Ist jede Ionisationsstufe in einem Plasma eine separate Phase?

Plasma wird oft als separate Phase der Materie beschrieben. Die definierende Eigenschaft von Plasmen besteht darin, dass sie Gase aus sich frei bewegenden geladenen Teilchen sind, wodurch großräumige elektrische und magnetische Phänomene ihr Verhalten dominieren können. Eine Möglichkeit, Phasenübergänge zu erkennen, besteht darin, zu untersuchen, wie sich die Temperatur mit der zugeführten Wärme (Wärmekapazität) ändert, wobei Übergänge auftreten, wenn die Energie einen Phasenübergang antreibt, anstatt die kinetische Bewegung im Medium zu erhöhen (z Austreiben von Wassermolekülen aus der flüssigen Phase beim Kochen von Wasser).

In Anbetracht dessen, wenn ich Gas nehme, das aus Atomen eines einzelnen Elements besteht (um konkreter zu werden, sagen wir Kohlenstoff oder Sauerstoff) und damit fortfahre, es zu erhitzen, zeigt es dann einen Phasenübergang der oben beschriebenen Art zwischen Ionisationszuständen? Wenn ja, werden diese Ionisationszustände als separate Phasen oder als eine Art "Unterphasen" wie die verschiedenen Phasen in festem Eis betrachtet ?

Wenn kein Phasenübergang zwischen Ionisationszuständen stattfindet, bedeutet das dann, dass es auch keinen Phasenübergang zwischen neutralem Gas und Plasma gibt? Wenn ja, was trennt dann diesen ersten Ionisationsübergang von den übrigen?

Wenn Sie ein Gas bis zum Ionisationspunkt erhitzen, geht es nicht nur in einen Ionisationszustand (es sei denn, es ist natürlich Wasserstoff); es füllt alle Ionisationszustände mit Zahlendichten, die durch die Saha-Gleichung für jeden bestimmten Zustand beschrieben werden.
@probably_someone reicht das wirklich aus, um zu sagen, dass es keinen Phasenübergang gibt? Wenn ich reines Wasser in einen geschlossenen Behälter fülle, weist es ein Phasengleichgewicht zwischen Wasser und Gas auf, das von Temperatur und Druck abhängt, und wenn ich es erhitze, verschiebt sich das Gleichgewicht zu Gas von Flüssigkeit, aber das bedeutet nicht, dass dies nicht der Fall ist ein Phasenübergang.
Der Unterschied besteht hier darin, dass Sie in Wasser einen Ordnungsparameter (in diesem Fall die Dichte) haben, der bei einer kritischen Temperatur diskontinuierlich wird. Dieser Parameter existiert nicht für Plasma; Bei jeder messbaren Variablen entwickelt sich das System kontinuierlich weiter, wenn die Temperatur erhöht wird. Dieser Prozess wird normalerweise als analytisches Crossover bezeichnet. Kleine Quelle: web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/…

Antworten (1)

Wie ich gerade in einer anderen Antwort erklärt habe , gibt es im Allgemeinen drei Kriterien, die erfüllt sein müssen, um ein System als Plasma zu bezeichnen :

  1. λ D ≪ L , mit λ D die Debye-Länge und L die räumliche Dimension des Plasmas. Wie Sie es in der Frage beschrieben haben, besteht ein Plasma aus geladenen Teilchen (und Neutralen), und die Wechselwirkung zwischen den Teilchen ist durch die Coulomb-Wechselwirkung gegeben. Das ist der große Unterschied zu einem Gas, wo man einfach direkte Stöße hat. Das Ergebnis sind langreichweitige Wechselwirkungen in einem Plasma, die in einem Gas nicht auftreten. Um auf die Debye-Länge zurückzukommen , ist dies die Entfernung, nach der das elektrische Feld einer Testladung von Plasmateilchen abgeschirmt wird.
  2. N D ≫ 1 , mit N D die Anzahl der Teilchen in der Debye-Kugel . Die Debye-Kugel hat einen Radius von λ D und enthält alle Plasmateilchen, die das Feld der Testladung abschirmen, die wir in das Plasma eingebracht haben.
  3. ω P e τ 0 e > 1 , mit ω P e die Elektronenplasmafrequenz und τ 0 e die Stoßzeit zwischen Neutralen und Elektronen. Die Plasmafrequenz wird oft als die grundlegendste Zeitskala in der Plasmaphysik beschrieben. Es ist die Frequenz, mit der die Teilchen kollektiv schwingen, wenn Sie ein externes elektrisches Feld anlegen (denken Sie an eine harmonische Schwingung). Die höchste Frequenz und damit die kürzeste Zeitskala ist bei den Elektronen gegeben, da sie (aufgrund ihrer geringeren Masse im Vergleich zu den Ionen) viel schneller auf äußere Felder reagieren können. Eine andere Möglichkeit, diese Bedingung zu schreiben, wäre τ P e ≪ τ 0 e , dh die Stoßzeit muss viel größer sein als die Oszillationszeit.

Wie Sie es erraten haben, lautet die Antwort auf Ihre Frage, dass es keinen klaren Phasenübergang zum Plasmazustand gibt. Den vierten Aggregatzustand Plasma zu nennen , ist daher etwas irreführend. Wenn Sie den Ionisationsgrad erhöhen, erhöhen Sie auch einfach die Anzahldichte der Elektronen und die Energie der Plasmateilchen. Das könnte die Debye-Länge und die Plasmafrequenz ändern (die erstere hängt von der Elektronentemperatur und -dichte ab, die letztere nur von der Dichte), aber es wird keinen abrupten Übergang geben.

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