Plazma (fyzika)

Plazmová lampa, ilustrujúca zložitejší fenomén plazmy vrátane filamentácie

Plazma je vysoko ionizovaný plyn, zložený z iónov, elektrónov (a prípadne neutrálnych atómov a molekúl), ktorá vzniká odtrhnutím elektrónov z elektrónového obalu atómov plynu, alebo roztrhnutím molekúl (ionizáciou). Plazma sa zvyčajne považuje za ďalšie skupenstvo hmoty. Pretože obsahuje veľké množstvo ionizovaných častíc, je elektricky vodivá a reaguje na elektrické a magnetické polia. Prvýkrát ju popísal anglický chemik a fyzik William Crookes v roku 1879, ktorý ju volal "radiant matter" – žiarivá hmota. Pomenovanie plazma zaviedol americký fyzik Irving Langmuir v roku 1928.

Plazma existuje vo vesmíre často v odlišných formách. V prírode sa s ňou môžeme stretnúť v podobe blesku, polárnej žiary, alebo hviezd. V skutočnosti plazma tvorí až 99 % pozorovanej hmoty vesmíru.

Základné charakteristiky plazmy

Plazma existuje vo vesmíre v rôznych, často veľmi odlišných formách. S plazmou sa môžeme stretnúť napríklad vo forme blesku, polárnej žiare, vo vnútri žiaroviek, plazmových lámp a tzv. neónov. Plazma tvorí taktiež konvenčné hviezdy, slnečný vietor, alebo hmloviny. Parametre plazmy v týchto formách sa líšia o mnoho stupňov.

Vlastnosti

Stupeň ionizácie

Stupeň ionizácie plazmy (pomer počtu ionizovaných častíc voči celkovému počtu častíc) je jedným z najdôležitejších parametrov, ktorý určuje správanie sa plazmy. Závisí predovšetkým od teploty a dá sa odhadnúť zo Sahovej rovnice.

Podľa stupňa ionizácie rozlišujeme slabo ionizovanú plazmu a silne ionizovanú plazmu. V slabo ionizovanej plazme je koncentrácia nabitých častíc zanedbateľne malá v porovnaní s koncentráciou neutrálnych molekúl. Naproti tomu v silne ionizovanej plazme prevláda koncentrácia nabitých častíc.

Teplota

Podľa teploty sa plazma rozlišuje na 2 druhy. Je to vysokoteplotná a nízkoteplotná plazma. Vysokoteplotná plazma má strednú energiu nabitých častíc väčšiu než 100 eV, čo zodpovedá rádovo 10⁶K. Vyskytuje sa vo hviezdach a pri experimentoch s riadenou termonukleárnou syntézou. Nízkoteplotná plazma sa vyskytuje napr. v žiarivkách a výbojkách, taktiež v elektrickom oblúku.

V plazme môže byť teplota elektrónov o niekoľko stupňov vyššia než teplota kladných iónov a neutrálnych molekúl.

Ďalšie významné fyzikálne vlastnosti plazmy

Plazma obsahuje voľné elektrické náboje, preto je elektricky vodivá. Vďaka elektrickej vodivosti pôsobí na plazmu aj silné magnetické pole, jej silové účinky pochádzajú z Lorentzovej sily. S rastúcou koncentráciou nabitých častíc sa menia aj koeficienty tepelnej vodivosti a dynamickej viskozity plynu.

Stredová elektróda plazmovej lampy ukazujúca žiariacu modrú plazmu plynúcu smerom nahor. Farby sú výsledok relaxácie elektrónov z vybudených stavov do nižších energetických stavov po ich rekombinovaní s iónmi. Tieto procesy vyžarujú svetlo v spektre charakteristickom pre daný vybudený plyn.

Kvazineutralita a Debyeove tienenie

Jednou zo základných vlastností plazmy je takzvaná kvazineutralita. Ide o približnú rovnosť koncentrácií kladne nabitých a záporne nabitých elektrónov v oblastiach plazmy, kde všetky tri lineárne rozmery sú podstatne väčšie než Debyeova dĺžka. Vďaka prítomnosti voľných nabitých častíc sa v objeme plazmy vytvára priestorový náboj a elektrostatické pole, ktoré spätne silovo pôsobí na nabité častice. Výsledkom je kompenzácia fluktuačnej hustoty náboja a plazma sa vo väčšej miere javí ako elektricky neutrálna.

S kvazineutralitou úzko súvisia pojmy Debyeove tienenie. Tento jav je pozorovaný napr. v prítomnosti pevnej látky v plazme. Pevná látka nesie náboj, ale ten je vďaka kvazineutralite plazmy tienený. Vo vzdialenosti označovanej ako Debyeova tieniaca dĺžka je už plazma opäť kvazineutrálna.

Uchovanie plazmy

Jedným z typov zariadení pre uchovávanie plazmy sú magnetické nádoby. Magnetické nádoby sú založené na princípe snahy iónov "namotávať" sa na siločiary magnetického poľa a odrážať sa od miest kde intenzita poľa rastie.

Použitie plazmy

• v priemysle polovodičov pomáha pri vypaľovaní, v kovopriemysle pri rezaní
• vo výskume termojadrových syntéz palivo premieňajú pred reakciou najprv do formy plazmy
• na dezinfekciu lekárskych inštrumentov
• experimentuje sa s použitím ako živé tkanivo
• prvé klinické testy ukazujú: plazma dokáže uzatvárať chronické rany

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému fyzika plazmy

Fyzikálny portál Chemický portál