Низкотемпературная плазма и важность азота

Размещено на http://www.allbest.ru/

Плазма

Изменяя температуру от наиболее низкого уровня, соответствующего технике глубокого охлаждения (несколько градусов от абсолютного нуля), до нескольких тысяч градусов мы можем заставить практически любое вещество пройти через все три состояния - твердое, жидкое и газообразное

Плазма, являющаяся наиболее распространенным состоянием вещества во вселенной (звезды, межзвездная среда, ионосферы планет), на Земле в природных условиях встречается лишь при грозовых разрядах и в пламени. В лаборатории и промышленности, однако, вещество в плазменном состоянии встречается весьма широко. Одним из ее наиболее важных, в перспективе, применений, является управляемый термоядерный синтез, осуществление которого позволило бы человечеству в значительной мере решить энергетическую проблему. Что же касается низкотемпературной плазмы, то она широко применяется в радиоэлектронных приборах, плазмотронах, МГД-генераторах, газовых лазерах и многих других устройствах, а в последние годы и в промышленных технологиях. Наиболее важными характеристиками плазмы являются температура и плотность заряженных частиц. Имеется целый ряд природных плазменных космических объектов, температура которых превышает миллион градусов (100 эВ). Такую плазму называют высокотемпературной. В течение последних пятидесяти лет высокотемпературную плазму получают и исследуют в лаборатории, хотя грандиозные современные термоядерные установки типа JET уже трудно назвать “лабораторными” устройствами.

Температура большинства земных и ряда космических объектов не превышает десяти электрон-вольт. Поскольку потенциалы ионизации и диссоциации атомов и молекул лежат между 2 и 20 эВ, такая среда представляет собой, очевидно, не полностью ионизованный и диссоциированный газ.

Если плотность заряженных частиц в газе очень мала, то они взаимодействуют, в основном, с нейтральными частицами. Такое взаимодействие является короткодействующим, и основную роль в таком ионизованном газе играют парные столкновения. Когда плотность заряженных частиц возрастает, постепенно возрастает роль взаимодействия заряженных частиц друг с другом.

Важнейшей характеристикой при этом является величина радиуса дебаевского экранирования

Именно в том случае, когда дебаевский радиус меньше характерных размеров ионизованного объекта, среду принято называть плазмой. Если приложить к плазменному объекту внешнее поле, то оно будет проникать внутрь на глубину лишь порядка дебаевского радиуса. Величина его, которая может меняться для разных объектов от микроскопических до космических размеров, приведена в таблице 1.

Таблица 1

Дебаевский радиус r_D,см

Важность азота в жизни

В земной атмосфере около 78% азота. Естественно интересоваться: какое значение для организма может иметь газ, наполняющий легкие в количестве, которое превосходит объем выдыхаемого кислорода более чем в 3,5 раза? Организмы усваивают азотистые соединения через пищу - это хорошо известно. Но есть ли, помимо пищи, дополнительные каналы для ассимиляции азота? Такой вопрос встал перед учеными около 240 лет назад и до сих пор не утратил остро дискуссионного характера.

Азот открыли в 1772 году почти одновременно несколько учёных. В те годы в период расцвета химии газов, исследователей особенно привлекали загадки горения и дыхания. В 1774 году был открыт кислород, название в начале «дефлогистированным» и даже «райским воздухом». Изучая состав атмосферы, химики нашли, что в ней содержится около 21% кислорода, а остальное приходиться, как тогда полагали, на долю азота.

Уже в 1775 году А.Лавуазье сформулировал основные положения кислородной теории дыхания. По мнению этого выдающегося французского химика, азот - лишь инертный разбавитель кислорода в атмосфере, в процессе дыхания он никак не участвует. Исходя из своей теории, Лавуазье настаивал на «безжизненности» азота.

Агрохимики начала XIX века считали навоз источником углеродного питания растений. Но вскоре открыли: углерод из почвы растения не усваивают. Его единственным источником служит углекислота, поглощаемая из воздуха через листья (фотосинтез). В связи с этим возник вопрос: не берут ли растения из воздуха и азот? Ученый Ю. Либих в 1840 году выдвинул идею поглощения растениями аммиака из воздуха.

В 1876 году М. Бертло показал, что растения неравнодушны к «безжизненному» газу в присутствии электрических разрядов. Позднее он экспериментально обнаружил работу почвенных бактерий в процессе усвоения азота.

В 1890 году Д. Пристли анализировал вдыхаемый и выдыхаемый животными воздух. И пришел к заключению: атмосферный азот поглощается кровью. Этот вывод спустя10 лет подтвердил Г. Дэви, но идея не получила дальнейшего развития.

Правда, уже в нашем столетии физиологи Ренгаульт и Райзе подметили, что сурки во время зимней спячки воспринимают некоторое количество азота воздуха. Животные спят и, тем не менее, увеличиваются в весе! Подобные явления наблюдали и у некоторых видов рыб.

Живые организмы могут усваивать «безжизненный» газ атмосферы. Эта мысль, как видим, давно привлекала внимание исследователей. Но лишь на долю профессора М. Волского выпала честь подлинного первооткрывателя.

Горьковский ученый совершил одно из выдающихся открытий современности. Проблема, над которой ученые бились 240 лет, получила, наконец, принципиальное решение. И мы можем теперь сказать: да, «безжизненный» газ способен нести жизнь.

В наше время «инертность» азота исследуется со всех сторон. И вот результат: некоторые комплексные соединения металлов - кобальта, молибдена, рутения, иридия, титана - способны связывать молекулярный азот даже при комнатной температуре. Пигмент микроорганизмов - ферролегоглобин, родственный гемоглобину нашей крови, образует с азотом прочное соединение.

В 1951 году горьковский учённый М. Волский вопреки господствующему мнению, что высшие животные и растения способны усваивать из атмосферы молекулярный азот. И не только способны усваивать, но и даже нуждаются в нем. Без этого газа высшие организмы вообще не могут нормально развиваться. Доказать это было нелегко. Вспомним: животные потребляют азот, но в виде химических соединений, например белков в пище.

Профессор Волский остроумно обошел трудности. Он выбрал для опытов куриные и перепелиные яйца. В цыпленке, только что вылупившемся на свет и не получавшем никакой пищи, азота было больше, чем в самом яйце. «Лишний» азот развивающийся эмбрион усваивал из воздуха.

Для проверки часть обычного атмосферного азота с атомным весом 14 заменяли его тяжелым изотопом с атомным весом 15. и этот изотоп, которого в яйце не было, организм цыпленка, тем не менее, усвоил. Подобные опыты проводились с яйцами голубя, куколками пчел, с кукурузой. И везде найдены доказательства того, что организмы усваивали азот из атмосферы. Открытие советского ученного опровергли вековую догму, будто усваивать свободный азот могут только особые клубеньковые бактерии, живущие на корнях бобовых растений.

Позднее о способности небобовых растений связывать молекулярный азот сообщили и другие ученные: профессор Г. Шандерл, советские исследователи Ф. Тургин, З. Бересенва, Г. Жидких. Удалось даже выделить из высших растений препараты, реагирующие с этим газом. Выяснилось: атмосферный азот связывают почвенные бактерии, окисляющие метан, и грибок, разрушающий дерево.

А теперь об опыте, который показал, как необходим свободный азот для организма. Волский проверил сравнительную инкубацию куриных яиц в обычном воздухе и в атмосфере, где азот почти полностью заменен соответствующим количеством аргона. Оказалось, что без азота цыплята нормально не развиваются. В аргонном воздухе они либо вообще гибнут, либо выходят маленькими, хилыми, заморенными. Позднее американец Ален нашел причину: без азота у эмбрионов плохо формируется сосудистая система.

В какой-то мере азот способен усваивать азот и человек. Следуя М. Волскому, к этому мнению недавно пришли и немецкие ученные У. Шмид и К. Муйсер.

Открытия горьковского ученого ведут к важным следствиям. Отметим только одно. В атмосфере, не содержащей азота, человек не может жить длительное время. Это уже учли конструкторы космических кораблей, предназначаемых для длительных полетов. Если раньше для герметичной кабины предусматривали кислородно-гелиевую атмосферу, то теперь в её состав намерены включить азот.

Способы сделать малоактивные соединения более активными есть. Так, под влиянием слабого электрического разряда обычный молекулярный азот переходит в атомарный, у которого повышенная способность к взаимодействию с другими элементами. Многие вещества, особенно органические, становятся химически активнее в присутствии некоторых соединений металлов.

плазма термоядерный низкотемпературный азот

Чудо в стакане воды

Укрепить в пустом флаконе от шампуня пару углей, налейте в него кипяченой воды, бросьте щепотку соли и подайте на угли постоянный ток. Между ними вспыхнет ослепительно яркая электрическая дуга, а вверх побегут пузырьки газа.

Если вы сумеете измерить объем выделяющегося газа, то окажется что он в 4 раза выше, чем должно быть по законам электролиза. А если бы удалось ещё провести химический анализ газа, то оказалось бы, что в нем присутствуют элементы, которых нет в воде.

Выше описан опыт, который поставил в 2003 году французский ученный Жан-Луис Надин. Он точно замерил тогда объем выделяющегося газа и сделал его химический анализ.

Всего в эксперименте за час выделилось 180 л газа - 80 л водорода и 85 л окиси углерода. А оставшиеся 15 л лен, азота и углекислый газ.

Водород - это логично - получался за счёт разложения воды постоянным током. Но его вышло в 2,3 раза больше, чем полагается по упомянутым уже законам электролиза. Какое-то количество могло образоваться при тепловом разложении молекул воды в электрической дуге, но и здесь концы с концами не сходятся.

Ещё больше удивляет возникновение окиси углерода и других газов, содержащих углерод. Для их получения потребовалось бы 45 граммов углерода. В воде его нет, но может быть, он образовался из горящих углей? В эксперименте электроды практически не изменили своих размеров, да и вообще их масса была всего 18 г. Остается лишь предположить, что в электрической дуге углерод образуется из других элементов. А это возможно лишь в результате ядерных реакций, сродни тем, что идут на звёздах.

Надин показал, что выделяющаяся смесь газов прекрасно горит. При этом в конечном итоге выделяется в 1,3 раза больше тепловой энергии, чем затрачивается на работу всего устройства, которое он назвал реактором.

Если же, предположил учённый, добавить сюда и тепло, возникающее непосредственно внутри реактора, то можно получить четырёхкратный выигрыш по сравнению с затратами электроэнергии.

Удивительно, но явление такого рода наблюдались давно.

Ещё в 1880г. Необъяснимое выделение энергии при электролизе открыл профессор Петербургского университета Николай Петрович Слугинов (1857-1897). Тогда ученый мир отнесся к этому открытию с недоверием… Его устройство в упрощенном варианте повторил Ж.-Л. Надин.

В 1994г. Ученые из Магнитогорска А.В. Вачаев, Н.И. Иванов, Г.А. Павловская создали установку, где плазменный разряд в воде вызывал синтез множества новых химических элементов. На некоторых режимах работы установка непосредственно вырабатывала электрическую энергию.

Можно привести и другие опыты, в которых отмечается образование новых элементов и появление энергии. К сожалению, официальная наука о них, как прежде, молчит.

Список литературы:

1. Справочник по физике Академия наук Украинской ССР, Институт металлофизики И.М. Дубровский, Б.В. Егоров, К.П, Рябошапка - Киев, Наукова думка 1986.

2. Элементарный учебник физики. - Под редакцией академика Г.С. Лансберга (том III «Колебания, волны. Оптика. Строение атома») - Издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы. - Москва 1971.

3 Научная статья «Активность неактивных» В. Кузнецова, доктор химических наук, профессор и «В спорах об азоте» Н. Фигуровский, доктор химических наук, заместитель директора Института истории естествознания и техники АН СССР - журнал «Техника молодёжи» 1968 года.

Размещено на Allbest.ru