Definitie van plasma (staat van materie, natuurkunde en scheikunde)

Engel Zamora Ramirez
Graad in de natuurkunde

Plasma is een gasvormige vloeistof waarin een fractie ervan geïoniseerd is, dat wil zeggen, het heeft een aanzienlijke hoeveelheid ionen en vrije elektronen, die de vierde aggregatietoestand vormen van de onderwerp.

Vast, vloeibaar en gas... Misschien zijn de meesten van ons bekend met deze drie toestanden van de materie is er echter een vierde aggregatietoestand die voortvloeit uit de gasvormige toestand en waar we vaak doorheen gaan hoog. Het gaat over plasma, een geïoniseerd gas dat we kunnen vinden in sterren, plasmaschermen, vuur, enz.

Plasma als aggregatietoestand

Wanneer materie zich in een vaste toestand bevindt, zijn de atomen of moleculen onderhevig aan onderling samenhangende krachten en vormen ze gedefinieerde structuren. Als we de temperatuur of druk van een vaste stof zodanig veranderen dat zijn moleculen ze beginnen meer te bewegen, uiteindelijk nemen de intermoleculaire krachten af ​​en gaan we naar de staat vloeistof.

In vloeibare toestand zijn de cohesiekrachten tussen moleculen kleiner dan in vaste toestand. Materie in vloeibare toestand heeft een minder georganiseerde structuur en heeft daarom geen gedefinieerd volume. Net als in het vorige geval, als we de temperatuur of druk van de vloeistof wijzigen, kunnen we deze in een gasvormige toestand veranderen.

In een gas zijn de intermoleculaire krachten erg klein en in sommige gevallen praktisch nul. Gassen worden beschouwd als vloeistoffen waarin de moleculen waaruit ze zijn samengesteld vrij kunnen bewegen. Door de temperatuur of druk van een gas te verhogen, wordt er meer beweging gegenereerd van de moleculen waaruit het bestaat en neemt ook het aantal botsingen toe. Deze botsingen kunnen ertoe leiden dat de elektronen van bepaalde atomen loskomen van hun orbitalen en vrijkomen.

Op dit punt wordt een plasma gegenereerd, een geïoniseerd gas met een bepaalde hoeveelheid kationen (positieve ionen) en vrije elektronen. Vrije elektrische ladingen maken plasma's tot uitstekende elektrische geleiders en reageren ook op elektromagnetische velden.

Je zou kunnen zeggen dat deze nieuwe toestand van materie voor het eerst werd bestudeerd door William Crookes in zijn experimenten met kathodestralen in de jaren 1880. Het was echter de natuurkundige Irving Langmuir die in 1928 de term 'plasma' bedacht om te verwijzen naar dit geïoniseerde gas dat later als een andere toestand van materie zou worden beschouwd.

Plasma op aarde en in het heelal

Plasma wordt beschouwd als de meest voorkomende aggregatietoestand van materie. Bijna 99% van de baryonische materie die we in het heelal kunnen waarnemen, bevindt zich in de plasmatische toestand.

Dit is duidelijk niet van toepassing op onze planeet, aangezien de meeste materie die we hier waarnemen zich in de andere drie aggregatietoestanden bevindt. Er zijn echter bepaalde plaatsen of verschijnselen waar we materie in de plasmatische toestand kunnen waarnemen. De bliksem die we tijdens een onweersbui kunnen waarnemen, is het gevolg van de ionisatie van gas in de atmosfeer. De ionosfeer, de geïoniseerde laag van de atmosfeer als gevolg van zonnestraling, is ook een plasma, net als de polaire aurora's die kunnen worden waargenomen als gevolg van de interactie tussen het aardmagnetisch veld en de winden zonne.

In het heelal kunnen we bijna overal plasma vinden. De sterren zelf zijn grote plasmabollen die het resultaat zijn van thermonucleaire reacties die in hun kernen plaatsvinden. Bovendien ioniseert de warmte die door de sterren wordt gegenereerd ook het gasvormige medium dat hen omringt, in algemene termen kunnen we zeggen dat het interstellaire medium ook een plasma is. Ook hebben sterren de neiging om grote stralen geladen deeltjes uit te stoten die we "zonnewinden" noemen en die materie zijn in de plasmatische toestand. Veel van de nevels die op verschillende plaatsen in het heelal te zien zijn, zijn niets meer dan geïoniseerd gas dat een of meer sterren omringt.

In ons dagelijks leven kunnen we ook verschillende voorbeelden vinden van het technologische nut dat plasma heeft. Plasmaschermen gebruiken, zoals de naam al doet vermoeden, compartimenten gevuld met edelgassen die ioniseren en licht uitstralen. We kunnen ook plasma vinden in tl-buizen, neonlampen en plasmalampen die voor decoratieve doeleinden worden gebruikt.

Een vijfde toestand?

Recente experimenten die onder extreme omstandigheden zijn uitgevoerd, hebben geleid tot wat velen beschouwen als de vijfde aggregatietoestand van materie. Dit is het Quark-Gluon-plasma, een type plasma dat bestaat uit vrije quarks en gluonen.

Quarks en gluonen zijn de bouwstenen van de protonen en neutronen waaruit atoomkernen bestaan. Quark- en gluonplasma wordt verkregen in deeltjesversnellers wanneer zware kernen van lood of goud met elkaar in botsing komen. De botsing tussen de kernen genereert voldoende temperatuur zodat de quarks en gluonen enkele ogenblikken vrij zijn en het plasma wordt gevormd.

Het bestuderen van het plasma van quarks en gluonen is vooral relevant omdat tijdens de eerste momenten na de oerknal en vóór de vorming van de eerste atomen wordt aangenomen dat de bestaande materie hierin zat staat.