A plazma egy olyan halmazállapot, amelyet gyakran a gázok egy alcsoportjának tekintenek, de a két halmazállapot nagyon különbözőképpen viselkedik. A gázokhoz hasonlóan a plazmáknak sincs rögzített alakjuk vagy térfogatuk, és kevésbé sűrűek, mint a szilárd vagy folyékony anyagok. A közönséges gázokkal ellentétben azonban a plazmák olyan atomokból állnak, amelyekből az elektronok egy része vagy az összes elektron eltávolításra került, és a pozitív töltésű atommagok, az ionok szabadon mozognak.
“A gáz semleges molekulákból és atomokból áll” – mondta Xuedong Hu, a Buffalói Egyetem fizikaprofesszora. Vagyis a negatív töltésű elektronok száma megegyezik a pozitív töltésű protonok számával.
“A plazma egy töltött gáz, erős Coulomb kölcsönhatásokkal” – mondta Hu a Live Science-nek. Az atomok vagy molekulák pozitív vagy negatív elektromos töltést kaphatnak, amikor elektronokat nyernek vagy veszítenek. Ezt a folyamatot ionizációnak nevezik. A plazma alkotja a Napot és a csillagokat, és ez a leggyakoribb anyagállapot a világegyetem egészében.
(A vérplazma egyébként valami egészen más. Ez a vér folyékony része. Az Amerikai Vöröskereszt szerint 92 százalékban víz, és a vér térfogatának 55 százalékát teszi ki.)
Töltött részecskék
Egy tipikus gáz, mint például a nitrogén vagy a hidrogén-szulfid, olyan molekulákból áll, amelyek nettó töltése nulla, így a gáz térfogata egészében nulla nettó töltéssel rendelkezik. A plazmák, mivel töltött részecskékből állnak, a teljes térfogatuk nettó töltése nulla lehet, de az egyes részecskék szintjén nem. Ez azt jelenti, hogy a plazmában lévő részecskék közötti elektrosztatikus erők, valamint a mágneses terek hatása jelentős lesz.
Mivel a plazmák töltött részecskékből állnak, olyan dolgokra is képesek, amire a gázok nem, például vezethetik az elektromosságot. És mivel a mozgó töltések mágneses tereket hoznak létre, a plazmák is rendelkezhetnek ilyenekkel.
Egy közönséges gázban minden részecske nagyjából ugyanúgy viselkedik. Ha tehát egy tartályban gáz van, és hagyjuk, hogy szobahőmérsékletre hűljön, akkor a benne lévő összes molekula átlagosan ugyanolyan sebességgel fog mozogni, és ha sok egyes részecske sebességét mérnénk, akkor egy olyan eloszlási görbét kapnánk, ahol sokan az átlag közelében mozognak, és csak néhányan különösen lassan vagy gyorsan. Ez azért van, mert a gázban a molekulák, mint a biliárdgolyók, egymásnak ütköznek, és energiát adnak át egymásnak.
Ez nem történik meg egy plazmában, különösen nem elektromos vagy mágneses térben. A mágneses mező például nagyon gyors részecskék populációját hozhatja létre. A legtöbb plazma nem elég sűrű ahhoz, hogy a részecskék gyakran ütközzenek egymással, így a mágneses és elektrosztatikus kölcsönhatások fontosabbá válnak.
Az elektrosztatikus kölcsönhatásokról szólva, mivel a plazmában lévő részecskék – az elektronok és ionok – elektromos és mágneses kölcsönhatásra képesek, ezt sokkal nagyobb távolságokra is megtehetik, mint egy közönséges gázban. Ez viszont azt jelenti, hogy a hullámok fontosabbá válnak, amikor a plazmában zajló folyamatokat tárgyaljuk. Az egyik ilyen hullám az Alfvén-hullám, amelyet Hannes Alfvén svéd fizikusról és Nobel-díjas fizikusról neveztek el. Alfvén-hullám akkor keletkezik, amikor a plazma mágneses mezeje megzavarodik, és a mezővonalak mentén terjedő hullámot hoz létre. Ennek nincs igazi analógja a közönséges gázokban. Lehetséges, hogy az Alfvén-hullámok az oka annak, hogy a Napkorona hőmérséklete – amely szintén plazma – több millió fokos, míg a felszínen csak több ezer fokos.
A plazmák másik jellemzője, hogy mágneses mezőkkel helyben tarthatók. A fúziós energiával kapcsolatos kutatások nagy része éppen erre irányul. A fúzió feltételeinek megteremtéséhez nagyon forró – több millió fokos – plazmára van szükség. Mivel ezt semmilyen anyag nem képes visszatartani, a tudósok és mérnökök a mágneses mezőkhöz fordultak, hogy elvégezzék a feladatot.
Plazmák működés közben
A plazmákat működés közben például egy fénycsőben vagy neonreklámban láthatjuk. Ezekben az esetekben egy gázt (a jelek esetében a neont) nagyfeszültségnek teszik ki, és az elektronok vagy leválnak a gáz atomjairól, vagy magasabb energiaszintre tolódnak. Az izzó belsejében lévő gáz vezető plazmává válik. A korábbi energiaszintjükre visszaeső gerjesztett elektronok fotonokat bocsátanak ki – a fényt, amelyet a neonreklámban vagy a fénycsövekben látunk.
A plazmatévék ugyanígy működnek. Két üveglap közötti zárt résbe gáz – általában argon, neon vagy xenon – kerül. A gázon elektromos áramot vezetnek át, amely izzást okoz. A plazma vörös, zöld és kék foszforokat gerjeszt, amelyek az eBay szerint meghatározott színeket adnak ki.
A plazma másik felhasználási területe a plazmagömbök, amelyek tele vannak nemesgáz-keverékekkel, amelyek a bennük lévő “villámok” színét adják, amikor egy elektromos áram ionizálja a gázt.
A plazma másik példája a sarki fény, amely a sarkokat veszi körül, amikor a Nap különösen aktív. A napszél töltött részecskék (többnyire protonok) áramlata, amely a Föld mágneses terébe csapódik. Ezek a részecskék, mivel töltöttek, követik a mágneses mezővonalakat, és a pólusok felé haladnak, ahol összeütköznek a levegőben lévő atomokkal, főként oxigénnel és nitrogénnel, és gerjesztik azokat. Mint egy neonreklám, a gerjesztett oxigén- és nitrogénatomok fényt bocsátanak ki.
Kövesse a LiveScience-t a Twitteren @livescience. A Facebookon is megtalálhatóak vagyunk & Google+.