ANALOGII INTRE CELE DOUA TIPURI DE PLASMA DIN PUNCT DE VEDERE AL ORGANIZARII ENERGETICE

Analogii intre cele doua tipuri de plasma din punct de vedere al organizarii energetice

Ambele tipuri de plasma prezinta o analogie din punctul de vedere al organizarii energiei in vederea obtinerii unei noi faze.

Vom ilustra cateva exemple semnificative pentru ambele plasme .

Aceasta idee a organizarii materiei in vederea obtinerii unei noi stari continua demersul de analogie intre cele doua plasme. Sunt deosebit de utile ca si "instrumente de studiu" plasmele, deoarece ele acopera ordine de marime in domeniul energiei mai mare decat toate celelalte stari la un loc. De asemeni si in scara lungimilor ele se intind de la cativa nanometrii (chiar Fermi in cazul QGP!) pana la kiloparseci.

Multe procese care au loc in starea de gaz (izolator) exemplifica organizarea energetica a sistemului in tranzitia la gaz ionizat si mai departe la plasma, care vazuta macroscopic este un fluid conductor.

Foarte interesant este procesul de autoionizare. Atomul, datorita unor ciocniri succesive cu fotoni, electroni, etc, poate avea excitati doi electroni cu energii , sa zicem, si , astfel ca , unde reprezinta energia de ionizare. Ei bine, in acest caz el poate sa emita o cuanta anormala (ceea ce se observa in spectrele plasmei de arc ale Ca, Be, Cu) , ori sa se autoionizeze eliberand un electron de energie cinetica :

In acest din urma caz putem considera ca fenomenul reprezinta o absortie de catre atom a energiei sale de excitare, care altfel ar fi fost eliberata sub forma unei cuante. De fapt, asistam la o reasezare energetica in "interiorul" atomului.

Fenomene interesante se gasesc si sub mecanismul urmator de ciocnire : energia interna a particulei tinta se transforma in energie cinetica si interna a particulei proiectil. Mentionam trei exemple in aceasta directie:

a)     Dezexcitarea atomului metastabil la ciocnirea cu electronul a carui energie astfel creste.

b)    Ciocnirea atomului metastabil cu alti atomi care pot si astfel excitati sau ionizati.

c)     Disocierea prin ciocniri de genul:

Aceasta reactie poate avea loc deoarece pentru =4,9eV si eV, pe cand energia de disociere a este de 4,4eV.

Un alt process interesant in directia celor de mai sus este efectul Auger.

In cazul argonului tranzitia unui electron de pe patura L pe patura K este insotita de emisia unei cuante de energie eV. In cazul in care aceasta energie este absorbita chiar de atomul care in care are loc tranzitia L→ K, atunci exista sansa ca din acest atom sa fie eliberati unul sau mai multi electroni. Vorbim despre aceeasi reasezare energetica, analoaga ca in cazul autoionizarii.

Plasmele pamantene, produse de om sunt generate electric, de obicei slab ionizate si numite plasme ale descarcarilor electrice. O descarcare simpla consta dintr-un dispozitiv experimental in care o sursa de tensiune conduce curentul printr-un gaz de joasa presiune intre cele doua placi plan-paralelel conductoare (electrozi). Gazul "se strapunge" pentru a forma o plasma, de obicei, slab ionizata, cu alte cuvinte, densitatea plasmei reprezinta doar o mica fractiune din densitatea gazului neutru. Dar indiferent de forma campului electric multe efecte in gaze sunt identice si sunt legate de:

-strapungere;

-mentinerea starii de ionizare;

-disiparea energiei campului.

Starea de ionizare produsa in gaz de strapungere se petrece intr-un timp care variaza intre -cateva secunde , desi , de regula, intervalul este de secunde.

Atunci cand campul extern este aplicat un timp suficient de lung, strapungerea poate declansa o descarcare, sustinuta atata timp cat campul este prezent. Elementul primar al procesului de strapungere, adesea foarte complicat, este avalansa electronica, ce se dezvolta in gaz cand se aplica un camp inalt. O avalansa incepe cu un numar mic de electroni care apar accidental, spre exemplu, datorita radiatiei cosmice. Electronii castiga energie in campul electric. Dobandind energie peste potentialul de ionizare, electronul ionizeaza o molecula, pierzandu-si astfel energia. Rezultatul este producerea a doi electroni lenti, care vor fi accelerati in camp, ionizeaza molecule si procesul se repeta altfel prin multiplicare.

Strapungerea gazului este, in mod esential, un proces de prag. Aceasta inseamna ca strapungerea se produce numai cand campul depaseste o valoare care caracterizeaza un set de conditii.

Pragul este consecinta puternicei dependente a ratei ionizarii atomice prin ciocniri electronice , de intensitatea campului electric si de faptul ca ionizarea, producand multiplicarea electronica este insotita de mecanisme care genereaza obstacole in dezvoltarea avalansei.

Pragul strapungerii este determinat de relatia dintre productia si pierderea de electroni. Sa luam un exemplu, si anume strapungerea in campuri electrice uniforme si constante. Conditia de strapungere (tranzitia de la un mediu izolator la un mediu conductor):

sau

unde α reprezinta primul coeficient Townsend (α- numar de ionizari produse de un electron pe unitatea de lungime), iar este al doilea coeficient Townsend (randamentul emisiei electronice din catod la bombardamentul cu particule grele si fotoni).

Se foloseste un asa numit potential de ignitie (un termen echivalent al tensiunii de strapungere ,. Aceasta marime, ca si valoarea campului electric de strapungere , depinde de natura gazului, materialul catodului, presiune si distanta inter-electronica d. Conditiile explicite sunt , ,

unde C=. Potentialul de ignitie depinde numai de produsul pd.

Constantele A si B sunt determinate experimental.

Urmand idea de autoorganizarea a materiei in vederea tranzitiei catre o alta faza putem enumera cateva schimbari calitative si in plasma de quarci si gluoni:

-producerea de perechi de fotoni si leptoni;

-tranzitie la plasma hadronica (intre plasma de quarci si gluoni si plasma hadronica exista asa numita materie de rezonanta si poate exista si plasma de diquarci si digluoni ) ;

-numarul gradelor de libertate accesibile particulelor "colorate" este mult mai mare decat cel disponibil particulelor din materia hadronica; (pentru plasma de quarci si gluoni exista doua elicitati si opt culori pentru fiecare gluon, iar pentru fiecare quarc exista 3 culori, 2 spini si o pereche quark-antiquark. Numarul de grade de libertate este deci N , unde reprezinta numarul aromelor importante ale quarcilor , care este de aproximativ 3 daca temperatura se afla sub temperatura quarcului "charm"; deci N. Exista o schimbare de aproape un ordin de magnitudine in numarul de grade de libertare dintre un gaz de hadroni si plasma de quarci si gluoni, deaoarece aceasta din urma contine si "culoare".)

- producerea de stranietate;

- faza a vidului care devine mediu conductor pentru sarcinile de culoare. In mod asemanator, cum exista "strapungerea" gazelor care devin medii conductoare, putem vorbi de "strapungere" a vidului, care devine conductor pentru un "curent de culoare";

-La saltul peste temperatura critica se modifica functia de corelatie;