Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» Федеральное государственное унитарное предприятие «РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТРВСЕРОССИЙСКИЙ ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ» ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» Аспирантура РЕФЕРАТ по «Истории и философии науки» на тему: «Теория плазмы Ленгмюра». Научный руководитель___________________ (подпись) Бликов Антон Олегович (Ф.И.О.) кандидат физико-математических наук (ученая степень, звание) ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», ИФВ (место работы) Автор-аспирант ________________________ (подпись) Блинов Илья Андреевич (Ф.И.О.) 01.04.17 Химическая физика, горение и врыв, физика экстремальных состояний веществ (специальность) ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», ИФВ (место работы) Телефоны: р. 2-31-89, д._, моб. 89527672560 г. Саров 2019 г. 1 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. Социально-экономические предпосылки развития теории плазмы 2. Состояние науки к 20-м годам XX в. и научные предпосылки теории плазмы 2.1 Состояние науки к 20-м годам XX в. 2.2 Научные предпосылки формирования теории плазмы эмпирического уровня. 2.2.1 Открытие и ранние исследования катодных лучей 2.2.2 Открытие электрона 2.3 Научные предпосылки формирования теории плазмы теоретического уровня 2.3.1 Молекулярно-кинетическая теория газов 2.3.2 Теория электродинамики 2.3.3 Теория электролитов Дебая и Хюккеля 2.3.4 Теория амбиполярной диффузии в положительном столбе разряда. 2.4 Проблема теории плазмы 3. Логический анализ теории плазмы 3.1 Построение теоретической схемы 3.2 Математический формализм и его интерпретация ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 2 ВВЕДЕНИЕ В курсе истории и философии науки аспиранту требуется написать реферат для освоения основных понятий курса. В качестве основной темы для реферата рекомендуется рассмотреть одну из сторон научного знания с философских позиций и провести логический анализ ее развития. В своей работе [1] советский и российский философ, академик РАН Вячеслав Семенович Степин (1934-2018) предлагает начинать рассмотрение научных теорий в виде совокупности двух уровней организации знаний составляющих ее основу: эмпирического и теоретического уровней. Под эмпирическим уровнем понимается совокупность средств для организации экспериментов и наблюдений и понятия, описывающие эмпирические объекты, используемые при интерпретации результатов опытов. Теоретический уровень представляет собой совокупность идеализированных объектов и логических правил оперирования с ними, которые В.С. Степин называет теоретическими конструктами. В результате взаимодействия этих уровней формируются факты науки для объяснения которых выдвигаются научным сообществом гипотезы, объединение которых приводит к формированию теорий, проверяя которые открываются новые законы или происходит модернизация существующей теории. Сформировавшиеся таким образом теории и законы становятся основаниями науки и начинают определять дальнейшее направление развития науки. Основания науки по В.С. Степину - это фундаментальные представления, понятия и принципы науки, определяющие стратегии исследования, организующие в целостную систему многообразие знаний и обеспечивающие их включение в культуру исторической эпохи. Таким образом основания науки это нечто определяющее облик и состояние науки в каждый конкретный момент времени, и следовательно развитие и изменение науки можно рассматривать как развитие и изменение её оснований. Данный подход в форме системы онтологического знания и был выбран в качестве основного при выполнении этой работы. Темой исследования была выбрана теория плазмы, основы которой были заложены в работах американского физика и химика, нобелевского лауреата по химии Ирвинга Ленгмюра (1881 - 1957). Рассмотрение этой темы является важным и актуальным поскольку сегодня существует огромное количество областей применения плазмы в 3 хозяйстве от осветительных приборов и методов обработки поверхностей в промышленности до создания термоядерных реакторов и определения состояния вселенной в первые мгновения после большого взрыва. По современным представлениям более 90 % всей материи во вселенной является плазмой. Тем не менее философского осмысления формирования и развития теории плазмы насколько известно автору нет. Возможно это связано с временем формирования ее основ, совпадающим с моментом возникновения квантовой механики и общей теории относительности, привлекающих гораздо большее внимание исследователей науки. Что же такое плазма? Плазмой называют квазинейтральную систему, содержащую положительно и отрицательно заряженные свободные частицы. Положительные частицы — это всегда ионы, а отрицательные — обычно электроны [2]. Сегодня существует несколько направлений изучения материи в форме плазмы, но до сих пор еще не все возможные состояния были получены или изучены. Поэтому изучение опыта исследователей-пионеров важно для формирования целостного представления об изучаемом предмете. Для исследования основ теории плазмы автором была поставлена следующая цель: рассмотрение развития теории плазмы вплоть до исследований И. Ленгмюра в 20-х годах ХХ века, заложивших основные представления о плазме и методы ее исследования. Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи: 1) Рассмотреть социально-экономические предпосылки развития теории плазмы; 2) Рассмотреть состояние науки в момент формирования теории и ее научные предпосылки. 3) Дать логический анализ работ И. Ленгмюра в области физики плазмы и определить их влияние на дальнейшее её развитие. 4 1. Социально-экономические предпосылки развития теории плазмы В Программе кандидатских экзаменов [3], разработанной Институтом Философии РАН и утвержденной Минобразования России от 17.02.2004 No 697, определено, что в курсе «История и философия науки» «наука рассматривается в широком социокультурном контексте и в ее историческом развитии». Таким образом необходимо рассмотреть социально-экономические предпосылки послужившие основанием возникновения или ускорившие выработку научных основ теории плазмы. В XIX в. капитализм вступил в стадию своего расцвета, характеризующуюся стремительным развитием производительных сил и производственных отношений. Создание новых отраслей промышленности и все большее преобразование образа жизни людей было возможно только за счет все большего внедрения передовых научных достижений в практику производства. В результате, это к концу XIX в. привело к ситуации, что академическая наука уже не могла в полной мере удовлетворить всё возрастающие требования промышленности. Таким образом высокая востребованность промышленности в как можно скорейшем открытии новых или совершенствовании теоретических представлений для уже открытых физических явлений может считаться одной из предпосылок развития науки в целом и физики плазмы в частности. В это же время деятельность компаний ориентированных на продажу технических устройств основанных на последних достижениях науки сформировала в обществе запрос на все большее внедрение в повседневную жизнь новейших вещей, таких как электрические лампы, тостеры, холодильники и многое другое. Высокую общественную востребованность в наукоемких вещах можно считать второй предпосылкой способствовавшей развитию науки и в частности теории плазмы. Поэтому ничего удивительного, что в 1901 г. была создана первая коммерческая научно-исследовательская лаборатория компании «Дженерал Электрик». По воспоминаниям И. Ленгмюра, принятого на работу в эту лабораторию в 1909 г., в ней было гораздо больше „академической свободы“, нежели в любом университете [4]. После устройства в лабораторию И. Ленгмюр начал работы по изучению свойств газов при заполнении ламп накаливания, в ходе которых, длившихся в течении трех лет, он смог познакомиться с превосходными вакуумными аппаратами, которыми располагала лаборатория 5 «Дженерал Электрик». Этот опыт благотворно сказался на результатах исследования газовых разрядов начатых И. Ленгмюром спустя десять лет. Таким образом видно, что развитие промышленности и использование им передовых научных достижений для внедрения их повседневную жизнь, в ответ на запрос из общества, подстегнуло развитие фундаментальной науки и способствовало открытию новых научных направлений, с помощью обеспечения ученых лучшим оборудованием и максимальной свободой исследований. 6 2. Состояние науки к 20-м годам XX в. и научные предпосылки теории плазмы 2.1 Состояние науки к 20-м годам XX в. Возросшая точность физических измерений в конце XIX - начале XX вв. привела к открытию несоответствия старых классических представлений о строении материи и устройства пространства и времени. В результате этого в физике начало формироваться разделение на разделы занимающиеся исследованием поведения и состояния материи на микро-, макро- и мегауровне. В результате этого происходит слом классической рациональности не способной объяснить явления происходящие на микро- и мегауровне, в то время как в исследованиях на макроуровне основные представления классической рациональности и ее достижения продолжают сохраняться и активно развиваться. Для новых направлений в физике потребовалась выработка других критериев научности и новых методов исследования. Данные изменения в структуре физики относят к третей научной революции. Физика плазмы возникающая в это время строится в первую очередь на идеалах классической рациональности в силу макроскопичности предмета своего исследования. Теперь рассмотрим научные предпосылки формирования физики плазмы. Поскольку научные знания принципиально различаются на эмпирическом и теоретическом уровне организации, естественнее всего рассматривать их отдельно друг от друга. 2.2 Научные предпосылки формирования теории плазмы эмпирического уровня. Под эмпирическим уровнем понимается совокупность средств для организации экспериментов и наблюдений и понятий, описывающих эмпирические объекты, используемые при интерпретации результатов опытов. Таким образом при изложении фактов науки относящихся к эмпирическому уровню необходимо в первую очередь обращать внимание на то как эти предпосылки помогли сформировать объект исследования и как появились понятия и методы, использованные для его экспериментального исследования. 2.2.1 Открытие и ранние исследования катодных лучей В 1838 году английский физик-экспериментатор и химик Майкл Фарадей (1791-1867), пропуская ток от электростатической машины через стеклянную трубку с воздухом при низком давлении, наблюдал фиолетовое свечение, исходящее из положительного электрода (анода). Это свечение распространялось почти до самого отрицательного электрода (катода) на другом 7 конце трубки. Сам катод также светился, а между светящимся катодом и фиолетовым столбом имелось темное пространство, которое теперь называют «фарадеевым темным пространством». Дальнейшие исследования этого явления, особенно после 1855 г., когда немецким стеклодувом, физиком и химиком Генрихом Иоганом Вильгельмом Гейслером (1814-1879) был изобретен новый насос, позволявший создавать значительно более низкие давления в трубке нежели раньше, позволили открыть множество свойств лучей названных катодными. Например, в 1858 году немецким математиком и физиком Юлиусом Плюкером (1801-1868) было обнаружено, что фарадеево темное пространство увеличивается, а свечение вокруг катода становится несколько более протяженным, когда давление воздуха в трубке снижается. Он нашел, что это свечение направлено вдоль «силовых линий» магнитного поля, «как если бы оно было составлено из гибких цепочек железных опилок, прикрепленных на одном конце к катоду». Ю. Плюкер установил также, что если катод сделан из платины, то соседние части стеклянной трубки в конце концов покрываются тонким слоем металла. Кратко перечислим важные особенности катодных лучей. а) Лучи испускаются катодом, если через разреженное пространство трубки проходит ток. б) Лучи распространяются прямолинейно. в) Лучи вызывают флуоресценцию стекла. г) Лучи отклоняются магнитным полем. д) Лучи в основном испускаются перпендикулярно поверхности любого катода. е) Свойства лучей не зависят от природы материала катода. ж) Лучи могут вызывать химические реакции. з) Лучи, будучи сфокусированы на токую фольгу могут нагревать ее до красного каления и) Лучи способны оказывать силовое воздействие или, выражаясь научным языком, они могут переносить импульс. Последние два свойства были открыты английским химиком и физиком сером Уильямом Круксом (1832-1919) в 1879 году, который изобрел множество катодно-лучевых трубок, позволивших легко демонстрировать уже известные свойства лучей и приведших к открытию новых. Трубки У. Крукса были столь превосходно сконструированы и изготовлены, что подобные им используются для демонстрационных целей и по сей день. 8 Таким образом в течении XIX в. было открыто и исследовано новое физическое явление, названное катодными лучами. К концу XIX в. уже было разработано оборудование для устойчивого создания и поддержания этого явления, но природа его до сих пор не была ясна. Выяснение этого послужило основанием для возникновения множества новых разделов физики и выяснению природы химических явлений. 2.2.3 Открытие электрона Отклонение лучей магнитным полем привело в 1871 году английского инженера-электрика Кромвела Флитвуд Варлея (1828-1883) [5] к предположению, что лучи состоят из отрицательно заряженных материальных частиц, поскольку поток таких частиц должен отклоняться в соответствующем направлении при прохождении через магнитное поле. У. Крукс же предполагал, что катодные лучи могут представлять собой «поток молекул». Он считал, что молекулы разреженного газа в трубке при столкновении с катодом приобретают отрицательный электрический заряд, вследствие чего они отталкиваются отрицательным катодом и с большой скоростью отлетают от его поверхности в перпендикулярном к ней направлении. В итоге они сталкиваются с другими молекулами и вызывают их люминесценцию. У. Крукс считал свои лучи примером «четвертого» состояния вещества. В противоположность гипотезе У. Крукса о корпускулярной природе катодных лучей существовало представление о них как о специфической форме электромагнитных волн, которой придерживались немецкие физики Генрих Рудольф Герц (1857-1894), Филипп Эдуард Антон фон Ленард (1862-1947) и др. В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томпсон (1856-1940), немецкий физик Вильгельм Вин (1864-1928) и некоторые другие исследователи провели серию экспериментов, приведших к признанию корпускулярной природы лучей, по изучению отклонения катодных лучей в электрическом и магнитном полях. На основании результатов полученных в экспериментах было определено примерное отношение между зарядом и массой частиц катодных лучей. В своей статье [6] Дж.Дж. Томпсон писал: «Мы видим, что отношение m/q не зависит от природы газа и по порядку величины равно 10-7; это значение весьма мало по сравнению с наименьшим из известных уже значений отношения m/q=10-4, полученным для иона водорода в процессе электролиза. Это может быть обусловлено либо малой массой частицы m, либо большой величиной заряда q, либо и тем и другим одновременно.» 9 На основании результатов Ф. Ленарда, изучавшего прохождение лучей через вещество, и показавшего что катодные лучи могут проходить через фольги, способные надежно изолировать водород или любой другой газ от хорошего вакуума, Дж.Дж. Томпсон утверждал, что корпускулы имеют малые размеры, вернее обладают малой массой. По его мнению, были причины предполагать, что заряд исследуемых частиц q больше заряда иона в электролите. Тем не менее он считал, что различие в 1000 раз в значениях m/q в основном обусловлено малой массой корпускул. По мнению Дж.Дж. Томпсона открытые им корпускулы были одними из составных частей всех атомов. Таким образом в результате работ Дж.Дж. Томпсона была утверждена корпускулярная природа катодных лучей. Корпускулы в дальнейшем были названы электронами. После открытия электронов вопрос о природе катодных лучей был решен, но появилась новая задача — описание внутреннего устройства и возможно открытие новых свойств катодных лучей, как потока отрицательно заряженных частиц. Эту проблема начала разрешаться только в результате возникновения теории плазмы заложенной работами И. Ленгмюра. 2.3 Научные предпосылки формирования теории плазмы теоретического уровня Под теоретическим уровнем В.С. Степиным понимаются теории, гипотезы, построенные на оперировании идеализированными объектами (теоретическими конструктами), которые наделяются конечным количеством строго определенных существенных свойств. Также задаются строго определенные правила оперирования с ними в результате выполнения которых исследователь приходит к каким-либо следствиям. Соответствие реальных экспериментальных измерений полученным следствиям говорит о близости принятых гипотез к действительности и выработке в дальнейшем теоретического закона. Теперь рассмотрим основные теории, которые оказали влияние на формирование основ физики плазмы. 2.3.1 Молекулярно-кинетическая теория газов Атомистические представления о строении вещества восходят еще к античным временам. Эти представления высказывали Демокрит, Эпикур и др. Но завоевать полное признание эта точка зрения смогла только в XIX в. в результате горячих споров и множества проведенных экспериментальных работ подтвердивших следствия построенные на основе этой предпосылки. 10 Наиболее известным и систематическим изложением основ теории исходящей из атомистической предпосылки и законов классической ньютоновской механики являются работы немецкого физика, механика и математика Рудольфа Юлиуса Эмануэля Клазиуса (1822-1888). В них он исходит из следующих предпосылок: 1) газ представляет собой огромное количество мельчайших частиц, 2) частицы свободно и прямолинейно двигаются в пространстве, 3) изменение направления движения частицы газа происходит в результате столкновения с непроницаемой стенкой или при столкновении с другой частицей газа, 4) средний импульс частиц в среднем остается постоянным во времени. Такую модель газа Р.Ю.Э. Клазиус называл совершенным газом. Она позволяет представить молекулы газа «упругими материальными точками», а силы взаимодействия между ними вводить только, когда молекулы находятся в непосредственной близости. В ходе развития своей теории Р.Ю.Э. Клазиус ввел понятия числа столкновений и средней длины свободного пробега, которые в дальнейшем позволили рассмотреть с кинетической точки зрения такие явления, как теплопроводность и вязкость газов. Теория совершенного газа Р.Ю.Э. Клазиуса определила через микроскопические понятия, описывающие поведение одной частички газа, такие макроскопические параметры как давление и температура, а после введения предположения о сложной структуре частиц реальных газов и возможности колебаний и вращений относительно какой-либо точки частицы также и теплоемкость этих газов. Дальнейшее развитие теории связано с работами великого английского физика Джона Кларка Максвелла (1831-1879), одной из важнейших работ которого является установление закона распределения скоростей молекул, позволившего существенно уточнить многие результаты, полученные ранее Р.Ю.Э. Клазиусом. Расширение явлений объясняемых с помощью молекулярно-кинетической теории газов и увеличение точности предсказаний следует связать с работами австрийского теоретика Людвига Больцмана (1844-1906). Его работы в первую очередь были направлены на статистическое описание поведения частиц газа. Дальнейшее развитие области физики направленной на исследование статистического поведения ансамблей, состоящих из механических систем, названной статистической механикой, было вызвано работами американского ученого-теоретика Джозайя Уилларда Гиббса (1839-1903). Его монография «Основные принципы статистической механики», изданная в 1902 году, имела большое методологическое значение, поскольку она расширяла круг 11 применений молекулярно-кинетической теории, распространяя ее на конденсированные системы. Таким образом к моменту формирования теории плазмы уже была развита теория описания поведения систем ансамблей — воображаемых совокупностей систем, каждая из которых представляет одну и ту же систему в различных состояниях, пригодная для описания поведения структуры любых материальных тел. 2.3.2 Теория электродинамики Проявления электрических и магнитных явлений известны с древнейших времен [7]. Основным фундаментальным законом электродинамики является закон сохранения заряда гласящий, что в заряд в замкнутой системе сохраняется. Количественное изучение электрических явлений началось после того как в 1773 г. британский физик и химик Генри Кавендиш (1731-1810), а в 1785 французский военный инженер и ученый-физик Шарль Огюст де Кулон (1736-1806) установили закон взаимодействия точечных зарядов известный как закон Кулона. В 1820 г. датским физиком Гансом Христитаном Эрстедом (1777-1851) была установлена связь между электрическими и магнитными явлениями. В этом же году французский физик Андре-Мари Ампер (1775-1836) нашел закон взаимодействия электрических токов известный ныне как закон А.-М. Ампера. После его работы, в которой было доказано, что контур с электрическим током создает такое же магнитное поле, как магнитный диполь, был обоснован закон отсутствия магнитных зарядов. В 1831 М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции — возбуждение электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. В результате ко второй половине XIX в. были сформулированы основные законы электродинамики. В виде системы дифференциальных уравнений они были впервые записаны в 1855 г. Д.К. Максвеллом. Первоначальная система оказалась несовместной и противоречивой. Поэтому в 1861-8162 гг. эти уравнения были модернизированы Д.К. Максвеллом путем добавления понятия тока смещения. Это позволило получить систему уравнений описывающую все известные на тот момент экспериментальные результаты и предсказать близкодействующий характер взаимодействия электромагнитных сил. Таким образом система уравнений Д.К. Максвелла закончила формирование классической электродинамики и позволяла описывать все известные на тот момент электрические и магнитные явления. 12 2.3.3 Теория электролитов В 1887 г шведским физико-химиком Сванте Августом Аррениусом (1859-1927) и немецким физико-химиком Вильгельмом Фридрихом Оствальдом (1853-1932) была сформулирована теория электролитической диссоциации. Под диссоциацией понимается распад молекул электролита на ионы при растворении или плавлении. Эта теория давала характеристику количества ионов образующихся в результате диссоциации. В 1923 г нидерландским физиком Питером Дебаем (1884-1966) в соавторстве со своим ассистентом немецким физиком Эрихом Армандом Артуром Йозефом Хюккелем (1896-1980) опубликовал статью [8], в которой были заложены основы подхода, вошедшего в учебники физической химии под названием теории Дебая — Хюккеля. Идея о том, что электростатические взаимодействия ионов должны оказывать существенное влияние на свойства растворов, высказывались и ранее, однако лишь П. Дебаю и Э.А.А.Й. Хюккелю удалось обойти все математические трудности и получить количественные результаты, пригодные для сравнения с экспериментом. Ограничиваясь случаем разбавленных растворов сильных электролитов, они получили уравнение для кулоновского потенциала вблизи иона с учётом его экранирования ионами противоположного знака. Экранирование возникает из-за перераспределения частиц таким образом, что вблизи данного иона всегда будет в среднем больше ионов противоположного, чем того же, знака. Толщина «ионной атмосферы» характеризуется специальным параметром, называемым сейчас дебаевской длиной или дебаевским радиусом экранирования. Поскольку этот параметр обратно пропорционален квадратному корню из концентрации ионов, П. Дебай и Э.А.А.Й. Хюккель смогли объяснить известную из опытов концентрационную зависимость таких свойств растворов сильных электролитов, как понижение температуры замерзания и осмотическое давление. 2.3.4 Теория амбиполярной диффузии в положительном столбе разряда. Важным этапом для построения теории плазмы И. Ленгмюром была теория амбиполярной диффузии сформулированная немецким физиком Вальтером Германом Шотки (1886-1976), впервые представленная в его статье [9] в 1924 году. Амбиполя́рная диффу́зия — процесс совместной диффузии электронов и ионов в слабоионизированной плазме, при котором потоки электронов и ионов либо совпадают по величине, либо отличаются на некую постоянную величину. При наличии неоднородного распределения плотности заряженных частиц слабоионизированной плазмы в пространстве наблюдается самопроизвольное направленное движение этих частиц, приводящее к выравниванию их концентрации во всём занимаемом объёме — диффузия плазмы. Так же, как и для нейтрального газа, диффузия плазмы в отсутствие внешнего магнитного поля определяется скоростью теплового движения частиц и частотой их столкновений между собой и с нейтральными атомами. В силу того, что масса электронов значительно ниже, чем у ионов, скорость их 13 теплового движения выше. Следовательно, электроны обладают более высокой подвижностью и диффундируют быстрее. Однако электростатическое поле, возникающее при разделении электронов и ионов, тормозит движение электронов и одновременно ускоряет движение ионов. Таким образом, скорости диффузии электронов и ионов сравниваются, что обеспечивает выполнение для плазмы условия квазинейтральности. Теория амбиполярной диффузии ввела понятие квазинейтральности для описания невозмущенной части плазмы и обосновала ее образование и сохранение во времени. В основу теории были положены представления о структуре плазмы. 2.4 Проблема теории плазмы В начале XX в. были сформулированы теории, описывающие взаимодействие электронов и ионов между собой, для газового разряда и сильных электролитов, основанные, в первую очередь, на представлениях заложенных фундаментальными теориями такими как статистическая механика и электродинамика. Построение теории, описывающей поведение электронов и ионов, образующихся в катодно-лучевых трубках и других устройствах для получения плазмы, было подготовлено всем предыдущим развитием науки. Основной проблемой, которую она должна была решить это определение микроскопических параметров плазмы через измеряемые в эксперименте величины. Для этого необходимо было сформулировать соответствующую систему уравнений. Эта проблема была решена И. Легмюром в соавторстве с американским физиком Леви Токсом (1897-1971) в их статье [10] 1929 г., где впервые был введен термин плазма для описания ионизированного газа. 14 3. Логический анализ теории плазмы При логическом анализе какой-либо теории необходимо построить теоретическую схему этой теории, которая описывает основные положения теории. При таком построении необходимо указать логическое следствие этих положений из предшествующих фактов науки. Следующим шагом является математическое формулирование основных положений. Таким образом мы получаем полное описание теории вместе с описанием её развития. Анализируя это можно сформулировать основные следствия этой теории для развития науки и выявить ее влияние на формирование оснований науки. 3.1 Построение теоретической схемы В теории плазмы И. Ленгмюра плазма представляет собой смесь нейтральных частиц, электронов и ионов. И. Ленгмюром и Л. Тонксом рассматриваются два предельных случая процессов ионизации: 1) ионизация производится быстрыми вылетающими из катода электронами и потому происходит равномерно по всей плазме, 2) ионизация производится наиболее быстрыми из числа «рассеянных» электронов плазмы. В плазме формируется область, называемая квазиэлектронейтральной. Внутри плазмы условие элекронейтральности выполняется с очень высокой степенью точности. Если в плазме имеются только однократно заряженные положительные ионы, то ne = ni. Плазма не может сильно отклоняться от условия квазиэлекронейтральности, поскольку в противном случае сразу же возникают сильные электрические поля, восстанавливающие квазиэлектронейтральность. В плазме на границе, где условие квазиэлетронейтральности не выполняется формируется граничный слой толщиной порядка радиуса Дебая. На основании такого представления строится полное уравнение плазмы и слоев. Также вводятся уравнения 1) баланса плазмы, 2) тока положительных ионов, 3) подвижности электронов, 4) уравнение образования ионов. Пятым уравнением должно быть уравнение подводящее баланс энергии в плазме. Это уравнение И. Ленгмюр и Л. Тонкс при разработке своей теории еще не решились написать, считая, что необходимо предварительно произвести «подробное исследование потерь на излучение и других еще невыясненных факторов». Это пробел теории восполнил Дрювестейн. Уравнения используются, чтобы на основе наперед заданных параметров: 15 1) радиус разрядной трубки a , 2) давление газа P , 3) температура стенок трубки, совпадающая, при длине свободного пути, соизмеримой с радиусом, с температурой нейтрального газа T g , 4) разрядный ток iβ , регулируемый внешним сопротивлением, определить зависимые параметры характеризующие Ez , образующуюся плазму: 1) продольный градиент потенциала 2) концентрация электронов по оси трубки n0 , 3) температура электронов T e , 4) плотность тока положительных ионов на стенки трубки i p , 5) число ионов образуемых в 1 секунду, приходящееся на один электрон λ . 3.2 Математический формализм и его интерпретация В своей работе [10] И. Ленгмюр и Л. Тонкс для определения неизвестных параметров предлагают использовать систему из пяти уравнений, в частности для цилиндрической геометрии: 1) Уравнение баланса плазмы T e me 12 aλ = 0.4264⋅ 10 ( ) mp 6 . Такие уравнения могут быть написаны и для других частных случаев и устанавливают соотношение между скоростью образования ионов и температурой электронов в плазме 2) Уравнение тока положительных ионов x aβ i p= ∫ eN r r 3 dr . Это уравнение дает возможность определить из экспериментального значения ip концентрацию электронов n0 в центре плазмы в точке максимума потенциала. 3) Уравнение подвижности электронов 0 K e= 0.75 el e me υ e , где l e - средняя длина свободного пути электрона, υe - средняя скорость их теплового движения. В качестве уравнения И. Ленгмюр и Л. Тонкс предлагают использовать формулу Ланжевена точную в случае слабого электрического поля. 4) Уравнение образования ионов для определения числа λ − Ui e 3 P kTe 2 2 U i e kT λ = 6.70⋅ 10 β1 ( ) ⋅( + )e Tg e 3 kT e 7 e , где P и T -давление и температура нейтрального газа, а β1 - некоторый постоянный множитель, определяемый экспериментально. 5) Уравнение баланса энергии, которого И. Ленгмюр и Л. Тонкс не дают. 16 Видно, что система уравнений не полная, но тем не менее теоретические результаты полученные на основе ее хорошо согласуются с экспериментом. Дальнейшее совершенствование этой теории Дрювестейном и Б.Н. Клярфельдом продолживших развивать ее по пути указанному И. Ленгмюром и Л. Тонксом позволило обобщить указанную теорию для описания плазмы в более широком диапазоне давлений. 17 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе рассмотрена с позиций В.С. Степина теория плазмы И. Ленгмюра. Описаны основные факты науки послужившие предпосылкой к формированию теории плазмы. Это экспериментальные исследования катодных лучей, открытие электрона, теория статистической механики, классическая теория электродинамики, теория электролитов П. Дебая и Э.А.А.Й. Хюккеля и теория амбиполярной диффузии. Теория плазмы И. Ленгмюра представляет собой образец теории построенный на основаниях классической рациональности. Плазма понимается как система электронов и ионов сохраняющая себя во времени благодаря свойству квазиэлектронейтральности. Из теории следует, что зная ряд параметров характеризующих систему возможно описать поведение всей системы во все последующие моменты времени. Влияние средств измерения применяемых при эксперименте в данной теории не учитывается. В ходе изучения свойств плазмы И. Ленгмюром был разработан метод определения локальной концентрации электронов и их температуры, названный позднее его именем. Данный метод остается одним из основных для исследования низкотемпературной плазмы на сегодняшний день. Также И. Ленгмюром впервые была обнаружена возможность возбуждать в плазме электрические колебания. Из всего перечисленного следует, что работы И. Ленгмюра в области физики плазмы и особенно его теория плазмы имели значение основания для всего последующего развития исследований в этом разделе физики и по большому счету послужили его самостоятельному существованию и развитию. 18 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Стёпин В.С. Философия науки. Общие проблемы: учебник для аспирантов и соискателей ученой степени кандидата наук / В.С. Степин. – М.: Гардарики, 2006. – 384 с. 2. Франк-Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы / Д.А. Франк- Каменецкий — М.: Атомиздат, 1968. - 288 с. 3. Программы кандидатских экзаменов «История и философия науки» («Философия науки»). - М.:Гардарики, 2004. - 64 с. 4. Митчел Уилсон. Американские ученые и изобретатели. Пер. С англ. М.: Знание, 1975. - 136 с. 5. Д. Андерсон. Открытие электрона. М.: Атомиздат, 1968. - 160 с. 6. Thomson J.J. Philos. Mag., 44, 311 (1897) 7. В. Карцев. Приключения великих уравнений. М.: Знание, 1986, 288 с. 8. P. Debye and W. Huckel. Physikal. Z. 24, 183, 305 (1923). 9. W. Shottky, Phys. Zs., 25,342 (1932). 10. Langmuir I., Tonks L. Phys. Rev. 34, 876, (1929). 19
