הגדרה של פלזמה (מצב חומר, פיזיקה וכימיה)

אנחל זמורה רמירז
תואר בפיזיקה

פלזמה היא נוזל גז שבו חלק ממנו מיונן, כלומר יש לו א כמות ניכרת של יונים ואלקטרונים חופשיים, המהווים את מצב הצבירה הרביעי של נושא.

מוצק, נוזל וגז... אולי רובנו מכירים את שלושת המצבים הללו של אולם חומר, קיים מצב צבירה רביעי הנובע מהמצב הגזי ושאנו עוברים בו לעתים קרובות גָבוֹהַ. מדובר בפלזמה, גז מיונן שאנו יכולים למצוא בכוכבים, מסכי פלזמה, אש וכו'.

פלזמה כמצב צבירה

כאשר החומר נמצא במצב מוצק, האטומים או המולקולות שלו נתונים לכוחות מלוכדים ביניהם ויוצרים מבנים מוגדרים. אם נשנה את הטמפרטורה או הלחץ של מוצק בצורה כזו שהמולקולות שלו הם מתחילים לנוע יותר, בסופו של דבר הכוחות הבין-מולקולריים פוחתים ואנחנו הולכים למדינה נוזל.

במצב נוזלי כוחות הלכידות בין מולקולות פחותים מאשר במצב מוצק. לחומר במצב נוזלי יש מבנה פחות מאורגן ולכן אין לו נפח מוגדר. כמו במקרה הקודם, אם נשנה את הטמפרטורה או הלחץ של הנוזל נוכל לגרום לו לעבור למצב גזי.

בגז, הכוחות הבין-מולקולריים קטנים מאוד ובמקרים מסוימים כמעט אפסיים. גזים נחשבים לנוזלים שבהם המולקולות המרכיבות אותם נעות בחופשיות. על ידי הגדלת הטמפרטורה או הלחץ של גז, נוצרת תנועה רבה יותר של המולקולות המרכיבות אותו ומספר ההתנגשויות גם גדל. התנגשויות אלו עלולות לגרום לאלקטרונים של אטומים מסוימים להשתחרר מהאורביטלים שלהם ולצאת לחופשי.

בנקודה זו נוצרת פלזמה, גז מיונן עם כמות מסוימת של קטיונים (יונים חיוביים) ואלקטרונים חופשיים. מטענים חשמליים חופשיים הופכים פלזמות למוליכות חשמליות מצוינות וגם מגיבות לשדות אלקטרומגנטיים.

ניתן לומר שמצב החומר החדש הזה נחקר לראשונה על ידי ויליאם קרוקס בניסויים שלו בקרני קתודה בשנות ה-80 של המאה ה-19. עם זאת, הפיזיקאי אירווינג לנגמייר היה זה שב-1928 טבע את המונח "פלזמה" כדי להתייחס לגז המיונן הזה שלימים ייחשב למצב אחר של חומר.

פלזמה על כדור הארץ וביקום

פלזמה נחשבת למצב הצבירה השופע ביותר של חומר. כמעט 99% מהחומר הבריוני שאנו יכולים לראות ביקום נמצא במצב פלזמטי.

ברור שזה לא חל על הפלנטה שלנו, שכן רוב החומר שאנו צופים כאן נמצא בשלושת מצבי הצבירה האחרים. עם זאת, ישנם מקומות או תופעות מסוימים שבהם אנו יכולים לצפות בחומר במצב הפלזמטי. הברק שאנו יכולים לראות במהלך סופת רעמים נובע מינון של גז באטמוספירה. היונוספירה, שהיא השכבה המיוננת של האטמוספירה עקב קרינת השמש, היא גם פלזמה, כמו גם אורות קוטביות שניתן לצפות בהן כתוצאה מאינטראקציה בין השדה המגנטי של כדור הארץ לרוחות סוֹלָרִי.

ביקום אנו יכולים למצוא פלזמה כמעט בכל מקום. הכוכבים עצמם הם כדורי פלזמה גדולים הנובעים מתגובות תרמו-גרעיניות המתרחשות בליבותיהם. בנוסף, החום שנוצר מהכוכבים מיינן גם את התווך הגזי המקיף אותם, במונחים כלליים ניתן לומר שהמדיום הבין-כוכבי הוא גם פלזמה. כמו כן, כוכבים נוטים לגרש סילונים גדולים של חלקיקים טעונים שאנו מכנים "רוחות שמש" ואשר הם חומר במצב הפלזמטי. רבות מהערפיליות שניתן לראות במקומות שונים ביקום אינן אלא גז מיונן המקיף כוכב אחד או יותר.

בימינו אנו יכולים למצוא גם מספר דוגמאות לשימוש הטכנולוגי שיש לפלזמה. תצוגות פלזמה, כפי שהשם מרמז, משתמשות בתאים מלאים בגזים אצילים המייננים ופולטים אור. אנו יכולים למצוא פלזמה גם בשפופרות פלורסנט, נורות ניאון ומנורות פלזמה המשמשות למטרות דקורטיביות.

מצב חמישי של חומר?

ניסויים אחרונים שבוצעו בתנאים קיצוניים הצליחו להשיג את מה שרבים רואים במצב החמישי של צבירה של חומר. זוהי פלזמת ה-Quark-Gluon, סוג של פלזמה המורכבת מקווארקים וגלואונים חופשיים.

קווארקים וגלואונים הם אבני הבניין של הפרוטונים והנייטרונים המרכיבים את גרעיני האטום. פלזמת קווארק וגלואון מתקבלת במאיצי חלקיקים כאשר גרעינים כבדים של עופרת או זהב מתנגשים. ההתנגשות בין הגרעינים מייצרת מספיק טמפרטורה כדי שלכמה רגעים הקווארקים והגלואונים יהיו חופשיים ונוצר הפלזמה.

לימוד הפלזמה של קווארקים וגלואונים רלוונטי במיוחד מכיוון שברגעים הראשונים לאחר המפץ הגדול ולפני היווצרות האטומים הראשונים, מאמינים שהחומר הקיים היה בזה מדינה.