Definisjon av plasma (stoffets tilstand, fysikk og kjemi)

Angel Zamora Ramirez
Grad i fysikk

Plasma er en gassformig væske der en brøkdel av den er ionisert, det vil si at den har en betydelig mengde ioner og frie elektroner, som utgjør den fjerde aggregeringstilstanden til Emne.

Fast, flytende og gass... Kanskje de fleste av oss er kjent med disse tre tilstandene materie, men det er en fjerde aggregeringstilstand som følger av gasstilstanden og som vi ofte passerer gjennom høy. Det handler om plasma, en ionisert gass som vi kan finne i stjerner, plasmaskjermer, ild osv.

Plasma som en aggregeringstilstand

Når materie er i fast tilstand, er dens atomer eller molekyler utsatt for kohesjonskrefter mellom dem og danner definerte strukturer. Hvis vi endrer temperaturen eller trykket til et fast stoff på en slik måte at dets molekyler de begynner å bevege seg mer, til slutt avtar de intermolekylære kreftene og vi går til staten væske.

I flytende tilstand er kohesive krefter mellom molekyler mindre enn i fast tilstand. Materie i flytende tilstand har en mindre organisert struktur og har derfor ikke et definert volum. Som i det forrige tilfellet, hvis vi endrer temperaturen eller trykket til væsken, kan vi få den til å endre seg til en gassform.

I en gass er de intermolekylære kreftene svært små og i noen tilfeller praktisk talt null. Gasser regnes som væsker der molekylene som utgjør dem beveger seg fritt. Ved å øke temperaturen eller trykket til en gass, genereres mer bevegelse av molekylene som utgjør den, og antallet kollisjoner øker også. Disse kollisjonene kan føre til at elektronene til visse atomer bryter løs fra orbitalene og går fri.

Det er på dette tidspunktet det genereres et plasma, en ionisert gass med en viss mengde kationer (positive ioner) og frie elektroner. Gratis elektriske ladninger gjør plasmaer til utmerkede elektriske ledere og reagerer også på elektromagnetiske felt.

Det kan sies at denne nye materiens tilstand først ble studert av William Crookes i hans eksperimenter med katodestråler på 1880-tallet. Imidlertid var det fysikeren Irving Langmuir som i 1928 laget begrepet "plasma" for å referere til denne ioniserte gassen som senere skulle bli betraktet som en annen tilstand av materie.

Plasma på jorden og i universet

Plasma regnes som den mest tallrike tilstanden for aggregering av materie. Nesten 99 % av det baryoniske stoffet som vi kan observere i universet er i plasmatilstand.

Dette gjelder tydeligvis ikke for planeten vår, siden det meste av saken vi observerer her er i de tre andre aggregeringstilstandene. Imidlertid er det visse steder eller fenomener hvor vi kan observere materie i plasmatilstand. Lynet som vi kan observere under et tordenvær skyldes ionisering av gass i atmosfæren. Ionosfæren, som er det ioniserte laget av atmosfæren på grunn av solstråling, er også et plasma, i likhet med polare nordlys som kan observeres som et resultat av samspillet mellom jordens magnetfelt og vindene solenergi.

I universet kan vi finne plasma nesten overalt. Stjernene i seg selv er store plasmakuler som er et resultat av termonukleære reaksjoner som skjer i kjernene deres. I tillegg ioniserer varmen som genereres av stjernene også det gassformige mediet som omgir dem, generelt kan vi si at det interstellare mediet også er et plasma. Stjerner har også en tendens til å drive ut store stråler av ladede partikler som vi kaller «solvinder» og som er materie i plasmatilstand. Mange av stjernetåkene som kan sees forskjellige steder i universet er ikke annet enn ionisert gass som omgir en eller flere stjerner.

I vår hverdag kan vi også finne flere eksempler på den teknologiske bruken som plasma har. Plasmaskjermer, som navnet antyder, bruker rom fylt med edelgasser som ioniserer og avgir lys. Vi kan også finne plasma i lysstoffrør, neonlys og plasmalamper som brukes til dekorative formål.

En femte materietilstand?

Nylige eksperimenter utført under ekstreme forhold har klart å oppnå det mange anser som den femte tilstanden av aggregering av materie. Dette er Quark-Gluon Plasma, en type plasma som består av frie kvarker og gluoner.

Kvarker og gluoner er byggesteinene til protonene og nøytronene som utgjør atomkjernene. Kvark- og gluonplasma oppnås i partikkelakseleratorer når tunge kjerner av bly eller gull kolliderer. Kollisjonen mellom kjernene genererer nok temperatur til at kvarkene og gluonene i noen få øyeblikk er frie og plasmaet dannes.

Å studere plasmaet til kvarker og gluoner er spesielt relevant fordi i de første øyeblikkene etter Big Bang og før dannelsen av de første atomene, antas det at den eksisterende materien var i dette stat.