Покоренная плазма

Глава II Четыре состояния вещества

Я сижу у окна и смотрю, как пушистые, почти невесомые снежинки падают на широкий карниз, который тянется вдоль окон четвертого этажа нашего дома. Снежинок много, они как белые мухи летают за окном и, утомившись, садятся на первые попавшиеся предметы — на перекладины пожарной лестницы, на выступы кирпичной стены, на изгибы сточной трубы. Но больше всего их на карнизе; на нем снежинки еще с утра начали вязать белопуховый шарф — и теперь этот шарф накинут на плечи всему дому и будет украшать его до весны.

Я открываю форточку, и несколько снежинок опускаются на мой стол. Мне не удается даже как следует рассмотреть эти изящные, изумительно правильные снежные звездочки. Едва приземлившись, они на моих глазах превращаются в капельки воды.

Мысленно пытаюсь я проследить жизнь этих недолговечных созданий природы. С чего она начинается? Решить это так же трудно, как трудно в кольце найти начало и конец.

В воздухе, которым мы дышим и который бьет нам в лицо, когда мы мчимся на лыжах с крутой горы, носятся многие миллиарды миллиардов молекул воды. Молекулы эти по устройству нехитры: в каждой из них объединились в одну семью два атома водорода и один атом кислорода.

Благодаря солнечному теплу вода даже зимой испаряется, превращаясь в молекулы-одиночки, в газ.

Влажный и теплый воздух поднимается от земли вверх, при своем движении он расширяется и теряет тепло. На высоте пять — семь километров молекулы воды, бывшие ранее одиночками, вновь соединяются в большие группы, снова образуют мельчайшие капельки воды. Если вверху очень холодно, то вместо капелек могут возникнуть крохотные кристаллики льда.

Вы не задумывались над тем, из чего состоят причудливые нагромождения облаков? Из таких вот мельчайших капелек воды или кристалликов льда.

Но вот в воздухе повеяло холодом. Капельки воды замерзают и начинают быстро расти. К ним примыкают другие, еще не замерзшие капельки воды, довольно быстро превращая еле видимый кристаллик в снежинку причудливой формы.

Миллиарды соединившихся воедино молекул образовали мельчайшую капельку воды, миллионы таких капелек создали снежинку, которая упала ко мне на стол и растаяла. Через несколько минут на столе не останется и следа от этой капли. Молекулы воды начнут новое путешествие по кругу.

Я сознательно рассказал так подробно о снежинках. Их рождение, жизнь и гибель тесно связаны с превращениями вещества, в данном случае воды, с переходом ее из одного состояния в другое.

Кристаллы, из которых построена снежинка, — это твердое состояние воды, капелька на моем столе — жидкое ее состояние, и, наконец, в третьем, газообразном состоянии, вода оказалась после того, как капелька испарилась, исчезла со стола.

Не все вещества так легко переходят из одного состояния в другое.

Возьмем, например, азот — газ, который составляет четыре пятых воздуха. Как его ни замораживай, он ни за что не хочет сжижаться. И лишь при температуре двести десять градусов ниже нуля он становится жидкостью. Такого холода не бывает даже и в Антарктиде. Но ученые научились добывать «искусственный» холод и с его помощью заставлять азот превращаться в жидкость.

И вот в дьюарах — специальных сосудах с двойными стенками — жидкий азот путешествует с завода, где его получили, к различным потребителям. Нужен он и в лабораториях, где занимаются изучением плазмы. Например, для вымораживания паров ртути из разрядных трубок, куда эти пары попадают при работе ртутных насосов.

Твердые тела тоже неохотно расстаются со своим состоянием. Если кусок олова превращается в жидкость при температуре 232 градуса выше нуля, то медь начинает плавиться только при 1073 градусах.

Люди давно научились превращать вещества из одного состояния в другое. Научились и умело этим пользуются. Вспомните, как оловом паяют различные детали. Зачистят место стыка, покроют расплавленным металлом, и тот, затвердев, прочно соединяет детали.

Каждому из нас приходилось видеть, как продавщицы мороженого достают из бело-голубых ящиков любимое лакомство, завернутое в бумагу. Несмотря на жару, мороженое не собирается «раскисать», переходить из твердого состояния в жидкое. Почему? Загляните в ящик, и вы увидите куски дымящегося сухого льда, которым переложены пачки мороженого. Это углекислота — бесцветный газ, который при «морозе» 78,9 градуса превращается в лед. Испаряясь, он забирает от мороженого тепло, не дает его температуре повыситься.

Это пример того, как твердое вещество может превращаться в газ, минуя жидкое состояние.

Что же изменяется при переходе веществ из одного состояния в другое? Состав вещества? Нет. Он остается прежним. Молекулы льда, пара и обыкновенной воды одинаковы. Газообразная двуокись углерода и сухой лед имеют одинаковый химический состав. В чем же дело?

Ответ на этот вопрос можно найти, если разгадать, как молекулы вещества взаимодействуют друг с другом.

Вот перед нами книга, стакан, ножницы — целый набор твердых предметов. Почему молекулы, из которых они состоят, не рассеиваются в воздухе, а сами предметы не рассыпаются, как домики, сделанные детьми из песка? Задумывались ли вы над этим вопросом? А вот и ответ на него, который дает физика: молекулы твердых тел прочно «держатся» друг за друга, между ними существуют так называемые силы сцепления, зависящие от строения и свойств атомов. И хотя для ученых в этом вопросе остается еще мною невыясненного, бесспорно одно: силы сцепления есть, причем у твердых тел они велики, и именно им обязаны твердые тела своей прочностью, способностью сохранять форму.

У большинства твердых тел молекулы располагаются в определенном порядке. Этот порядок назван кристаллической решеткой вещества. Но это не значит, что молекулы и атомы, из которых построено твердое тело, неподвижны. Нет, они все время колеблются, только размах этих колебаний невелик.

В жидкостях — воде, спирте, бензине, растительном масле — «дисциплины» меньше. В них молекулы тоже довольно крепко «держатся» друг за друга, но ведут себя иначе: если в твердом теле их можно сравнить со стройными шеренгами спортсменов на параде, то в жидкости они похожи на неорганизованную толпу. Здесь они беспрестанно движутся, снуют туда-сюда, хотя каждая из них, находясь в непосредственной близости от соседних двух-трех молекул, постоянно испытывает их притяжение. Стоит открыть кран, и жидкость потечет из сосуда: силы притяжения между молекулами не смогут преодолеть сил тяжести.

Близость молекул друг к другу в твердых телах и жидкостях облегчает переход электронов от одного атома к другому, соседнему. Если это происходит легко, то тело ведет себя как проводник тока, и наоборот, если электроны с трудом отрываются от атомов, то тело является изолятором.

Среди твердых и жидких тел, которые, как мы выяснили, имеют «тесное» расположение молекул, много металлов, являющихся хорошими проводниками электричества. В металлах много свободных электронов, которые с приложением сил электрического поля начинают двигаться «гурьбой», образуют ток.

У жидкости и твердых тел есть один общий признак: если их сжимать или нагревать, плотность их меняется мало. Почему? Все потому, что молекулы у этих тел расположены сравнительно близко друг от друга и силы, которые держат их вместе, достаточно велики, поэтому изменить расстояние между молекулами намного не удается. Нагревая твердое тело, можно заставить молекулы совершать большие колебания и даже превратить это тело в жидкость, но объем при этом все равно изменится мало.

Совсем другое дело — газы. Если откачать из стеклянного баллона 99,99 процента всего газа, то оставшиеся молекулы равномерно распределятся в предоставленном объеме. Плотность газа может уменьшаться неограниченно. Проверить это может каждый. Откройте флакон одеколона или духов и отойдите в противоположный угол комнаты. Вскоре вы почувствуете запах духов: испарившись, они заполнили всю комнату. Но в то же время трудно будет заметить, что уровень жидкости во флаконе изменился.

В чем причина такого поведения газов?

По-прежнему в силах сцепления между молекулами. У газов эти силы тоже есть, но они очень малы, потому что молекулы газа расположены друг от друга значительно дальше, чем в жидкостях и твердых телах.

В воздухе, например, молекулы так далеки друг от друга, что между двумя соседними молекулами можно поместить их еще десяток. Поэтому-то они так легко «разбегаются» в разные стороны.

Нужно обратить внимание еще на одно свойство тел в третьем, газообразном состоянии: все они при обычных температурах не проводят электричества; иными словами, газы — хорошие изоляторы.

Понять это тоже нетрудно. Молекулы газа находятся далеко друг от друга, и электронам, этим мельчайшим носителям электричества, трудно оторваться от своих атомов.

«А металлы, — могут спросить меня, — не перестанут быть проводниками, если их испарить?»

Оказывается, перестанут. Превратившись в газ, они «отказываются» пропускать через себя электрический ток. Такое поведение объясняется увеличением расстояния между атомами, благодаря чему заряды не могут передаваться от одного атома к другому.

Вот мы и познакомились с тремя состояниями вещества, уяснили основные черты их характеров.

Теперь настало время начать разговор о главном действующем лице нашей книги — о плазме.

Люди давно научились делать сами многое из того, что есть в природе в готовом виде.

Потребовалось заложить фундамент для нового дома — делают бетон. Для этого нужны цемент, песок, щебень и вода. Искусственный камень — бетон вполне заменяет природный, например, гранит.

Раньше люди одежду делали из волокон растений или шерсти животных. В наше время на химических заводах вырабатываются тонны искусственного волокна, шерсти и кожи. По качеству они нередко бывают даже лучше естественных.

Или возьмем электричество. В природной «кухне» его немало. Но человек не собирает его из атмосферы, не ждет, когда начнется гроза, а получает его миллиардами киловатт-часов на тысячах электростанций. И здесь разум людей сумел превзойти природу. Есть в природе и плазма — вещество в четвертом состоянии. Но стоит ли гоняться за природной плазмой — тем более, это дело нелегкое, — если можно получить плазму искусственную? Не стоит.

Все знают, что для того, чтобы изготовить что-нибудь, нужны, кроме умения, еще материал и инструмент.

Посмотрите на рисунок. На нем изображено все необходимое для получения плазмы (стр. 21).

Предположим, мы решили получить плазму в «закупоренном» виде. Для этого из стекла делается разрядная трубка — баллончик, чаще всего цилиндрической формы. В противоположных концах трубки смонтированы электроды — кружочки, которые делаются из листа меди, никеля или вольфрама. Две вольфрамовые проволочки, на которых висят электроды, выходят через стекло наружу.

Любая разрядная трубка имеет специальный стеклянный выступ. Через него механические легкие насоса могут быстро откачать воздух.

Чтобы лед превратить в воду, нужно затратить тепло, энергию. Плазма тоже не получается сама собой; для ее получения нужна энергия, высокое напряжение. Для того чтобы получить высокое напряжение, в сеть включается высоковольтный выпрямитель. Он вырабатывает постоянное напряжение в несколько тысяч вольт.

Когда медные провода соединят «плюс» и «минус» источника с электродами трубки, можно считать, что для начала работы все готово.

А материала для плазмы кругом сколько угодно. Мы купаемся в этом материале.

Плазма получается из газа, значит, обыкновенный воздух тоже может быть «сырьем» для нее.

В стеклянной трубке, в которой должна образоваться плазма, воздух есть тоже. Поэтому не будем тратить время в поисках другого материала и включим нашу установку.

Но что это? Включение высоковольтного источника напряжения ничего не дало. Вольтметр показывает максимум напряжения, которое может дать источник, а тока через разрядную трубку нет. Стрелка амперметра почти не сдвинулась с нуля.

Пока я не буду объяснять причину такого нежелания воздуха превращаться в плазму, а предложу включить насос и начать откачивать воздух из трубки. Его становится все меньше и меньше.

И вдруг трубка вспыхнула белесовато-голубым светом. Стрелка амперметра прыгнула вправо, значит, через трубку пошел ток. Свечение воздуха в трубке стало совсем ярким. Пора остановить насос. Мы достигли цели: остатки воздуха в разрядной трубке превратились в плазму.

Как это произошло? Почему в трубке вспыхнул электрический разряд, стоило из нее откачать побольше воздуха?

Чтобы ответить на эти вопросы, заглянем в пространство между электродами и посмотрим, что происходит в мире микроскопических частиц газа с момента начала опыта.

Большинство молекул воздуха, имеющегося в трубке, — это азот. В каждой молекуле азота — два атома.

В таблице элементов Менделеева азот стоит на седьмом месте от начала, значит, каждый его атом имеет семь электронов и семь положительных зарядов в ядре.

Таким образом, во всей молекуле газообразного азота, состоящей, как я уже сказал, из двух атомов, имеется по четырнадцати зарядов того и другого знака.

Когда включен источник высокого напряжения, то между электродами разрядной трубки возникает электрическое поле. А мы знаем, как электрическое поле влияет на заряды. Оно заставляет их двигаться.

Приходилось вам видеть народную игру — перетягивание каната? Игроки выбирают ровную площадку, разбиваются на две равные группы, и каждая группа, ухватившись за канат, старается перетянуть противников на свою сторону. Побеждают более сильные и дружные.

С молекулой азота, попавшей в электрическое поле, происходит что-то похожее на эту игру. Все четырнадцать положительных зарядов стремятся влево, к отрицательно заряженному электроду, или катоду, а их «противники» — электроны тянут молекулу вправо, к аноду. Но силы тех и других равны, поэтому молекула оказывается «безразличной», нейтральной к электрическим силам.

Чтобы положить конец такому безразличию молекул газа к электрическому полю, нужно постороннее вмешательство. Его поначалу осуществляет сама природа.

Вспомните хотя бы о космических лучах — потоке частиц огромной энергии, приходящих из безбрежных глубин Вселенной. Мы не замечаем, не видим эти лучи, но они непрерывно врезаются в землю, в здания, в человеческие тела. Энергия их так велика, что даже глубоко под землей приборы фиксируют этих посланцев космоса.

Некоторые из космических частиц «прошивают» и разрядную трубку. При этом они производят «разрушения» — отрывают от попавшихся на пути молекул газа один или несколько электронов. Этот процесс называется ионизацией.

Как воздействует электрическое поле на свободные электроны, мы уже знаем; оно «подхватывает» их и гонит к аноду. Молекула же азота, лишившаяся электрона, оказывается положительно заряженной, и она устремляется в другую сторону — к катоду.

Но космические частицы — плохие «поставщики» зарядов, они ионизируют малое число молекул в трубке. Поэтому заметного тока заряды, рожденные ударами космических частиц, создать не могут.

Но эти заряды не бесполезны. Особенно электроны, оторванные от молекул газа.

Когда в разрядной трубке много молекул газа, эти свободные электроны не могут сильно разогнаться: они натыкаются на электронейтральные молекулы.

Представьте себе городскую площадь с большим числом снующих туда-сюда людей. Люди не прижаты друг к другу, но их много. Вы захотели перебежать площадь. Только разбежались, наткнулись на одного, потом на другого, на третьего человека. Большой скорости вам развить не удается.

Что-то похожее происходит и с электронами, созданными космическими частицами и притягивающимися к аноду. Они непрерывно сталкиваются с молекулами газа и замедляют свой бег.

Но вот пущен мотор откачивающего насоса. Меньше чем через минуту давление воздуха в трубке падает. Электронам, которые по-прежнему возникают в разрядном промежутке, становится значительно свободнее. Под влиянием электрических сил электроны теперь разгоняются до большой скорости. С молекулами газа теперь сталкиваются они реже, но зато их удары становятся «крепче».

И вот наступает момент, когда электрон, ударившись о молекулу, может сам оторвать, выбить из нее электрон. Эти два электрона — старый и новый — снова разгоняются и выбивают электроны из других встречных молекул. Возникает лавина электронов. Она напоминает снежную лавину в горах, когда брошенный с вершины ком увлекает вниз тысячи тонн снега.

В пространстве между катодом и анодом возникает много лавин электронов, движение зарядов (электронов — к аноду, положительных ионов — к катоду) принимает массовый характер. Газ из изолятора превращается в проводник тока. В трубке возникает плазма.

У плазмы есть один верный опознавательный признак, своя «визитная карточка», по которой ее легко распознать. Это — излучение световых лучей.

Почему плазма светится, я подробно расскажу дальше. Сейчас я только замечу, что это происходит в основном тоже от соударений.

Итак, плазма — это такое состояние газа, в котором изменено внутреннее строение атомов, имеется огромное количество электронов и ионов.

Одно время в науке существовало мнение, что плазма — это не особое состояние вещества, а одна из форм существования газа. Давайте для наглядности выпишем признаки газа и плазмы и сравним их.

Как видите, разница между обычным газом и плазмой велика. Если при этом учесть, что атомы плазмы имеют измененное внутреннее строение, в результате чего они превратились в положительные ионы, то право «гражданства» у плазмы как особого, четвертого состояния вещества становится бесспорным.

То, что плазма не обычный газ, а особое состояние вещества, хорошо подтверждается изучением не только структуры плазмы, но и ее поведения.

Я уже говорил о том, что плазма, в отличие от газа, небезразлична к магнитным силам.

Газ — непроводящая среда, и в него магнитное поле проникает свободно. Плазма — проводник тока, поэтому она является преградой для магнитных силовых линий. Почему?

Электромагнитная теория гласит, что магнитное поле способно производить давление на окружающую среду. Это давление пропорционально квадрату силы поля. Предположим, что с помощью мощного электромагнита мы создали магнитное поле. Оно давит на окружающую среду с определенной силой. Если увеличить ток через катушку электромагнита таким образом, чтобы магнитных силовых линий стало в два раза больше, то это новое поле будет давить не в два, а в четыре раза сильнее. На газ магнитное давление не действует, а на плазму оно влияет. Плазма, как и металлический экран, не хочет пускать в себя магнитные силовые линии.

Благодаря этому плазму можно сжимать магнитным полем, удерживать «стеной» из магнитных силовых линий и выталкивать магнитными силами, словно поршнем.

Специфичность плазмы как особого состояния вещества может быть проиллюстрирована еще одним очень важным фактом.

Зажжем разряд в той же самой трубке и таким же способом, как это делали мы выше, когда впервые знакомились с плазмой. Тогда в схеме были включены амперметр, который фиксировал ток через трубку, и вольтметр. Последний включали параллельно разрядной трубке, чтобы знать её напряжение при протекании тока (см. рисунок на стр. 21).

Когда известна величина тока и напряжения, то считают, что известно почти все.

Действительно, в обычной электрической цепи ток и напряжение зависят друг от друга.

Увеличишь в два раза напряжение, приложенное к электрической цепи, и ток во столько же раз увеличится. Уменьшишь — все получается наоборот.

Такие «взаимоотношения» между током и напряжением объясняются хорошо известным вам законом Ома.

Вот он: I = V/R,

где I — сила тока в амперах, V — напряжение в вольтах, R — сопротивление в омах.

Значит, чтобы численно определить силу тока, протекающего по электрической цепи, нужно напряжение на данном участке разделить на сопротивление этого участка.

Чтобы вам лучше понять, почему вдруг я заговорил о законе Ома, я расскажу один случай, который произошел в лаборатории Московского университета, где я работал.

Туда ко мне пришел школьник-восьмиклассник и с восхищением стал рассматривать разрядные трубки, светящиеся всевозможными цветами. В трубках была плазма.

Я рассказал школьнику, что такое плазма, объяснил назначение приборов, с помощью которых она исследуется, и показал различные виды разрядов.

Юный поклонник физики попросил меня продемонстрировать какой-нибудь опыт с плазмой. Я подвел его к лабораторному столу. Минут через десять для опыта все было готово: разрядную трубку укрепили на двух подставках посредине стола. От нее тянулся толстый резиновый шланг к откачивающему насосу, провода в хорошей изоляции шли от источника высокого напряжения к электродам трубки и к приборам.

— Что мы будем делать? — нетерпеливо спросил гость.

— Проверим закон Ома, — спокойно ответил я.

Школьник удивился. Действительно, какая нужда проверять то, что уже тысячи раз проверено и считается законом физики.

Я включил источник тока, питающего разрядную трубку. Потом дал поработать откачивающему насосу.

Когда внутри трубки вспыхнуло бледноватое свечение плазмы, я попросил школьника записать показания приборов — амперметра и вольтметра.

Потом я спросил его:

— Если увеличить ток через трубку, скажем, раза в полтора, что произойдет с напряжением? Что покажет вольтметр?

Школьник подумал, посмотрел на выписанную формулу закона Ома и уверенно ответил:

— Вольтметр покажет напряжение тоже в полтора раза больше. Этого требует закон Ома.

— Что же, посмотрим!

Я повернул ручку на панели источника питания. Трубка засветилась ярче. Стрелка амперметра отметила увеличение тока.

А вольтметр? Вопреки предсказанию, он стал показывать меньшее напряжение. Я еще больше увеличил ток через разрядную трубку, но вольтметр никак не хотел «исправляться» — он показал еще меньшее напряжение.

— Может, прибор неисправный? — спросил меня мальчик, который никак не хотел верить в это «чудо».

Мысленно я похвалил его: всегда, когда исследователь получает неожиданные результаты, он первым делом должен проверить измерительную схему и убедиться в правильности показаний приборов. Не говоря ни слова, я достал из стоящего рядом шкафа картонную коробку с болтающейся на нитке пломбой.

Вот новый прибор, заменим…

Опыт был повторен. Однако и новый прибор не оправдал надежд. Стрелка его упорно сигнализировала об уменьшении напряжения, тогда как закон Ома требовал, чтобы оно с увеличением тока росло.

Дело было в чем-то другом, и мой гость чувствовал это.

А «секрет» весь заключался в плазме, образовавшейся в трубке. Убедиться в этом было легко. Достаточно вместо разрядной трубки включить обыкновенное сопротивление, например реостат, и вольтметр добросовестно стал бы показывать увеличение напряжения с ростом тока. Значит, «карты путала» плазма. Она не хотела подчиняться закону Ома. Почему?

Вспомним, как возникает ток в газе.

Редкие одиночки электроны, подхваченные силами электрического поля, разгоняются и, наскакивая на молекулы газа, выбивают из них электроны. Те, в свою очередь, ионизируют другие молекулы. Возникает лавина электронов — ток резко увеличивается. В трубке возникает плазма.

Увеличив ток, мы заставили больше электронов в каждую секунду проходить через амперметр и другие звенья электрической цепи.

Что в этом случае произошло в трубке?

Возросшие электрические силы родили новые лавины электронов и создали новый «отряд» положительных ионов. Число зарядов — носителей электричества — в трубке резко возросло, в связи с чем сопротивление трубки току упало. А раз так, и напряжение, которое мы измеряли между электродами трубки, стало меньше.

Имей разрядная трубка постоянное число электрических зарядов, такого несоответствия между током и напряжением мы бы не наблюдали.

Поведение плазмы в разрядной трубке, которое сбило с толку знакомого мне восьмиклассника, конечно, не должно вызывать сомнения в правильности закона Ома. Закон этот универсален, он справедлив и для плазмы. Только пользоваться им нужно осторожно, иначе не избежать ошибки.

К плазме, хотя она и проводит ток, нельзя подходить с той же меркой, с какой мы подходим к обыкновенному металлическому проводнику. Ее поведение, свойства, характеристики зависят от режима электрического разряда, который определяется и давлением газа в трубке, и величиной приложенного напряжения, и тем, в каком газе осуществляется разряд. Физики скрупулезно взвешивают все эти факторы и могут рассчитать величину тока, напряжения и другие характеристики плазмы при разных режимах разряда.

Попутно нужно отметить, что в последние годы удалось сделать такие разрядные трубки, в которых устанавливается так называемый квазистационарный разряд, который протекает в полном соответствии с законом Ома. Жгут плазмы в этих трубках можно рассчитывать так же, как рассчитывается спираль обыкновенной электроплитки.

Я нарисовал грубую, схематичную картину того, что происходит в разрядной трубке при изменении силы тока. В действительности физические явления в ней значительно сложней. Но и того, что я рассказал, достаточно для объяснения странного поведения приборов во время нашего опыта.

Нежелание плазмы всегда подчиняться закону Ома — это еще одно свидетельство того, что плазма — особое состояние вещества. Законы возникновения плазмы, законы, которые объясняют ее поведение в различных условиях, очень сложны. Ученые разных стран потратили десятилетия на то, чтобы их расшифровать. Работа эта продолжается и сейчас. Современная теория строения микромира — мощное оружие в руках ученых. Именно она позволяет «раскусить твердый орешек», каким является плазма, объяснить многоликость ее существования.

Но прежде чем рассказывать о разных формах существования плазмы, посмотрим, где встречается плазма, каково ее место среди других состояний вещества.

Таблица элементов Д. И. Менделеева включает в себя 103 элемента. Столько разных «сортов» атомов обнаружено в природе.

Какие же из них самые распространенные? И в каком состоянии они находятся?

Эти вопросы давно волнуют науку. По крупице собирали ученые нужные сведения, пока не ответили на них. Они изучали нашу планету Землю, исследовали метеориты — вестники из межпланетного пространства, старались разгадать тайну космических лучей. Даже свет от Солнца и далеких звезд сослужил свою службу. Обыкновенный свет, на который многие из нас не обращают внимания.

Проделав огромную работу, ученые пришли к выводу, что Вселенная в основном состоит из водорода и гелия. Первого в ней примерно 76, второго — 23 процента. Все остальные элементы по весу занимают чуть побольше одного процента.

А в каком состоянии находятся водород и гелий Вселенной?

В состоянии плазмы.

Сейчас любой физик скажет, что Солнце, звезды, газовые туманности и даже межзвездный газ — это плазма.

В недрах Солнца и звезд бушуют могучие ядерные процессы. Они сопровождаются выделением огромного количества тепла. Под его воздействием разрушаются электронные оболочки атомов. Ядра оказываются оголенными и представляют собой частицы с положительными зарядами. Это материал для новых ядерных процессов, которые и совершаются внутри звезд непрерывно.

Межзвездный газ, в основном водород, превращается в плазму не благодаря теплу, а по другой причине. Звезды излучают целые потоки световых лучей. Среди них немало ультрафиолетовых — невидимых световых волн с очень короткой длиной волны. Эти лучи, обладающие большой энергией, оказывается, способны отрывать электроны от атомов межзвездного газа и превращать этот газ в плазму.

Мы живем на дне гигантского воздушного океана, со всех сторон окружающего нашу Землю. Если бы вся атмосфера имела ту же плотность, что и на поверхности земли, то ее толщина оказалась бы равной всего лишь восьми километрам. В действительности атмосфера в верхних слоях сильно разрежена, и ее следы удалось обнаружить даже на тысячекилометровой высоте. Правда, уже на высоте ста шестидесяти километров плотность воздуха в миллиард раз меньше, чем на уровне моря.

Солнце — гигантское скопление плазмы, окруженное своей солнечной атмосферой. Верхние горячие слои этой атмосферы называются хромосферой. Они щедро излучают ультрафиолетовые лучи. Более глубокие слои рождают еще более мощное рентгеновское излучение. Эти излучения врываются в земную атмосферу и превращают ее верхние, наиболее разреженные слои в плазму.

Запуск искусственных спутников Земли, полеты космических кораблей позволили получить очень ценные сведения о плазменном «покрывале» Земли. Наибольшая концентрация зарядов оказалась на высоте примерно трехсот километров. Здесь в каждом кубическом сантиметре имеется не менее двух миллионов электронов и ионов, а температура электронов достигает десятка тысяч градусов. Радиоволны, имеющие длину более пятнадцати метров, встретившись с таким слоем плазмы, отражаются от него, как луч света от зеркала. Как известно, это давно используется для связи на далекие расстояния.

До космических полетов ученые считали, что наша планета окружена одним поясом заряженных частиц. Потом открыли второй и совсем недавно третий, отстоящий от земной поверхности на несколько десятков тысяч километров. Их существование ученые связывают с влиянием солнечного излучения и с наличием у Земли мощного магнитного поля. Именно благодаря этому магнитному полю заряженные частицы — корпускулы, — извергаемые Солнцем, отбрасываются к полюсам и рождают красочные северные сияния. Теперь ученые точно знают, что северные сияния — это свет, излучаемый плазмой.

Выше я не случайно назвал слой плазмы, окружающий Землю, «покрывалом». Плазма небезразлична к магнитным полям. Благодаря этому наша планета как бы изолирована от внешних магнитных воздействий. Кроме того, через плазменную оболочку не способно проникнуть наиболее мощное, а следовательно, и наиболее опасное для всего живого ультрафиолетовое излучение Солнца. Исчезни плазменный пояс вокруг Земли, и наша планета превратится в безжизненную пустыню.

Итак, материя Вселенной на 99 процентов — плазма. Планеты, космическая пыль, метеоры по весу занимают очень скромное место.

Но живем мы на Земле, и поэтому интересно знать, где встречается плазма в наших, земных условиях?

Плазменную «продукцию» постоянно дает сама природа.

Что такое молния, прорезывающая небо во время грозы? Плазма, возникшая в результате разряда атмосферного электричества.

Еще Ломоносов справедливо говорил, что атмосферное электричество возникает от «трения» мелких частиц, из которых состоят водяные и другие «пары». Это отдаленно похоже на электризацию янтаря, натираемого шерстью.

Ветер постоянно перемешивает воздух и тем самым разделяет электрические заряды, относит их друг от друга.

Чаще всего нижняя часть облака оказывается заряженной отрицательным электричеством. Когда в этом заряде электронов запасется очень много, то между облаком и Землей — этими природными «электродами» — возникает гигантский электрический разряд — молния.

Не оставляет сомнения и то, что и другой вид молнии — так называемая шаровая молния — тоже плазма. Люди много раз наблюдали огненные шары, иногда появляющиеся после грозы; внезапно возникший шар медленно плывет с потоком воздуха, может влететь в окно, в печную трубу и, взорвавшись, поджечь здание или убить человека. Загадка шаровой молнии до сих пор полностью не разгадана, но вполне вероятно, что это тоже плазма.

Но чаще всего мы имеем дело с плазмой, созданной самим человеком.

Пламя газовой горелки и светящиеся буквы реклам, раскаленные струи, вылетающие из сопла реактивных самолетов и космических ракет, и дуга электросварки — все это плазма. Без нее не смогут работать лампы дневного света и автомобильные двигатели, без нее не получат электроэнергию пригородные электропоезда, а фотограф не сделает снимка в сумерках. Без плазмы не обходятся ни машиностроители, ни взрывники, ни химики, ни даже врачи. Она всюду, где человек занят делом, она — верный помощник человека.

Но люди добились этого не сразу. Они много потратили сил, прежде чем покорили плазму.