Рецепт приготовления плазмы в домашних условиях: опыт с виноградом

Как состояние вещества плазма была открыта в 1879 году английским ученым Уильямом Круксом, которого считают отцом газоразрядных ламп. Но привычный для науки термин появился многим позже — в 1928 году: с легкой руки американского химика Ирвинга Ленгмюра, исследовавшего свойства электрических разрядов в газах.

Плазма пополнила список агрегатных состояний веществ — после жидкого, твердого и газообразного. Несмотря на близость к газообразному состоянию, плазма сильно отличается по физическим свойствам. Газ — диэлектрик, а плазма отлично проводит ток. На атомарном уровне плазма — это «бульон» электронов и положительных ионов, которые образуются в результате отрыва электрона или электронов от атомов и молекул.

Ионы, как правило, результат небольшого «атомарного побоища». Чтобы образовалась плазма, газ нужно сильно нагреть — тогда атомы начнут сталкиваться и выбивать электроны друг у друга. Либо приложить к нему большой электрический потенциал, организовать так называемый электрический пробой. Этот вариант хорошо иллюстрируют майские грозы с молниями: электрические разряды в небе приводят к образованию плазмы.

Плотность газа играет большую роль в формировании плазмы. Чем он плотнее, тем сложнее сделать плазму. В этом плане разреженный газ с минимальным количеством частиц, в том числе вакуум (в классической физике), — хорошая почва для генерации плазмы. Такой вакуум есть и в газоразрядных лампах, которые можно считать самым бытовым применением плазмы, и в космосе, где плазма — один из основных видов материи.

Но как плазма получилась в микроволновке? Последняя не нагревает до нужных температур, не устраивает электрические пробои (к счастью) и существует в обычном воздушном пространстве — никакого вакуума. Что это за магия винограда?

«По всем правилам, в микроволновке не должна была образоваться плазма. Там сильное микроволновое поле, но все еще недостаточное, чтобы спровоцировать появление плазмы. Ягоды винограда действительно определяют исход эксперимента. В месте контакта ягод, которые, по сути, представляют собой сферы и выступают в качестве линз, происходят концентрированный нагрев и ионизация небольшого кусочка воздуха», — отмечает Михаил Захаров.

В изначальном варианте эксперимента, уходящего корнями в 90-е, виноградину разрезали пополам, оставляя между половинками небольшой мостик из кожицы. Исследование группы ученых во главе с Аароном Слепковым доказывает, что на ход эксперимента эта перемычка никак не влияет. Более того, сам фрукт тоже не обладает особыми «сверхпроводящими» свойствами. Дело во многом в его форме и наполнении. Виноградинка представляет собой сферический предмет с жидкостью внутри — именно это определяет успех.

Ученые провели ряд экспериментов с другими сферическими предметами — перепелиными яйцами и гидрогелевыми шариками. В ход пошли инфракрасная термография, термобумага и моделирование — исследователи выясняли, при каких условиях появляется горячая точка (hot spot) в месте контакта объектов. И когда ее интенсивности достаточно для ионизации частиц натрия и калия, содержащихся в кожице винограда, и «возгорания» плазмы.

«Плазма бывает низкотемпературная и высокотемпературная. К первой относится плазма до 10 000 градусов Кельвина, а ко второй — плазма свыше этой отметки. Цифры кажутся высокими, но температура в плазме — не совсем то, что мы привыкли видеть на термометрах. Она служит мерой средней энергии электронов или других частиц в составе плазмы. Поэтому эксперимент с виноградом не спалит вашу микроволновку, но повторять его точно стоит контролируемо, думая о мерах предосторожности, — будьте готовы остановиться в любой момент и обесточить устройство. И помните, что продолжительный эксперимент может испортить слюдяную панель или стеклянную тарелку в СВЧ», — предупреждает Михаил.

Как многие другие исследования в области фундаментальной физики, открытие Аарона Слепкова и его коллег пока не найдет применения в реальной жизни. Но может вдохновить других ученых на новые исследования в области физики плазмы.

«Космическая материя» нашла широкое применение в быту и промышленности. Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных лампах, в том числе неоновых. Увидите горящую неоновую надпись Coffee to go — вспомните этот текст. Еще недавно были популярны плазменные телевизоры: каждый пиксель матрицы такого устройства представляет собой конденсатор с электродами, состоящий из трех лампочек с ионизированным газом. В промышленности распространены плазматроны, создающие струи низкотемпературной плазмы. С их помощью режут и сваривают металлы, наносят различные укрепляющие покрытия на объекты — например, алмазоподобные.

Высокотемпературная же плазма — основной предмет исследований в рамках управляемых термоядерных реакций (УТР). Для термоядерных реакторов в качестве топлива используют газообразные дейтерий и тритий, они как раз и трансформируются в плазму. Укрощение плазмы — ее нагрев до высоких температур и запуск контролируемой термоядерной реакции — в будущем позволит получать более чистое и дешевое электричество. А термоядерные реакторы помогут перевернуть страницу атомной энергетики в мире. Подробнее о том, как плазма участвует в термоядерных реакторах и какие они бывают, можно почитать здесь.

Сейчас, однако, у физиков, которые занимаются УТР, довольно много нерешенных вопросов. Как разогреть плазму до необходимых температур? Как обеспечить необходимую плотность плазмы и удержать ее в пределах реактора? Из какого материала сделать реактор, чтобы он не вмешивался в процесс термоядерного синтеза?

Приручить энергию звезд не так просто. И мысль, что небольшую частичку этой мощи можно наблюдать в микроволновке, определенно, будоражит ум. Такая сферическая виноградинка на торте удивительной физической вселенной.