'
Научный журнал «Вестник науки»

Режим работы с 09:00 по 23:00

zhurnal@vestnik-nauki.com

Информационное письмо

  1. Главная
  2. Архив
  3. Вестник науки №6 (87) том 1
  4. Научная статья № 228

Просмотры  84 просмотров

Сухоносов В.Я.

  


СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ ВОДЯНОЙ ПЛАЗМЫ И АВТОНОМНОГО РИДБЕРГОВСКОГО СФЕРОИДА *

  


Аннотация:
рассмотрена физико-химическая модель излучения водяной плазмы. На начальном этапе формирования плазмы на фоне непрерывного спектра излучения имеются многочисленные линейчатые линии атомов, растворенных в воде примесей и атомов эрозии электродов. В процессе эволюции спектра возникают полосатые спектры возбужденных гидроксилов и молекул СаОН. На основе модели излучения водяной плазмы сделан вывод, что плазма скользящего искрового разряда порождает светящийся ридберговский сфероид.Ридберговский сфероид является метастабильным конденсатом высоковозбужденных молекул. Сфероид является накопителем электронной энергии ридберговских молекул и источником квазимонохроматического света с длиной волны 600 нм и со спектральной шириной полосы излучения, равной 20 нм. Цветовая температура сфероида равна 2700 К, что близко к цвету излучения лампы накаливания мощностью 100 Вт.   

Ключевые слова:
плазма, спектры, конденсат, ридберговский сфероид, квазимонохроматический свет   


DOI 10.24412/2712-8849-2025-687-1852-1867

ВВЕДЕНИЕ. В результате скользящего искрового разряда по поверхности воды из каналов разрядной плазмы возникает долгоживущее светящееся образование (ДСО). Скользящий искровой разряд с образованием ДСО носит название гатчинский разряд [1]. Одним из основных свойств ДСО является его интенсивное и продолжительное свечение в видимой и в ИК [2] областях спектра излучения. Специфика ДСО как источника света заключается в том, что он является автономным источником света с чрезвычайно большим временем жизни, равным ~ 1 с в видимом и более 1,5 с в ИК диапазоне спектра.Многие исследователи считают, что ДСО представляет собой облако разрядной плазмы (плазмоид) с диаметром ~ 10 – 20 см. Однако в рамках такой модели возникают две фундаментальные проблемы. Первая - какой механизм ответственен за накопление энергии ДСО, которая затем высвечивается при его автономном существовании. Вторая проблема заключается в обосновании необычно большого среднего времени жизни ДСО. Хорошо известно, что среднее время жизни плазмы равно ~ 1 мс, что на три порядка меньше времени жизни ДСО. Плазмоид исследуется уже более 20 лет, но ответ на очевидные обозначенные противоречия до сих пор не найден.Многолетний интерес исследователей к ДСО связан с тем, что многие его свойства весьма похожи на свойства шаровой молнии. Шаровая молния возникает в грозу в результате разряда линейной молнии, когда атмосфера воздуха наполнена влагой. Поэтому для моделирования этого сложного явления была выбрана вода и скользящий по ее поверхности электрический разряд. Предполагают, что ДСО может быть лабораторным аналогом шаровой молнии.На основе такого ДСО можно создать мощный импульсный источник излучения. Полагают, что модель ДСО можно применить к исследованию проблем термоядерных реакций в плазме, удерживаемой магнитным полем [3]. Кроме того, интерес исследователей связан с очарованием наблюдаемого эффекта и с исключительной простотой его реализации [4].Цель настоящей работы состояла в том, чтобы показать, что основные противоречия модели ДСО можно преодолеть, предположив, что ДСО является конденсатом ридберговских молекул (РМ), образующимся в разрядном канале водяной плазмы.ФИЗИКО–ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИЗЛУЧЕНИЯ ВОДЯНОЙ ПЛАЗМЫ.Скользящий искровой поверхностный разряд в воде возникает при взаимодействии быстрых электронов с молекулами воды. В результате реакцийН2О + e- → Н2О+ + 2e- (1)Н2О+ + Н2О → Н3О+ + OH* (2)Н2О + e- →Н. + ОН- (3)2Н2О + 2e- → Н2 + 2 ОН- (4)образуются ионы и лавина электронов и формируется разрядный канал, который представляет собой водяную плазму. В экспериментальной работе [5] было показано, что через 8 мс после возникновения в воде скользящего разряда вся ее поверхность излучала свет. Это означает, что к этому моменту времени образовался светящийся плазменный лист. Существование плазменного листа поддерживает развивающаяся лавина электронов и вновь образуемые ионы.Со временем в канале протекает рекомбинация электронов и ионов:Н2О+ + e- → Н2О* (5)Н3О+ + e- → ОН* + Н2 (6)Н3О+ + e- → Н* + Н2О (7)Н3О+ + e- → ОН* +2Н (8)ОН- + e- → ОН* + 2e- , (9)которая приводит к гибели плазмы.Спектр излучения водяной плазмы. Спектр излучения плазмы имеет очень сложную структуру в виде комбинированного спектра. Спектр представляет собой комбинацию сплошного спектра, линейчатых атомарных спектров и полосатых спектров гидроксилов, молекул СаОН и других молекул.Сплошной спектр излучения. Излучение плотной водяной плазмы имеет сплошной спектр, связанный с рекомбинацией ионов и свободных электронов в реакциях (5) – (9). Сплошной спектр был обнаружен в эксперименте, что является прямым доказательством существования рекомбинационного излучения [5]. По мере гибели плазмы интенсивность рекомбинационного свечения будет нарастать. Действительно, через ~ 58 мс после разряда интенсивность сплошного спектра излучения увеличивается в разы по сравнению с интенсивностью на начальном этапе возникновения плазмы [5]. Этот результат является нетривиальным и свидетельствует о том, что излучательная рекомбинация (реакции (5) – (9)) является весьма вероятным процессом.Линейчатые атомарные спектры. Наряду с заряженными частицами в канале также образуются возбужденные состоянияН2О + e- → Н2О* + e-, (10)которые за время ~ 10-12 с распадаются в реакции:Н2О* → Н + OH*, (11)или Н2О* → Н* + OH . (12)В разрядном канале образуются также ридберговские молекулы Н2О** :Н2О + e- → Н2О** + e-, (13) .На начальном этапе формирования плазмы, в соответствии с реакциями (7) и (12), имеют место линии излучения атомов водорода Нα (656 нм) и Нβ (485 нм) из серии Бальмера. Эти линии были обнаружены в экспериментах работах [2, 6,7]. Большую интенсивность имела красная линия с диной волны 656 нм. Кроме того, вода содержит разбавленный кислород, который под действием быстрых электронов распадается на атомарный:О2 + e- → 2 О*.Линия кислорода с диной волны 777 нм была идентифицирована в работе [2]. Атомарный кислород быстро взаимодействует с кислородом, образуя озон:О* + О2 → О3. (14)Исходная вода, являясь сильным растворителем, содержит минеральные соли кальция, натрия, калия и других элементов в виде примеси. При электрическом разряде происходит возбуждение атомов:Са + e- → Са* (15)Са + e- → (Са+)* (16)Na + e- → Na* (17)K + e- → K* (18)Излучение возбужденных атомов Са*, Na*, K* и ионов (Са+)* было обнаружено во многих экспериментах. Возбужденный атом кальция имеет следующие линии: СаI - фиолетовые линии с длинами волн 387 нм,393,36 нм, 397,37 нм и голубые линии - 498,28 нм, 616, нм, Возбужденные атомы натрия излучают интенсивные желтые линии с длинами волн –568 нм, 588,9 нм, 589,5 нм. Наибольшую интенсивность излучения имели линии с длинами волн 588,9 и 589,5 нм. Возбужденный ион кальция [Са+]* излучает в инфракрасной области: 854,2 нм, 866,21 нм [5]. В инфракрасной области также излучают атомы натрия с длиной волны 819,4 нм и атомы калия с длинами волн 766,4 нм и 769,8 нм.Скользящий разряд в воде сопровождается повышенной эрозией медного электрода установки с образованием возбужденных атомов медиCu + e- → Cu*. (19)Поэтому в комбинированном спектре присутствуют интенсивные атомные линии Cu I в ультрафиолетовой области с длинами волн - 324,7 нм, 327,4 нм, а также яркие зеленые линии - 510,5 нм, 515,3 нм, 521,8 нм, 529,2 нм, желтые линии - 570 нм, 578,2 нм [2,8].Полосатые спектры излучения гидроксилов и молекул СаОН. В разрядном канале возбужденные радикалы гидроксила нарабатываются в реакциях (2), (6), (8), (9) и (11). Энергия в радикалах гидроксила накапливается в виде колебательно – вращательной энергии. Молекулярную полосу излучения OH (A2Ʃ+ → X2П) с λ= 290 – 325 нм наблюдали во многих экспериментах [2, 5 - 8].Интенсивность излучения радикалов увеличивается в течение всего времени протекания тока в канале (до ~ 100 мс). Радикалы гидроксила являются чрезвычайно химически активными и гибнут в реакциях:OH* + OH→ Н2О2 (20)OH*+ H→ Н2О . (21)OH*+ Са→ СаOH* (22).Поэтому со временем происходит медленное затухание излучения радикалов гидроксила. Среднее время жизни радикалов OH (A2Ʃ+) равно ~ 1 мкс [9].Таким образом, спектр излучения водяной плазмы представляет собой сплошной спектр, на фоне которого имеются многочисленные атомарные линейчатые линии и полосатые молекулярные спектры. Комбинированный спектр излучения простирается от ультрафиолетовой до инфракрасной области. Спектр излучения является люминесцентным.Спектр излучения плазмы в момент образования струи. Через 8 мс после возникновения скользящего разряда по поверхности воды вокруг катода образуется плазменный лист. Из катода поднимается струя над поверхностью воды [5, 10]. Через 12 мс после разряда образуется купольная структура. Поднимающаяся струя и купольная структура ко времени 80 мс формируют грибовидную структуру[11]. К этому времени в разрядном канале интенсивно протекает рекомбинация электронов и ионов в реакциях (5) – (9), что приводит к росту интенсивности сплошного спектра. Многие атомы меди, кальция, натрия и ионы кальция высвечиваются, и их линии в спектре исчезают. Концентрация радикалов гидроксила нарастает, и интенсивность их излучения растет.В работе [5] было установлено, что ко времени 58 мс в спектре излучения остается только одна фиолетовая линия Са с длиной волны422, 62 нм, желтые линии Na с длинами волн - 568,82 нм, 588,9 нм, 589,5 нм, а также линии К – 766,4 нм и 769,8 нм. В инфракрасной области находится линия Са с длиной волны 819,4 нм. В спектре появилась полоса ОН с максимумом в области 623,54 нм. Кроме того, была обнаружена яркая полоса с максимумом в области 600 нм, которая не была идентифицирована.На кадрах видеосъемки [10] хорошо видно, что струя в момент формирования имела ярко фиолетовый цвет. Со временем, к моменту образования грибовидной структуры, струя стала окрашиваться в желто – оранжевый цвет. По - видимому, это связано с излучением атомов натрия и радикалов гидроксила.Таким образом, в результате эволюции исходного спектра водяной плазмы ко времени 58 мс после разряда в спектре остались только линии излучения NaI, KI. Дополнительно к ним появилась молекулярноподобная полоса ОН (623,54 нм), а также молекулярноподобная неопознанная полоса с интенсивной центральной линией с длиной волны 600 нм. К этому времени сформировалась грибовидная структура.ИЗЛУЧЕНИЕ АВТОНОМНОГО РИДБЕРГОВСКОГО СФЕРОИДА.Ко времени ~ 100 мс электрический разряд в плазме прекращается, грибовидная структура теряет гальваническую связь с разрядным каналом и происходит трансформация грибовидной структуры в светящийся сфероид. Экспериментально было доказано, что сфероид имеет оболочку и ядро [6].Причем, цвет оболочки и ядра существенно зависит от экспозиции видеокадра. На видеокадре с высокой экспозицией оболочка имеет красный цвет, а ядро белый. При низкой экспозиции оболочка имеет красный цвет, а ядро желтый. Сфероид поднимается в воздух со скоростью ~ 1м/с и начинает свой автономный полет. Многочисленные эксперименты показывают, что при этом остаток струи втягивается в сфероид [2]. Интенсивное и продолжительное излучение света является одной из важнейших свойств автономного сфероида.Необходимым условием излучения света сфероидом является наличие механизма накопления энергии. Кроме того, эта энергия должна высвечиваться в автономном режиме в течение достаточно продолжительного времени ~ 1 - 2 с. Из физико-химической модели образования и излучения водяной плазмы реакции (1) - (22) следует, что, если не учитывать образование РМ в реакции (13), единственным кандидатом на люминесценцию сфероида являются молекулы СаOH*. Именно такой вывод был сделан в работе [6]. Полагали, что энергия ДСО накапливается в молекулах СаOH*. Затем имеет место излучениеСаOH(В2Ʃ+ → X2 Ʃ+) ~ 544- 567 в зеленой области и излучение СаOH(А2П → X2 Ʃ+)~ 586 – 651 в желто –оранжево –красной области видимого спектра. Считали, что именно излучение молекул СаOH* определяет цвет ДСО.Такой механизм излучения света ДСО справедлив только в случае, когда ДСО имеет гальваническую связь с разрядным каналом, как это наблюдали на время 58 мс в работе [5]. Время жизни СаOH* равно ~ 1 мкс, поэтому длительное излучение СаOH* в автономном режиме ДСО невозможно. Именно поэтому в эксперименте [5] на время 290 мс излучение СаOH* отсутствует.Это противоречие можно преодолеть, если предположить, что в разрядной плазме в реакции (13) образуются ридберговские молекулы Н2О**с большой концентрацией. Особенность этих молекул состоит в том, что они имеют очень большое время жизни, равное 58 мкс. В результате большой концентрации молекул и большого их времени жизни через 12 мс после разряда начинает формироваться конденсат высоковозбужденных молекул воды из n гексагональных кластеров [(Н2О**)6]n [12]. Аэрозоль частичек РМ с цилиндрической геометрией поднимается над поверхностью воды. Такой поток частичек экспериментаторы называют струей.Визуальное наблюдение потока частиц служит доказательством образования конденсата. Дополнительным подтверждением образования конденсата могут служить масс – спектроскопические данные по обнаружению димеров [(H2O)2H]+) и тримеров [(H2O)3H]+ воды [13]. Кроме того, конденсат РМ c упорядоченной структурой должен проявлять себя в виде оптических неоднородностей. Действительно, в работе [14] был обнаружен водный аэрозоль в структуре ДСО. Наконец, частицы конденсата имеют большое поверхностное натяжение, что должно приводить к формированию конденсата в виде структур сферической формы. Именно поэтому, на начальном этапе формирования структуры сначала возникают купольная и грибовидная структуры, а затем сфероид. Согласно данному механизму, сфероид является накопителем энергии в виде электронного возбуждения РМ.Ридберговские молекулы являются метастабильными возбуждёнными молекулярными состояниями с временем жизни 5,8·10-5 с, что значительно больше спонтанное излучения обычных возбуждённых состояний с характерным временем ~10-8 секунд. При конденсации пара РМ возникает метастабильный конденсат РМ вдали от состояния термодинамического равновесия, но вблизи порога самоорганизации.Переходы с метастабильных возбуждённых уровней запрещены правилом отбора и являются устойчивыми к малым возмущениям. Однако большие возмущения, вблизи порога самоорганизации, вызывают переходы в новые устойчивые состояния. Поскольку возникновение таких больших флуктуаций есть лишь вопрос времени, то метастабильный конденсат РМ имеет конечное, но достаточно большое время жизни. Время жизни конденсата обусловлено либо временем высвечивания его высоковозбужденных молекул, либо его распадом. Многочисленные эксперименты показывают, что время жизни сфероида, как метастабильного конденсата, равно 1 – 2 секунды.Время жизни автономного сфероида tж без учета времени жизни плазменного канала, равного ~ 100 мс, и его основные параметры такие, как начальный диаметр d0 и его конечный диаметр d существенно зависят от запасенной энергии Е0 конденсаторной батареи. Расчетные данные, полученные на основе экспериментальных данных [8], приведены в табл.1.Таблица 1. Зависимость параметров автономного сфероида от запасенной энергии Е0 конденсаторной батареи.Запасенной энергии батареи, равной 657 Дж, недостаточно для образования сфероида. Образуется только купольная структура. Из табличных данных следует, что время жизни сфероида пропорционально Е0. Для Е0 ≥ 1350 Дж имеем tж ≈ 0,08 Е0. Из табличных данных также следует, что скорость роста диаметра сфероида v = ≈ 0,4 незначительно зависит от энергии Е0. Поэтому, зависимость диаметра сфероида от времени его жизни можно представить формулой d(t) = d0 + 0,4t. За время жизни сфероида (для запасенной энергии более 2000 Дж) его диаметр приблизительно удваивается d/d0 ≈ 2.Несмотря на приближенный характер приведенных зависимостей, они позволяют качественно правильно оценивать время жизни tж сфероида и его диаметр d. Например, в работе [6] использовалась конденсаторная батарея с энергией 8 кДж. Оценочное время жизни равно tж ≈ 0,08 Е0 = 640 мс. Значение d0 в статье не приведено, поэтому будем считать d(t) = d0 + 0,4 t ≈ 0,4 t = 256 мм. Экспериментальные данные равны tж = 500 мс, d = 200 мм.Из многочисленных экспериментальных работ также следует, что время жизни сфероида tж зависит от многих других факторов: от размера и геометрической формы катода, напряжения между электродами, от величины и длительности импульса тока, от электропроводности воды.Спектр излучения автономного ридберговского сфероида.Молекулы РМ являются водородоподобными и излучают свет в виде полос, доминирующие линии которых совпадают с линиями излучения атомов водорода, см. табл.2. При образовании конденсата РМ происходит сдвиг линии с длиной волны 485 нм в длинноволновую область и возникает линия с длиной волны 600 нм [5]. Полагаем, что другие линии имеют такие же смещения и формируют спектр конденсата РМ, который представлен в табл. 2. Возникновение молекулярной полосы, сдвинутой в красную область, дополнительно свидетельствует об образовании метастабильного конденсата РМ.Из табл.2 следует, что автономный ридберговский сфероид излучает оранжевую полосу с доминирующей длиной волны 600 нм, а также лучи ближнего ультрафиолета с длиной волны 302 нм и инфракрасный свет с длинами волн 771 нм и 1085 нм. Существование инфракрасного излучения сфероида, наряду с излучением в видимой области спектра, имеет экспериментальное подтверждение в [2]. В процессе эволюции спектра ослепительно белый свет разрядной плазмы сменяется на оранжевый цвет сфероида.Таблица 2. Доминирующие спектральные линии РМ и конденсата РМ.Наряду с молекулярноподобным спектром, сфероид имеет желтые линии излучения NaI с длинами волн 588,9 нм, 589,5 нм и интенсивную линию 819,4 нм, а также низкоинтенсивные линии KI с длинами волн 766,4 нм, 769,8 нм [5]. Щелочные металлы натрий и калий, имея низкие значения энергий ионизации и сродства к электрону, образуют кластеры гидратированных ионов. Аквакомплексы натрия [Na(H2O)6]+ и калия [К(H2O)6]+ образуются в результате ион-дипольного взаимодействия. При гидратации связи O–H ослабляются, вызывая красные смещения для режимов колебаний растяжения O–H. Возможно, что в работе [5] наблюдали излучение именно аквакомплексов натрия и калия.Основной вывод данного анализа заключается в том, плазма скользящего искрового разряда порождает светящийся ридберговский сфероид.Основные характеристики света, излучающего сфероидом.Считаем, что процесс излучения сфероида имеет нормальное распределение. Форма спектра люминесценции удовлетворительно описывается одной элементарной симметричной полосой в форме кривой Гауссаf(λ) = ,где m — положение максимума излучения, σ — стандартное отклонение, связанное с полушириной спектра излучения 2σ ≈ 2,355σ. Под полушириной понимаем σ. Доминирующая длина волны излучения m = λmax = 600 нм. Спектр люминесценции простирается от коротковолновой границы λкг = 460 нм до длинноволнового крыла λдг = 740 нм экспериментального спектра [5]. Спектральная ширина полосы излучения Δλ на половине максимальной интенсивности Imax равна ~ 2 σ = Δλ ~ 20 нм. Для сравнения типичная величина ширины полосы излучения светодиодов равна Δλ нм. Излучаемый сфероидом свет оранжевого цвета лежит в узком диапазоне спектра 590 нм < λ < 610 нм и является квазимонохроматическим с цветовой температурой 2700 К, что близко к цвету излучения лампы накаливания мощностью 100 Вт.Угасание свечения сфероида. В начале своего существования сфероид возникает из разрядной плазмы, испуская интенсивный поток фотонов в видимом диапазоне оптического спектра. Температура сфероида близка к комнатной, и излучение тепла не наблюдается. Фотоны сфероида либо рассеиваются на азоте и кислороде воздуха, либо поглощаются воздухом за время ~ 10-6 с. В результате этого происходит угасание сфероида, и он исчезает для наблюдателя в видимом свете.Однако сфероид продолжает излучать свет в ИК - области спектра с диной волны 1085 нм, см. табл.2. Это значение очень близко к экспериментальной длине волны, равной 1100 нм [2]. ИК – излучение взаимодействует с воздухом значительно слабее, чем фотоны видимого спектра, поэтому сфероид исчезает в видимом свете, но остается видимым в ИК области. В этом случае сфероид будет казаться «черным». Ко времени 500 мс автономный сфероид принимает форму эллипсоида, а затем трансформируется в устойчивую тороидальную структуру со временем жизни более 1,5 с. Время наблюдения сфероида в ИК - области спектра существенно зависит от влажности воздуха и от содержания углекислого газа в силу того, что вода и углекислый газ сильно поглощают ИК-излучение.ЗАКЛЮЧЕНИЕ.Из анализа физико-химической модели излучения водяной плазмы следует, что на начальном этапе формирования плазмы спектр излучения является сплошным, что связано с рекомбинацией ионов и свободных электронов. На фоне сплошного спектра имеются многочисленные атомарные линейчатые линии атомов, растворенных в воде примесей и атомов эрозии электродов. Спектр излучения является люминесцентным и простирается от ультрафиолетовой до инфракрасной области.В процессе эволюции спектра на стадии существования грибовидной структуры многие атомы высвечиваются и их линии исчезают. Возникают полосатые спектры возбужденных гидроксилов и молекул СаОН, интенсивность излучения которых растет. На основе модели излучения водяной плазмы сделан вывод, что плазма скользящего искрового разряда порождает светящийся ридберговский сфероид.Ридберговский сфероид является метастабильным конденсатом ридберговских молекул с временем жизни около двух секунд. Сфероид является не только накопителем электронной энергии молекул, но также и источником квазимонохроматического света с длиной волны 600 нм. Спектральная ширина полосы излучения равна 20 нм, цветовая температура - 2700 К, что близко к цвету излучения лампы накаливания мощностью 100 Вт.Спектр излучения автономного сфероида, наряду с полосой излучения в видимой области, содержит также полосатые линии в ближнем ультрафиолете с доминирующей длиной волны 302 нм и в инфракрасный области с доминирующими длинами волн 771 нм и 1085 нм.

  


Полная версия статьи PDF

Номер журнала Вестник науки №6 (87) том 1

  


Ссылка для цитирования:

Сухоносов В.Я. СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ ВОДЯНОЙ ПЛАЗМЫ И АВТОНОМНОГО РИДБЕРГОВСКОГО СФЕРОИДА // Вестник науки №6 (87) том 1. С. 1852 - 1867. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23804 (дата обращения: 17.07.2025 г.)


Альтернативная ссылка латинскими символами: vestnik-nauki.com/article/23804



Нашли грубую ошибку (плагиат, фальсифицированные данные или иные нарушения научно-издательской этики) ?
- напишите письмо в редакцию журнала: zhurnal@vestnik-nauki.com


Вестник науки © 2025.    16+




* В выпусках журнала могут упоминаться организации (Meta, Facebook, Instagram) в отношении которых судом принято вступившее в законную силу решение о ликвидации или запрете деятельности по основаниям, предусмотренным Федеральным законом от 25 июля 2002 года № 114-ФЗ 'О противодействии экстремистской деятельности' (далее - Федеральный закон 'О противодействии экстремистской деятельности'), или об организации, включенной в опубликованный единый федеральный список организаций, в том числе иностранных и международных организаций, признанных в соответствии с законодательством Российской Федерации террористическими, без указания на то, что соответствующее общественное объединение или иная организация ликвидированы или их деятельность запрещена.