$N_e$ Apakah konsentrasi elektron,

N_{n}

$N_n$ - konsentrasi semua partikel netral dalam plasma terletak pada kisaran

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

$(r <10 ^ {- 2} - 10 ^ {- 3})$ . Plasma terionisasi penuh memiliki tingkat ionisasi

r h i n g g a i n f t y

$r \ hingga \ infty$

Tetapi seperti yang dikatakan di atas, bahwa tidak setiap gas terionisasi adalah plasma. Perlu bahwa plasma memiliki properti quasineutrality , yaitu rata-rata, untuk periode waktu yang cukup besar dan pada jarak yang cukup besar, plasma umumnya netral. Tetapi berapa interval waktu dan jarak di mana gas dapat dianggap plasma?

Jadi, persyaratan quasineutrality adalah sebagai berikut:

j u m l a h_{a l p h a} e_{a l p h a} N_{a l p h a} = 0

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

Pertama-tama mari kita cari tahu bagaimana fisikawan memperkirakan skala waktu pemisahan muatan. Bayangkan bahwa beberapa elektron dalam plasma menyimpang dari posisi keseimbangan aslinya di ruang angkasa. Gaya Coulomb mulai bekerja pada elektron, berusaha untuk mengembalikan elektron ke keadaan setimbang, mis.

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

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

r_{R a b}

$r_ {Rab}$ Apakah jarak rata-rata antar elektron. Jarak ini diperkirakan secara kasar sebagai berikut. Misalkan konsentrasi elektron (mis., Jumlah elektron per satuan volume) adalah

N_{e}

$N_e$ . Elektron rata-rata berjarak satu sama lain

r_{R a b}

$r_ {Rab}$ , sehingga mereka menempati volume rata-rata

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

$V = \ frac {4} {3} \ pi r_ {cp} ^ 3$ . Karenanya, jika ada 1 elektron dalam volume ini,

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

$r_ {cp} = (\ frac {3} {4 \ pi N_e}) ^ {1/3}$ . Akibatnya, elektron akan mulai berosilasi di dekat posisi kesetimbangan dengan frekuensi

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

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

Formula lebih akurat

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

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

Frekuensi ini disebut frekuensi Langmuir elektronik . Itu dibawa oleh ahli kimia Amerika Irwin Langmuir, pemenang Nobel dalam bidang kimia "untuk penemuan dan penelitian di bidang kimia fenomena permukaan."

Dengan demikian, adalah wajar untuk mengambil kebalikan dari frekuensi Langmuir sebagai skala waktu pemisahan muatan

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

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

Di ruang angkasa, dalam skala besar, seiring waktu

t >> t a u

$t >> \ tau$ partikel membuat banyak getaran di sekitar posisi kesetimbangan dan plasma secara keseluruhan akan menjadi kuasi-netral, yaitu dalam hal skala waktu, media antarbintang dapat disalahartikan sebagai plasma.

Tetapi juga perlu untuk mengevaluasi skala spasial untuk secara akurat menunjukkan bahwa kosmos adalah plasma. Dari pertimbangan fisik, jelas bahwa skala spasial ini ditentukan oleh panjangnya perturbasi kerapatan partikel bermuatan karena gerakan termal mereka selama waktu yang sama dengan periode osilasi plasma dapat bergeser. Dengan demikian, skala spasial sama dengan

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}

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

dimana

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

$\ upsilon_ {Te} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {m}}$ . Dari mana formula luar biasa ini berasal, Anda bertanya. Kami akan beralasan seperti ini. Elektron dalam plasma pada suhu kesetimbangan termostat terus bergerak dengan energi kinetik

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

$E_k = \ frac {m \ upsilon ^ 2} {2}$ . Di sisi lain, hukum distribusi energi yang seragam diketahui dari termodinamika statistik, dan rata-rata setiap partikel memiliki

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

$E = \ frac {1} {2} kT_e$ . Jika kita membandingkan kedua energi ini, kita mendapatkan formula kecepatan yang disajikan di atas.

Jadi, kami mendapat panjang, yang dalam fisika disebut radius atau panjang Debye elektronik .

Sekarang saya akan menunjukkan turunan yang lebih ketat dari persamaan Debye. Sekali lagi, bayangkan N elektron yang dipindahkan oleh jumlah tertentu di bawah pengaruh medan listrik. Dalam hal ini, lapisan muatan ruang dengan kepadatan sama dengan

j u m l a h e_{j} n_{j}

$\ jumlah e_j n_j$ dimana

e_{j}

$e_j$ Apakah muatan elektron,

n_{j}

$n_j$ Merupakan konsentrasi elektron. Dari elektrostatik, rumus Poisson terkenal

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} j u m l a h e_{j} n_{j}

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

Di sini

e p s i l o n

$\ epsilon$ - konstanta dielektrik medium. Di sisi lain, elektron bergerak karena gerakan termal dan elektron didistribusikan sesuai dengan distribusi Boltzmann

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

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

Kami mengganti persamaan Boltzmann dalam persamaan Poisson, kami dapatkan

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

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

Ini adalah persamaan Poisson-Boltzmann. Kami memperluas eksponen dalam persamaan ini dalam seri Taylor dan membuang kuantitas orde kedua dan lebih tinggi.

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}

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

Ganti ekspansi ini ke dalam persamaan Poisson-Boltzmann dan dapatkan

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

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

Ini adalah persamaan Debye. Nama yang lebih akurat adalah persamaan Debye-Hückel. Seperti yang kami temukan di atas, dalam plasma, seperti dalam medium kuasi-netral, suku kedua dalam persamaan ini sama dengan nol. Pada istilah pertama, kita pada dasarnya memiliki panjang Debye .

Di medium antarbintang, panjang Debye sekitar 10 meter, di medium intergalaksi sekitar

10^{5}

$10 ^ 5$ meter. Kami melihat bahwa ini adalah jumlah yang cukup besar, dibandingkan, misalnya, dengan dielektrik. Ini berarti bahwa medan listrik merambat tanpa pelemahan pada jarak-jarak ini, mendistribusikan muatan ke dalam lapisan bermuatan besar, partikel-partikel yang berosilasi di sekitar posisi kesetimbangan dengan frekuensi sama dengan Langmuir.

Dari artikel ini kami belajar dua kuantitas mendasar yang menentukan apakah media ruang adalah plasma, meskipun fakta bahwa kepadatan media ini sangat kecil dan ruang secara keseluruhan adalah kekosongan fisik pada skala makroskopik. Pada skala lokal, kami memiliki gas, debu, atau plasma

Apakah ada plasma di ruang angkasa?

More articles: