Плазма как состояние вещества

Известно, что по мере нагревания твёрдое вещество сначала превращается в жидкость в процессе плавления, а затем жидкость испаряется, превращаясь в газ. Менее известно, что будет происходить с газом при дальнейшем нагревании. Ясно, что с увеличением энергии хаотического движения молекул газа их столкновения друг с другом будут вызывать всё более разрушительные последствия для самих молекул. Сначала молекулы диссоциируют на составляющие их атомы, а затем и сами атомы ионизуются, т. е. разбиваются на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы. Таким образом, при нагревании любого вещества оно в конце концов превращается в ионизованный газ.

От обычного газа электрически нейтральных атомов и молекул он отличается необычными свойствами, в связи с чем английский химик Уильям Крукс (William Crookes) назвал предмет своих исследований четвёртым состоянием вещества. Сэр Крукс экспериментировал с так называемыми катодными лучами, которые получал, пропуская электрический ток через стеклянные трубки с частично откачанным воздухом.

После открытия электрона сэром Дж.Дж.Томсоном (Joseph John Thomson, 1897) стало понятно, что катодные лучи представляют собой поток ускоренных электронов в слабоионизованном газе. Сэр Крукс отчасти был мистиком. Он считается основателем спиритизма, так что сейчас лучше не углубляться в мотивы, которые побудили его выдвинуть гипотезу четвёртого состояния вещества. История сохранила точную дату — 22 августа 1879 г., когда в лекции «Излучающее вещество» сэр Крукс назвал катодные лучи четвёртым состоянием вещества. Термин плазма применительно к ионизованному газу был введён американским физиком Ирвингом Ленгмюром (Irving Langmuir) почти на полвека позже.

В отличие от фазовых переходов первого рода, таких как плавление и испарение, ионизация газа не сопровождается пространственным разделением фаз. Степень ионизации ni/n0, характеризуемая отношением плотности ионов ni к начальной плотности нейтральных атомов n0, увеличивается во всём объёме газа плавно по мере увеличения температуры. В пламени свечи имеется небольшое количество свободных электронов и ионов, но его едва ли можно считать настоящей плазмой, так же, как и атмосферный воздух, где всегда имеется некоторое количество ионов и свободных электронов за счёт ионизации космическими лучами.

Строгое определение состояния вещества, которое можно назвать плазмой, должно включать количественный критерий, когда ионизованный газ приобретает специфические свойства плазмы. Чтобы найти этот критерий, нужно прежде всего понять, чем новое состояние вещества отличается от обычного газа. Главная особенность коллектива заряженных частиц, составляющих плазму, состоит в появлении нового типа взаимодействия частиц этого коллектива — через дальнодействующие электрические и магнитные поля. Именно благодаря дальнему действию электрических и магнитных сил газ заряженных частиц приобретает новые свойства, образуя нечто целое с электромагнитным полем. Это коллективное (говорят также — самосогласованное) поле, с одной стороны, создаётся заряженными частицами плазмы, а с другой — существенным образом влияет на их движение.