Физика и химия плазмы и молекулярная физика

Физика и химия плазмы и молекулярная физика – научные направления, получившие развитие в Томском политехническом университете. Значительную роль в становлении физики плазмы сыграл выпускник Томского технологического института, крупнейший физик-теоретик, доктор технических наук, профессор Д.А. Франк-Каменецкий. Физика и химия плазмы и молекулярная физика – основные научные направления профессора Томского политехнического университета В.А. Власова.

Физика плазмы

Фи́зика пла́змы — раздел физики, изучающий свойства и поведение плазмы, в частности, в магнитных полях. Плазма рассматривается как неструктурированная квазинейтральная система из большого числа заряженных частиц с коллективной динамикой.

Для физики плотной плазмы справедливо утверждение, что её можно считать подразделом физики сплошных сред, так как при исследовании плотной плазмы речь идёт о макроскопическом поведении частично или полностью ионизованной сплошной среды. Однако разреженная плазма не всегда адекватно описывается методами механики сплошных сред.

Основные направления исследования:

- устойчивость плазмы во внешних полях;

- волны в плазме;

- электрические, магнитные и оптические свойства плазмы;

- диффузия, проводимость и другие кинетические явления в плазме;

- динамика плазмы с вмороженным в неё магнитным полем (магнитогидродинамика);

- физика космической плазмы (ионосфера, структура звёзд, плазма в межзвёздном и межгалактическом пространстве);

- турбулентность в плазме;

- динамические нелинейные структуры в плазме;

- коллективные явления в плазме.

Основные применения:

- удержание плазмы в магнитных ловушках (Токамак, Стелларатор); управляемый термоядерный синтез;

- магнитогидродинамический генератор;

- плазменный ракетный двигатель

Плазмохимия

Плазмохимия - раздел физической химии, изучает химические и физико-химические процессы в низкотемпературной плазме.

Низкотемпературной принято считать плазму с температурой 103—105 °C и степенью ионизации 10−6—10−1, получаемую в электродуговых, высокочастотных и СВЧ газовых разрядах, в ударных трубах, установках адиабатического сжатия и другими способами. В плазмохимии важно разделение низкотемпературной плазмы на квазиравновесную, которая существует при давлениях порядка атмосферного и выше, и неравновесную, которая получается при давлениях менее 30 кПа и в которой температура свободных электронов значительно превышает температуру молекул и ионов. Это разделение связано с тем, что кинетические закономерности квазиравновесных процессов определяются только высокой температурой взаимодействующих частиц, тогда как специфика неравновесных процессов обусловлена большим вкладом химических реакций, инициируемых «горячими» электронами.

Примером плазмохимической технологии служат: синтез ацетилена из природного газа (электродуговая печь, 1600 °C): 2CH4 → С2Н2 + 3H2.

Молекулярная физика

Молекулярная физика — раздел физики, который изучает физические свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения. Задачи молекулярной физики решаются методами статистической механики, термодинамики и физической кинетики, они связаны с изучением движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физические тела.

Круг вопросов, охватываемых молекулярной физикой, очень широк. В ней рассматриваются: строение вещества и его изменение под влиянием внешних факторов (давления, температуры, электромагнитного поля), явления переноса (диффузия, теплопроводность, вязкость), фазовое равновесие и процессы фазовых переходов (кристаллизация, плавление, испарение, конденсация), критическое состояние вещества, поверхностные явления на границах раздела фаз.