Czwarty stan skupienia: plazma. Najważniejsze informacje o plazmie

Ponad 99 procent materii we wszechświecie składa się z plazmy. Od kiedy pojęcie plazmy funkcjonuje w fizyce? Czym właściwie jest plazma? Postaramy się to wyjaśnić w tym artykule.

Plazma — co to jest? Wyjaśnienie pojęcia

Jak wiemy z fizyki, materia może występować w trzech podstawowych stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Stany skupienia określają jednoznacznie właściwości fizyczne każdej substancji. Podział na trzy stany skupienia funkcjonuje już od XVII wieku. Ciało stałe ma z góry określony kształt i objętość. 

Ciecz charakteryzuje się tym, że trudno jest zmienić jej objętość, a łatwo wpływać na jej kształt. Substancja w stanie gazowym wypełnia całkowicie objętość naczynia, w którym się znajduje — łatwo więc zmienić zarówno jej kształt, jak i objętość. 

Zobacz: Jak szybki jest dźwięk? Prędkość dźwięku – najważniejsze informacje

Plazma jest często nazywana czwartym stanem skupienia. W swej formie bardzo przypomina gaz, ale jej cząstki są w większości zjonizowane. Tymczasem plazma jako całość jest neutralna elektrycznie. Nie wszyscy zdają sobie z tego sprawę, ale plazmę obserwujemy na co dzień. 

Słońce i gwiazdy to w większości plazma. Płomień świecy, zorza polarna, a także błyskawica to również zjonizowany gaz, czyli plazma. Plazma została opisana po raz pierwszy w 1879 roku przez Williama Crookesa. Nazwał on ją wtedy „czwartym stanem materii”. Samo określenie „plazma” stało się powszechne w fizyce dopiero w pierwszej połowie XX wieku. Właściwości fizyczne plazmy oraz jej powszechność we wszechświecie skłania ku stwierdzeniu, że jest ona raczej pierwszym, a nie czwartym stanem skupienia.

Właściwości plazmy

Ze względu na duże zjonizowanie materii, plazma wykazuje silne oddziaływanie z polem magnetycznym i elektrycznym. Plazma doskonale przewodzi prąd. Jej opór maleje wraz ze wzrostem temperatury. Podczas przewodzenia prądu o większym natężeniu plazma emituje światło, które przy wyższych wartościach przechodzi w charakterystyczny łuk elektryczny.

Zachowanie plazmy jest skalowalne — zachowuje się ona tak samo w większej, jak i mniejszej objętości. Na podstawie małej próbki w laboratorium można z dużym przybliżeniem oszacować, w jaki sposób zachowa się ona w dużej przestrzeni, nawet wielkości galaktyki. Z tą różnicą, że eksperyment laboratoryjny może potrwać zaledwie sekundę, a w skali galaktyki trwałby miliony lat. Ta specyficzna właściwość substancji pozwala na modelowanie wielu fascynujących zjawisk fizycznych i astronomicznych.

Rodzaje plazmy

Współcześnie rozróżnia się trzy rodzaje plazmy: niskotemperaturową (zimna), wysokotemperaturową (gorąca) oraz plazmę wyładowania pierścieniowego.

Zimna plazma, najczęściej spotykana w warunkach ziemskich, osiąga maksymalną temperaturę dochodzącą do kilkudziesięciu tysięcy Kelwinów. Cząstkom zjonizowanym towarzyszą atomy, które są elektrycznie obojętne. Przykładem plazmy niskotemperaturowej jest płomień ogniska, świecy lub błyskawica.

Gorąca plazma nie posiada w swej strukturze neutralnych atomów. Składa się wyłącznie z jąder atomów oraz elektronów. Osiąga ona temperaturę kilku do kilkuset milionów Kelwinów. Plazma wysokotemperaturowa jest bardzo trudna do utrzymania w warunkach ziemskich, gdyż stale emituję energię na zewnątrz. 

Aby utrzymać ją w pożądanym stanie, konieczne jest stałe uzupełnianie emitowanej energii. Jądra gwiazd, lasery oraz produkty reakcji syntezy składają się z tego rodzaju plazmy. Jest ona też obecna przy wybuchach termojądrowych.

Plazma wyładowania pierścieniowego jest o tyle specyficzna, że powstaje jedynie w specjalnych warunkach laboratoryjnych. Konieczne jest niskie ciśnienie (zaledwie ok. 100 Pa) oraz zmienne pole elektromagnetyczne o częstotliwości ok. 100 MHz. Ten rodzaj plazmy jest trudny do badania ze względu na bardzo niestabilną równowagę termodynamiczną. Plazmę wyładowania pierścieniowego opisano dopiero w latach 80. XX wieku.

Praktyczne wykorzystanie plazmy

Plazma na stałe zadomowiła się we współczesnej technologii. Poza badaniami wszechświata wykorzystywana jest też w nieco bardziej przyziemnych dziedzinach życia. Już na przełomie XIX i XX wieku wykorzystywano plazmę do generowania ozonu, tlenków azotu, a później do produkcji acetylenu. 

Dość powszechnym zastosowaniem były żarówki neonowe i lampy gazowe. Innym z zastosowań jest obecnie metalurgia — piece z łukiem plazmowym do wytopu aluminium oraz hartowanie metali w plazmie, a także precyzyjne wycinarki plazmowe wykorzystywane w obróbce skrawaniem to tylko niektóre z przykładów jej wdrożenia w przemyśle. 

Znane wszystkim telewizyjne ekrany plazmowe wykorzystują zjonizowany szlachetny gaz (np. ksenon), który jest pobudzany przez impulsy elektryczne do świecenia. Oczywiście jest to duże uproszczenie zachodzącego tam procesu, gdyż działanie matryc plazmowych jest zdecydowanie bardziej skomplikowane, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. 

Energetyka jądrowa to kolejna dziedzina, w której tworzywo może być wykorzystane. Plazma ujarzmiona w pułapce magnetycznej i poddana kompresji podniesie znacznie swoją temperaturę i może stać się wręcz nieograniczonym źródłem energii.

Obecnie powszechnie stosuje się plazmę w stomatologii w leczeniu próchnicy i zapaleniu przyzębia. W kosmetologii urządzenia plazmowe stosuje się do zabiegów poprawy kondycji skóry — mikrouszkodzenia powstałe podczas zabiegu pobudzają włókna do większej regeneracji, co pozytywnie wpływa na stan skóry po zakończeniu terapii. Ciekawostką może być fakt, że plazma niskotemperaturowa skutecznie zwalcza drobnoustroje i neutralizuje wirusy. 

Prowadzone są badania nad stworzeniem plazmowych urządzeń do dezynfekcji powierzchni w szpitalach i miejscach użyteczności publicznej. Jest to szczególnie istotne zagadnienie w czasie pandemii COVID-19. Istnieje nawet termin tzw. sterylizacji plazmowej. 

Takie rozwiązanie już funkcjonuje w technologii wojskowej. Wojska amerykańskie posiadają w swoim wyposażeniu generatory zimnej plazmy zasilane przy pomocy akumulatorów. Służą one do odkażania broni i sprzętu, kiedy zachodzi podejrzenie, że przeciwnik zastosował na polu walki broń biologiczną.

Jak uważacie, plazma to tworzywo przyszłości? A może już niebawem zastąpi je inne tworzywo, na przykład karbon? Dajcie nam znać w komentarzach! 

Źródło obrazka głównego: wrosinski.pl