Plasma ist ein Materiezustand, der oft als eine Untergruppe von Gasen betrachtet wird, aber die beiden Zustände verhalten sich sehr unterschiedlich. Wie Gase haben Plasmen keine feste Form und kein festes Volumen und haben eine geringere Dichte als Feststoffe oder Flüssigkeiten. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Gasen bestehen Plasmen jedoch aus Atomen, denen einige oder alle Elektronen entzogen wurden, so dass positiv geladene Kerne, Ionen genannt, frei umherwandern.
„Ein Gas besteht aus neutralen Molekülen und Atomen“, erklärt Xuedong Hu, Professor für Physik an der University at Buffalo. Das heißt, die Zahl der negativ geladenen Elektronen entspricht der Zahl der positiv geladenen Protonen.
„Plasma ist ein geladenes Gas mit starken Coulomb-Wechselwirkungen“, so Hu gegenüber Live Science. Atome oder Moleküle können eine positive oder negative elektrische Ladung erhalten, wenn sie Elektronen gewinnen oder verlieren. Dieser Vorgang wird als Ionisierung bezeichnet. Plasma bildet die Sonne und die Sterne und ist der häufigste Zustand der Materie im gesamten Universum.
(Blutplasma ist übrigens etwas ganz anderes. Es ist der flüssige Anteil des Blutes. Nach Angaben des Amerikanischen Roten Kreuzes besteht es zu 92 Prozent aus Wasser und macht 55 Prozent des Blutvolumens aus.)
Geladene Teilchen
Ein typisches Gas wie Stickstoff oder Schwefelwasserstoff besteht aus Molekülen, die eine Nettoladung von Null haben, so dass das Gasvolumen als Ganzes eine Nettoladung von Null aufweist. Plasmen, die aus geladenen Teilchen bestehen, können eine Nettoladung von Null über ihr gesamtes Volumen haben, aber nicht auf der Ebene der einzelnen Teilchen. Das bedeutet, dass die elektrostatischen Kräfte zwischen den Teilchen im Plasma von Bedeutung sind, ebenso wie die Wirkung von Magnetfeldern.
Da Plasmen aus geladenen Teilchen bestehen, können sie Dinge tun, die Gase nicht können, zum Beispiel Elektrizität leiten. Und da bewegte Ladungen Magnetfelder erzeugen, können Plasmen auch solche haben.
In einem gewöhnlichen Gas verhalten sich alle Teilchen in etwa auf die gleiche Weise. Wenn man also Gas in einem Behälter hat und ihn auf Raumtemperatur abkühlen lässt, bewegen sich alle Moleküle darin im Durchschnitt mit der gleichen Geschwindigkeit, und wenn man die Geschwindigkeit vieler einzelner Teilchen misst, erhält man eine Verteilungskurve, bei der sich viele nahe dem Durchschnitt bewegen und nur einige wenige entweder besonders langsam oder schnell. Das liegt daran, dass in einem Gas die Moleküle wie Billardkugeln gegeneinander stoßen und Energie zwischen ihnen übertragen.
Das passiert in einem Plasma nicht, vor allem nicht in einem elektrischen oder magnetischen Feld. Ein Magnetfeld kann zum Beispiel eine Population von sehr schnellen Teilchen erzeugen. In den meisten Plasmen sind die Teilchen nicht dicht genug, um häufig miteinander zu kollidieren, so dass die magnetischen und elektrostatischen Wechselwirkungen wichtiger werden.
Als elektrostatische Wechselwirkungen zu bezeichnen, bedeutet, dass die Teilchen in einem Plasma – die Elektronen und Ionen – über Elektrizität und Magnetismus miteinander wechselwirken können, und zwar über weitaus größere Entfernungen als in einem gewöhnlichen Gas. Das wiederum bedeutet, dass Wellen bei der Erörterung der Vorgänge in einem Plasma an Bedeutung gewinnen. Eine dieser Wellen ist die Alfvén-Welle, benannt nach dem schwedischen Physiker und Nobelpreisträger Hannes Alfvén. Eine Alfvén-Welle entsteht, wenn das Magnetfeld in einem Plasma gestört wird und eine Welle erzeugt, die sich entlang der Feldlinien ausbreitet. In gewöhnlichen Gasen gibt es kein echtes Analogon dazu. Es ist möglich, dass Alfvén-Wellen der Grund dafür sind, dass die Temperatur in der Sonnenkorona – ebenfalls ein Plasma – Millionen von Grad beträgt, während sie an der Oberfläche nur Tausende von Grad beträgt.
Eine weitere Eigenschaft von Plasmen ist, dass sie durch Magnetfelder festgehalten werden können. Die meisten Forschungen zur Fusionsenergie konzentrieren sich genau darauf. Um die Bedingungen für die Fusion zu schaffen, braucht man sehr heißes Plasma – bei Millionen von Grad. Da kein Material es einschließen kann, haben Wissenschaftler und Ingenieure Magnetfelder für diese Aufgabe eingesetzt.
Plasmen in Aktion
Ein Ort, an dem man Plasmen in Aktion sehen kann, ist eine fluoreszierende Glühbirne oder ein Neonschild. In diesen Fällen wird ein Gas (Neon bei Schildern) einer hohen Spannung ausgesetzt, und die Elektronen werden entweder von den Atomen des Gases getrennt oder in höhere Energieniveaus gedrückt. Das Gas im Inneren der Glühbirne wird zu einem leitenden Plasma. Die angeregten Elektronen, die in ihr vorheriges Energieniveau zurückfallen, senden Photonen aus – das Licht, das wir in einer Leuchtreklame oder einer Leuchtstofflampe sehen.
Plasma-Fernseher funktionieren auf die gleiche Weise. Ein Gas – in der Regel Argon, Neon oder Xenon – wird in einen versiegelten Spalt zwischen zwei Glasscheiben eingespritzt. Durch das Gas wird ein elektrischer Strom geleitet, der es zum Glühen bringt. Das Plasma regt laut eBay rote, grüne und blaue Leuchtstoffe an, die sich zu bestimmten Farben verbinden.
Eine weitere Anwendung für Plasma sind Plasmakugeln, die mit Edelgasgemischen gefüllt sind, die die Farben der „Blitze“ in ihrem Inneren erzeugen, wenn ein elektrischer Strom das Gas ionisiert.
Ein weiteres Beispiel für Plasma sind die Polarlichter, die die Pole umgeben, wenn die Sonne besonders aktiv ist. Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen (meist Protonen), die auf das Magnetfeld der Erde treffen. Diese geladenen Teilchen folgen den Magnetfeldlinien und bewegen sich in Richtung der Pole, wo sie mit Atomen in der Luft, vor allem Sauerstoff und Stickstoff, zusammenstoßen und diese anregen. Wie eine Leuchtreklame geben die angeregten Sauerstoff- und Stickstoffatome Licht ab.
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