Определение за плазма (състояние на материята, физика и химия)

Анхел Замора Рамирес
Диплома по физика

Плазмата е газообразна течност, в която част от нея е йонизирана, т.е значително количество йони и свободни електрони, съставляващи четвъртото състояние на агрегация на предмет.

Твърдо, течно и газообразно... Може би повечето от нас са запознати с тези три състояния на материята обаче има четвърто състояние на агрегиране, което следва от газообразното състояние и през което често преминаваме Високо. Става дума за плазма, йонизиран газ, който можем да намерим в звездите, плазмените екрани, огъня и т.н.

Плазмата като агрегатно състояние

Когато материята е в твърдо състояние, нейните атоми или молекули са обект на кохезионни сили между тях и образуват определени структури. Ако променим температурата или налягането на твърдо вещество по такъв начин, че неговите молекули започват да се движат повече, в крайна сметка междумолекулните сили намаляват и отиваме в състояние течност.

В течно състояние кохезионните сили между молекулите са по-малки, отколкото в твърдо състояние. Материята в течно състояние има по-малко организирана структура и следователно няма определен обем. Както в предишния случай, ако променим температурата или налягането на течността, можем да я накараме да премине в газообразно състояние.

В газ междумолекулните сили са много малки и в някои случаи практически нулеви. Газовете се считат за течности, в които молекулите, които ги съставят, се движат свободно. Чрез увеличаване на температурата или налягането на газ се генерира повече движение на молекулите, които го съставят, и броят на сблъсъците също се увеличава. Тези сблъсъци могат да накарат електроните на определени атоми да се освободят от своите орбитали и да се освободят.

Именно в този момент се генерира плазма, йонизиран газ с определено количество катиони (положителни йони) и свободни електрони. Свободните електрически заряди правят плазмата отлични електрически проводници и реагират на електромагнитни полета.

Може да се каже, че това ново състояние на материята е изследвано за първи път от Уилям Крукс в неговите експерименти с катодни лъчи през 1880-те години. Въпреки това, физикът Ървинг Лангмюр е този, който през 1928 г. въвежда термина "плазма", за да се отнася до този йонизиран газ, който по-късно ще бъде считан за друго състояние на материята.

Плазма на Земята и във Вселената

Плазмата се счита за най-разпространеното състояние на агрегиране на материята. Почти 99% от барионната материя, която можем да наблюдаваме във Вселената, е в плазмено състояние.

Това очевидно не се отнася за нашата планета, тъй като по-голямата част от материята, която наблюдаваме тук, е в другите три състояния на агрегиране. Има обаче определени места или явления, където можем да наблюдаваме материята в плазмено състояние. Светкавицата, която можем да наблюдаваме по време на гръмотевична буря, е резултат от йонизацията на газ в атмосферата. Йоносферата, която е йонизираният слой на атмосферата поради слънчевата радиация, също е плазма, както и полярни сияния, които могат да се наблюдават в резултат на взаимодействието между земното магнитно поле и ветровете слънчева.

Във Вселената можем да намерим плазма почти навсякъде. Самите звезди са големи сфери от плазма, резултат от термоядрени реакции, протичащи в техните ядра. Освен това топлината, генерирана от звездите, също йонизира газовата среда, която ги заобикаля, най-общо можем да кажем, че междузвездната среда също е плазма. Освен това звездите са склонни да изхвърлят големи струи от заредени частици, които наричаме „слънчеви ветрове“ и които са материя в плазмено състояние. Много от мъглявините, които могат да се видят на различни места във Вселената, не са нищо повече от йонизиран газ, който заобикаля една или повече звезди.

В нашето ежедневие можем да намерим и няколко примера за технологичното използване на плазмата. Плазмените дисплеи, както подсказва името, използват отделения, пълни с благородни газове, които йонизират и излъчват светлина. Можем да намерим плазма и във флуоресцентни тръби, неонови светлини и плазмени лампи, които се използват за декоративни цели.

Пето състояние на материята?

Скорошни експерименти, проведени при екстремни условия, успяха да получат това, което мнозина смятат за петото състояние на агрегиране на материята. Това е кварк-глуонна плазма, вид плазма, съставена от свободни кварки и глуони.

Кварките и глуоните са градивните елементи на протоните и неутроните, които изграждат атомните ядра. Кваркова и глуонна плазма се получава в ускорителите на частици, когато се сблъскат тежки ядра от олово или злато. Сблъсъкът между ядрата генерира достатъчно температура, така че за няколко мига кварките и глуоните да са свободни и да се образува плазмата.

Изследването на плазмата на кварките и глуоните е особено актуално, тъй като през първите моменти след Големия взрив и преди формирането на първите атоми се смята, че съществуващата материя е била в това състояние.