В идеальной плазме >1 и, следовательно, согласно (4.8) г]>>1, т. е. в сфере взаимодействия содержится много заряженных частиц. В сильно неидеальной плазме кинетическая энергия частицы становится порядка средней потенциальной энергии взаимодействия частиц, £ % 1, при этом из (4.8) следует, что г)<С1, т. е. характер экранирования зарядов становится существенно отличным от дебаевского. Однако первые отступления от идеальной плазмы появляются при г % I. Возможно, что неидеальная плазма может образовать особую фазу, отличную от обычных газов.[ ...]
В случае шаровой молнии мы имеем дело с относительно низкой температурой и высокой плотностью заряженных частиц, т. е. с неидеальной плазмой. Действительно, при температуре 600 К (Т = 1,38 -10 16 • 600 = =0,828 10 21 Дж) имеем ¿ = 2,78 10 в см и £=1 при я 0,5 1017 см 3, в то время как ц — 1 уже при пс 2,ЗХ XI О13 см-3.[ ...]
Таким образом, если плотность заряженных частиц шаровой молнии превышает 1017 см 3, то мы заведомо имеем дело с сильно неидеальной, или плотной, плазмой. При этом возможно появление фазовой границы с заметным поверхностным натяжением.[ ...]
С точки зрения кластерной гипотезы шаровая молния состоит из положительных и отрицательных кластерных ионов. В отличие от электронно-ионной плазмы такая плазма вообще не может существовать при повышенной температуре (выше 1000 К), так как при такой температуре остаются только очень устойчивые кластерные структуры, оболочки которых состоят из небольшого числа молекул воды. Оболочки с очень сложной и развитой структурой могут существовать только при низкой температуре и высокой плотности, и это может быть причиной того, что это вещество не удается получить в обычном газовом разряде.[ ...]
К сожалению, расчеты неидеальной плазмы очень сложны и весьма мало разработаны, особенно когда речь идет о столь сложных системах, как кластерные ионы. Одна из наиболее серьезных проблем состоит в необходимости указать причину, препятствующую схло-пыванию системы до прямого контакта между оболочками кластеров в условиях, когда кинетическая энергия частиц становится меньше потенциальной. Для элект-роно-ионной плазмы эта причина может быть обусловлена квантовомеханическими эффектами отталкивания между электронами, связанными с принципом Паули. В случае кластерной плазмы причина может заключаться в значительной внутренней энергии, накопленной в оболочках кластеров, или в чем-то еще. Во всяком случае плотность вещества шаровой молнии, как мы знаем, сравнима с плотностью газа, но не конденсированных сред.[ ...]
Подсчитаем энергию, заключенную в такой системе. При рекомбинации ионов Н+ и ОН“ выделяется 11,8 эВ (потенциал ионизации водорода равен 13,5 эВ, а энергия связи электрона с гидроксильной группой 1,7 эВ). Соединение атомов Н и ОН с образованием молекул воды дает еще 5 эВ. Таким образом, энергия, выделившаяся в конечном итоге после рекомбинации пары ионов, составляет около 17 эВ. Но на разложение иона Н30+ на протон и молекулу воды уходит 7,2 эВ. Следовательно, при рекомбинации Н30+ и ОН" с превращением продуктов рекомбинации в молекулу воды должно выделяться около 9,6 эВ. В результате при рекомбинации 3 • 1018 пар ионов НзО+ и ОН“, заключенных в 1 см3, выделяется энергия 4,6 Дж.[ ...]
Пользуясь данными табл. 4.1, легко подсчитать, что на разложение гидратных оболочек ионов уходит энергия (табл. 4.3).[ ...]
На разложение гидратных оболочек с учетом их энергии связи (табл. 4.3) и числа ионов с соответствующей оболочкой (табл. 4.2) затрачивается около 4,3 Дж/см3 Кроме того, необходимо учесть, что при разрушении гидратных оболочек выделяются молекулы воды. По табл.[ ...]
Разумеется, данный расчет приведен лишь для того, чтобы показать, что в кластерной плазме можно при желании получить плотность вещества и количество запасенной энергии, по порядку совпадающие с ожидаемыми для шаровой молнии. На что-либо большее этот расчет не претендует. В частности, не утверждается, что, как это получилось в данном расчете, основная часть энергии шаровой молнии связана с конденсацией паров воды, которая образуется при распаде ее вещества. В действительности энергетические соотношения могут быть совершенно иными, что зависит от рода ионов и соотношения между числом ионов и количеством свободных молекул воды в кластерном веществе. Однако при современном уровне знаний едва ли стоит уточнять эти оценки.[ ...]
Остановимся еще на ионах с малыми кластерными оболочками. При низких температурах такие ионы составляют ничтожно малую примесь, плотность которой можно приближенно оценить из законов химического равновесия для идеальных газов. Легко показать, что их концентрация обратно пропорциональна произведению констант химического равновесия реакций гидратации, и в конечном счете ехр(—Е8/Т), где Е3 может составлять около 3 эВ для п = 2. Поэтому следует ожидать, что число таких ионов экспоненциально мало при низких температурах, но быстро растет с температурой. Действительно, расчеты [24] дают следующие значения концентраций ионов с малыми кластерными оболочками при атмосферном давлении и температуре 600 К (число свободных молекул воды равно числу ионов) (табл. 4.4).[ ...]
Вернуться к оглавлению