Как возникает полярное сияние?

Раз уж начали отвлекаться на природные явления, можно и немного продолжить. Пусть ядерная физика еще немного подождет, а мы насладимся прекрасным. На этот раз полярным сиянием.

Причина возникновения

У нас на Земле есть уникальный и замечательный барьер, защищающий от всего, летящего из космоса - атмосфера. Но есть еще один дополнительный барьер, который дополнительно защищает от заряженных частиц, прилетающих из космоса. Этим барьером является магнитное поле Земли, силовые линии которого выходят из северного магнитного полюса и приходят в южный, образуя поверхность тора (бублика). Кстати, северный географически полюс на самом деле южный магнитный, и наоборот. Ближайшим источником заряженных частиц является Солнце. Вообще Солнце – это огромный и постоянно взрывающийся термоядерный реактор, который выбрасывает в результате своей деятельности большое количество самых разных частиц в космос.

А из школьной физики мы знаем, что на заряженную частицу, попавшую в магнитное поле, действует сила Лоренца, заставляя ее двигаться по окружности. Таким образом, попав в магнитное поле земли, частицы двигаются по спирали вдоль его линий. А т.к. магнитные линии в районе полюсов перпендикулярны поверхности земли и пронизывают ее, все заряженные частицы сосредотачиваются в областях вокруг этих полюсов, и попадают в верхние слои атмосферы.

Как появляется свечение?

Попадая в верхние слои атмосферы, частицы сталкиваются с её атомами и переводят их в возбужденное состояние, когда электрон переходит на уровень с большей энергией. Квантовую физику по этой теме, все-таки, придется вспомнить. Чтобы снять возбуждение электрон прыгает обратно на свой уровень с минимальной энергией и испускает фотон в диапазоне длин волн видимого света. Это явление называется люминесценцией.

Отчего зависит цвет сияния?

Здесь три зависящих друг от друга фактора:

1️⃣ Спектр видимого света, как мы знаем, содержит в себе цвета разных длин волн. Самая низкая длина волны (и самая большая энергия) у фиолетового, а самая длинная волна (и самая низкоэнергетическая) – у красного.

2️⃣ Чем медленнее двигается частица, тем больше вероятность того, что она переведет атом в возбужденное состояние, т.к. она взаимодействует с ним дольше, в отличие от быстрых частиц, пролетающих мимо атома, который их даже не замечает.

3️⃣ Плотность атмосферы снижается с увеличением высоты.

Таким образом, на больших высотах меньше вероятность возбудить атомы кислорода и азота, а если и есть, то возбудятся они слабенько, т.е. испустят низкоэнергетическую волну красного цвета. И по интенсивности свечение будет слабенькое, из-за маленького количества возбужденных атомов.

На более низких высотах частица уже снижает свою скорость, благодаря торможению в верхних слоях атмосферы и охотнее возбуждает атомы передавая им больше энергии, а те, в свою очередь испускают более высокоэнергетический зеленый свет. И на низких высотах свечение более интенсивное, поскольку плотность атмосферы достаточно высока, и большое число атомов участвуют в этом процессе.

В редких случаях, если частица была изначально очень быстрая, и после возбуждения зеленого света у нее еще остается кинетическая энергия, она может попасть в еще более низкие слои и вызвать высокоэнергетическое и интенсивное свечение синего и фиолетового цветов.

Вот такую красоту подкидывает нам природа. Поделитесь с тем, кто не знает, почему появляется полярное сияние.

Самое распространенное агрегатное состояние вещества во вселенной.

Нет, это, как ни странно, не газ, не жидкость и, уж тем более, не твердое тело. Это четвертое состояние под названием плазма.

Плазма – такое особенное газообразное состояние, при котором атомы «разобраны» на части – свободные электроны и положительные ионы или голые атомные ядра. По этой причине, в отличие от газа, плазма хорошо проводит электрический ток и подвергается влиянию магнитных полей. Этот «суп» из разноименных заряженных частиц, из которого состоят звезды и большая часть межзвездного пространства, является в масштабах вселенной самым распространенным веществом.

Так как количество положительных и отрицательных зарядов в плазме уравновешено, то, можно сказать, что она электрически нейтральна, как единое целое. Однако, если мы это равновесие чем-то локально нарушим, например, запустив извне электромагнитную волну (фонариком посветить на плазму захотим😁) то это внешнее электромагнитное поле будет смещать заряды, и запустятся плазменные колебания частиц вокруг их привычного места нахождения.

Как получить такой интересный ионизированный газ?
Атомам нужен сильный энергетический пинок, чтобы электроны из них вылетели.

1️⃣ Самое банальное – нагреть до экстремально высоких температур – миллионы кельвинов. При таких температурах атомы имеют настолько большую энергию и настолько сильно сталкиваются друг с другом, что уже не могут удерживать электроны, и их электронные оболочки разрушаются, высвобождая свободные электроны наружу.

2️⃣ Пропустить через газ электрический ток. Простые газоразрядные устройства (трубки, лампы и т. д.), в которых тоже находится плазма. Подробнее про ионизацию газа я рассказывал, когда писал про сварку.

3️⃣ Бомбардировать газ, электромагнитными волнами (например, лазер), в результате чего электроны выбиваются из атома, и дальше по цепочке ионизируют другие атомы.

4️⃣ Создать ударную волну или взрыв, при которой воздух сильно сжимается и нагревается до очень высоких температур, при которых см. п.1.

Многие, наверняка, при слове «плазма» представляют себе тот самый стеклянный шар, прикасаясь к которому можно наблюдать разряды, идущие к пальцам. Да, там действительно находится холодная плазма, образованная по п. 2. В центре стоит электрод, на который подается переменное напряжение высокой частоты, а вокруг него газ, который при возбуждении и ионизации может светиться красивыми цветами. Второй электрод – это Земля, но не напрямую, а через воздух и предметы, на которых стоит установка. Поэтому в спокойном состоянии разряд очень слабый и мы видим тонкие, хаотично расположенные нити. Но стоит нам прикоснуться – возникает молния от центрального электрода к нашим пальцам, т.к. мы служим отличным проводником к тому самому второму электроду – Земле. От удара током нас, кстати, спасает та самая стеклянная оболочка шара. Вот такая нехитрая игрушка.

В описанных ранее здесь природных явлениях тоже образуется плазма:

🔵При полярном сиянии частицы, прилетевшие из космоса, не только возбуждают, но и частично ионизируют разреженные слои атмосферы, и там образуется разреженная плазма.

🔵При грозе молния разогревает окружающий воздух до высоких температур, да еще и ионизирует – благоприятные условия для образования такого вещества.

Зачем вообще нужна плазма, и зачем ее изучать?

Конечно, если бы она была нужна только лишь для создания игрушек для детей и газоразрядных ламп, сварки и других повседневных и промышленных применений, никто бы не стал создавать целый раздел физики, изучающей это состояние. Главная цель – обуздать горячую плазму, чтобы освоить и научиться управлять новым, гораздо более мощным, по сравнению с другими, источником энергии, о котором мы еще поговорим подробнее.

Почему магниты магнитятся, а не магниты – не магнитятся? 🧲 Введение

Сегодня поговорим о магнитных свойствах вещества и узнаем, какие вещества магнитятся, а какие нет.

Для начала нужно разобраться, откуда в принципе может возникать магнитное поле в атоме вещества. Здесь мы, конечно же, вспоминаем Нильса Бора и Эрнеста Резерфорда из этого поста, которые показали, что электроны в атоме движутся вокруг положительного ядра по стационарным орбитам.

Представив такую модель атома, мы можем понять, что отрицательно заряженный электрон, вращающийся вокруг ядра, по сути является маленьким контуром с электрическим током. А электрический ток всегда порождает магнитное поле рядом с собой, зависящее от направления тока.

Если поместить любое тело во внешнее магнитное поле, его собственное, или, так называемый, магнитный момент, каким-то образом изменяется. Тогда говорят, что тело намагничивается. И от того, как именно намагничиваются вещества во внешнем магнитном поле, зависит их причисление к тому или иному типу.

Помимо магнитного момента, создаваемого двигающимся по кругу электроном (витку с током), в атоме есть еще, так называемый, спиновый магнитный момент. О том, как упростить и представить себе спин электрона, я писал здесь, когда рассказывал, как работает МРТ. Спин – это момент, возникающий при вращении электрона вокруг своей оси. Его поведение похоже на движение нашей планеты. Конечно же, как мы поняли из моего краткого экскурса в квантовую механику в трех частях (часть 1, часть 2, часть 3), электрон – это не шарик, а вообще непонятно, что из себя представляет и где находится, поэтому мое определение спина – грубое упрощение.

Все вещества по своим магнитным свойствам можно разделить на два больших класса – магнитно-неупорядоченные или слабые магнетики и магнитно-упорядоченные (сильные магнетики). К первому классу относятся диамагнетики и парамагнетики, а ко второму – ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики.

В следующей части подробно рассмотрим каждый из этих классов. Но надо ведь суету навести, поэтому 40 реакций, и выкладываю следующую часть 🙃.

Почему магниты магнитятся, а не магниты – не магнитятся? 🧲 Часть 1

Введение было здесь. А в первой части поговорим о классе магнитно-неупорядоченных веществ.

Диамагнетики – вещества, не имеющие собственного магнитного поля, если их не помещать во внешнее. Электроны в них, по-прежнему, вращаются по орбитам и создают собственные магнитные поля, однако, количество электронов и направление их движения такое, что их магнитные поля компенсируют друг друга. Например, в атоме гелия есть два электрона, которые вращаются по одинаковым орбитам с одинаковой скоростью, но в разных направлениях. Их вектора магнитной индукции будут направлены в разные стороны и в сумме дадут ноль.

Если диамагнетик поместить в магнитное поле, то будет наблюдаться картина, похожая на поднесение проводящего кольца к магниту из школьных опытов. Если помните, там кольцо отталкивается из-за явления электромагнитной индукции, о которой я рассказывал здесь. А дополнительное магнитное поле в атомах диамагнетиков будет направлено в противоположную сторону внешнему. Таким образом, диамагнетик, намагничиваясь, всегда выталкивается из внешнего магнитного поля.

Вообще диамагнетизм является универсальным свойством всех веществ, т.к. в их атомах есть вращающиеся электроны («витки с током»), и независимо от того, скомпенсированы ли у них магнитные поля или нет, во всех них внешнее магнитное поле будет приводит к возникновению хоть какого-то собственного поля, направленного против внешнего. Однако, это очень слабый эффект и часто маскируется другими более сильными магнитными свойствами и может ощутимо наблюдаться только в истинных диамагнетиках, где собственные поля скомпенсированы и больше никаких магнитных свойств нет.

К истинным диамагнетикам, у которых хоть как-то можно заметить его признаки, относятся элементы с заполненными электронными оболочками – инертные газы (гелий, аргон и др.) и благородные металлы (золото, серебро), а также медь, цинк (заполненные d-оболочки) и разные органические и неорганические молекулы со скомпенсированным магнитным моментом.

Парамагнетики ­­– вещества, имеющие собственное магнитное поле за счет движения электронов, которое не компенсируется, как у истинных диамагнетиков, постоянно для каждого вещества и не зависит от внешнего магнитного поля.

Обычно у атомов парамагнетиков, которые, как известно, похожи на витки с током, величина этого собственного поля маленькая, и тепловое хаотическое движение атомов приводит к случайному расположению магнитных моментов каждого атома и не дает им выстроиться в одном направлении, чтобы во всем теле возникло собственное магнитное поле. Но во внешнем магнитном поле магнитные моменты каждого атома, конечно же, начнут выстраиваться в направлении этого поля, и вещество начнет намагничиваться, а каждый атом со своим магнитным моментом внесет вклад в общее дело. Происходит это потому (опять упрощение), что на движущийся по орбите атома электрон действует сила Лоренца во внешнем магнитном поле, которая его отклоняет, изменяет его траекторию движения, и «атомный виток с током» поворачивается.

Но не все так просто, т.к. тепловое движение атомов по-прежнему мешает их магнитным моментам выстраиваться по направлению внешнего поля и происходит конкуренция между двумя этими явлениями. И, конечно же, самым главным арбитром, который решит спор, намагнитится ли в конце концов парамагнетик или нет, является температура. С повышением температуры атомы двигаются быстрее и хаотичнее, поэтому выстраивание магнитных моментов в одном направлении наиболее затруднено и намагниченность проходит вяло. Когда температура снижается, тепловое движение становится медленней, и тогда поворот «атомных витков» происходит легче.

К парамагнетикам относятся, в основном, атомы и молекулы с нечетным числом электронов, т.е. с нескомпенсированным магнитным моментом (например, щелочные металлы, или молекула NO), алюминий.

Этот материал требует немного знаний физики. Надеюсь, вы справитесь с пониманием. Пишите в комментариях вопросы, если где-то непонятно. Во второй части будет самое интересное. Выложу, как только наберем 40 реакций