Definition af plasma (stoffets tilstand, fysik og kemi)

Angel Zamora Ramirez
Grad i fysik

Plasma er en gasformig væske, hvori en brøkdel af den er ioniseret, det vil sige, den har en betydelig mængde ioner og frie elektroner, der udgør den fjerde aggregeringstilstand af emne.

Fast, flydende og gas... Måske er de fleste af os bekendt med disse tre tilstande stof, men der er en fjerde aggregeringstilstand, der følger af den gasformige tilstand, og som vi ofte passerer igennem høj. Det handler om plasma, en ioniseret gas, som vi kan finde i stjerner, plasmaskærme, ild mv.

Plasma som en aggregeringstilstand

Når stof er i en fast tilstand, er dets atomer eller molekyler underlagt sammenhængende kræfter mellem dem og danner definerede strukturer. Hvis vi ændrer temperaturen eller trykket af et fast stof på en sådan måde, at dets molekyler de begynder at bevæge sig mere, til sidst falder de intermolekylære kræfter, og vi går til tilstanden væske.

I flydende tilstand er kohæsionskræfterne mellem molekyler mindre end i fast tilstand. Stof i flydende tilstand har en mindre organiseret struktur og har derfor ikke et defineret volumen. Som i det foregående tilfælde, hvis vi ændrer væskens temperatur eller tryk, kan vi få den til at ændre sig til en gasformig tilstand.

I en gas er de intermolekylære kræfter meget små og i nogle tilfælde praktisk talt nul. Gasser betragtes som væsker, hvori molekylerne, der udgør dem, bevæger sig frit. Ved at øge temperaturen eller trykket af en gas genereres der mere bevægelse af molekylerne, der udgør den, og antallet af kollisioner øges også. Disse kollisioner kan få elektronerne i visse atomer til at bryde fri fra deres orbitaler og gå fri.

Det er på dette tidspunkt, at der dannes et plasma, en ioniseret gas med en vis mængde kationer (positive ioner) og frie elektroner. Gratis elektriske ladninger gør plasmaer til fremragende elektriske ledere og reagerer også på elektromagnetiske felter.

Det kan siges, at denne nye tilstand af stof først blev studeret af William Crookes i hans eksperimenter med katodestråler i 1880'erne. Det var dog fysikeren Irving Langmuir, der i 1928 opfandt udtrykket "plasma" for at henvise til denne ioniserede gas, der senere ville blive betragtet som en anden tilstand af stof.

Plasma på jorden og i universet

Plasma betragtes som den mest udbredte tilstand af aggregering af stof. Næsten 99% af det baryoniske stof, som vi kan observere i universet, er i plasmatilstand.

Dette gælder tydeligvis ikke for vores planet, da det meste af det stof, vi observerer her, er i de tre andre aggregeringstilstande. Der er dog visse steder eller fænomener, hvor vi kan observere stof i den plasmatiske tilstand. Det lyn, som vi kan observere under et tordenvejr, skyldes ionisering af gas i atmosfæren. Ionosfæren, som er atmosfærens ioniserede lag på grund af solstråling, er også et plasma, ligesom polære nordlys, der kan observeres som et resultat af samspillet mellem jordens magnetfelt og vindene solenergi.

I universet kan vi finde plasma næsten overalt. Stjernerne i sig selv er store plasmakugler, der er et resultat af termonukleære reaktioner, der forekommer i deres kerne. Derudover ioniserer varmen genereret af stjernerne også det gasformige medium, der omgiver dem, generelt kan vi sige, at det interstellare medium også er et plasma. Stjerner har også en tendens til at uddrive store stråler af ladede partikler, som vi kalder "solvinde", og som er stof i plasmatilstand. Mange af de tåger, der kan ses forskellige steder i universet, er ikke andet end ioniseret gas, der omgiver en eller flere stjerner.

I vores dagligdag kan vi også finde flere eksempler på den teknologiske anvendelse, som plasma har. Plasmaskærme, som navnet antyder, bruger rum fyldt med ædelgasser, der ioniserer og udsender lys. Vi kan også finde plasma i lysstofrør, neonlys og plasmalamper, der bruges til dekorative formål.

En femte materietilstand?

Nylige eksperimenter udført under ekstreme forhold har formået at opnå, hvad mange betragter som den femte tilstand af aggregering af stof. Dette er Quark-Gluon Plasma, en type plasma, der består af frie kvarker og gluoner.

Kvarker og gluoner er byggestenene i de protoner og neutroner, der udgør atomkerner. Quark- og gluonplasma opnås i partikelacceleratorer, når tunge kerner af bly eller guld kollideres. Kollisionen mellem kernerne genererer nok temperatur til, at kvarkerne og gluonerne i nogle få øjeblikke er frie, og plasmaet dannes.

At studere plasmaet af kvarker og gluoner er især relevant, fordi i de første øjeblikke efter Big Bang og før dannelsen af ​​de første atomer, menes det, at det eksisterende stof var i dette stat.