Plasman määritelmä (aineen tila, fysiikka ja kemia)

Enkeli Zamora Ramirez
Fysiikan tutkinto

Plasma on kaasumainen neste, jossa osa siitä on ionisoitunut, eli siinä on a huomattava määrä ioneja ja vapaita elektroneja, jotka muodostavat neljännen aggregaatiotilan aihe.

Kiinteä, nestemäinen ja kaasu... Ehkä useimmat meistä tuntevat nämä kolme tilaa aineessa on kuitenkin neljäs aggregaatiotila, joka seuraa kaasumaisesta tilasta ja jonka läpi usein kuljemme korkea. Kyse on plasmasta, ionisoidusta kaasusta, jota voimme löytää tähdistä, plasmanäytöistä, tulesta jne.

Plasma aggregaatiotilana

Kun aine on kiinteässä tilassa, sen atomeihin tai molekyyleihin kohdistuu koheesiovoimia niiden välillä ja ne muodostavat määrättyjä rakenteita. Jos muutamme kiinteän aineen lämpötilaa tai painetta siten, että sen molekyylit ne alkavat liikkua enemmän, lopulta molekyylien väliset voimat vähenevät ja menemme tilaan nestettä.

Nestemäisessä tilassa molekyylien väliset koheesiovoimat ovat pienemmät kuin kiinteässä tilassa. Nestemäisessä tilassa olevalla aineella on vähemmän organisoitunut rakenne, joten sillä ei ole määriteltyä tilavuutta. Kuten edellisessä tapauksessa, jos muutamme nesteen lämpötilaa tai painetta, voimme saada sen muuttumaan kaasumaiseen tilaan.

Kaasussa molekyylien väliset voimat ovat hyvin pieniä ja joissain tapauksissa käytännössä nolla. Kaasuina pidetään nesteitä, joissa ne muodostavat molekyylit liikkuvat vapaasti. Nostamalla kaasun lämpötilaa tai painetta syntyy enemmän sen muodostavien molekyylien liikettä ja myös törmäysten määrä lisääntyy. Nämä törmäykset voivat saada tiettyjen atomien elektronit irtautumaan kiertoradoistaan ​​ja vapautumaan.

Juuri tässä vaiheessa syntyy plasma, ionisoitu kaasu, jossa on tietty määrä kationeja (positiivisia ioneja) ja vapaita elektroneja. Ilmaiset sähkövaraukset tekevät plasmasta erinomaisia ​​sähköjohtimia ja reagoivat myös sähkömagneettisiin kenttiin.

Voidaan sanoa, että tätä uutta aineen olomuotoa tutki ensimmäisenä William Crookes katodisäteillä tehdyissä kokeissa 1880-luvulla. Kuitenkin fyysikko Irving Langmuir keksi vuonna 1928 termin "plasma" viittaamaan tähän ionisoituun kaasuun, jota myöhemmin pidettiin toisena aineen olomuotona.

Plasma maan päällä ja maailmankaikkeudessa

Plasmaa pidetään runsaimpana aineen aggregaatiotilana. Lähes 99 % baryonisesta aineesta, jonka voimme havaita universumissa, on plasmatilassa.

Tämä ei selvästikään koske planeettamme, koska suurin osa täällä havaitsemistamme aineista on kolmessa muussa aggregaatiotilassa. On kuitenkin tiettyjä paikkoja tai ilmiöitä, joissa voimme tarkkailla ainetta plasmatilassa. Salama, jonka voimme havaita ukkosmyrskyn aikana, johtuu kaasun ionisaatiosta ilmakehässä. Ionosfääri, joka on auringon säteilyn vuoksi ilmakehän ionisoitunut kerros, on myös plasma, samoin kuin polaariset revontulet, joita voidaan havaita maan magneettikentän ja tuulien välisen vuorovaikutuksen seurauksena aurinko.

Universumista löytyy plasmaa melkein kaikkialta. Tähdet itsessään ovat suuria plasmapalloja, jotka syntyvät niiden ytimissä tapahtuvista lämpöydinreaktioista. Lisäksi tähtien tuottama lämpö ionisoi myös niitä ympäröivän kaasumaisen väliaineen, yleisellä tasolla voidaan sanoa, että tähtienvälinen väliaine on myös plasma. Lisäksi tähdillä on taipumus karkottaa suuria suihkuja varautuneita hiukkasia, joita kutsumme "aurinkotuuleksi" ja jotka ovat plasmatilassa olevaa ainetta. Monet sumuista, joita voidaan nähdä eri paikoissa universumissa, eivät ole muuta kuin ionisoitua kaasua, joka ympäröi yhtä tai useampaa tähteä.

Päivittäin voimme löytää myös useita esimerkkejä plasman teknologisesta käytöstä. Plasmanäytöissä, kuten nimestä voi päätellä, käytetään osastoja, jotka on täytetty jalokaasuilla, jotka ionisoivat ja lähettävät valoa. Löydämme plasmaa myös loisteputkista, neonvaloista ja plasmalampuista, joita käytetään koristeluun.

Aineen viides tila?

Äärimmäisissä olosuhteissa tehdyt viimeaikaiset kokeet ovat onnistuneet saamaan aikaan sen, mitä monet pitävät viidenneksi aineen aggregaatiotilaksi. Tämä on Quark-Gluon Plasma, eräänlainen plasma, joka koostuu vapaista kvarkeista ja gluoneista.

Kvarkit ja gluonit ovat atomiytimiä muodostavien protonien ja neutronien rakennuspalikoita. Kvarkki- ja gluoniplasma saadaan hiukkaskiihdyttimissä, kun lyijyn tai kullan raskaat ytimet törmäävät. Ytimen törmäys synnyttää tarpeeksi lämpötilaa, jotta kvarkit ja gluonit vapautuvat hetkeksi ja plasma muodostuu.

Kvarkkien ja gluonien plasman tutkiminen on erityisen tärkeää, koska ensimmäisinä hetkinä alkuräjähdyksen jälkeen ja ennen ensimmäisten atomien muodostumista uskotaan, että olemassa oleva aine oli tässä osavaltio.