Definition av plasma (tillstånd av materia, fysik och kemi)

Ängel Zamora Ramirez
Examen i fysik

Plasma är en gasformig vätska i vilken en bråkdel av den joniseras, det vill säga den har en avsevärd mängd joner och fria elektroner, som utgör det fjärde aggregationstillståndet av ämne.

Fast, flytande och gas... Kanske är de flesta av oss bekanta med dessa tre tillstånd materia, men det finns ett fjärde aggregationstillstånd som följer av det gasformiga tillståndet och som vi ofta passerar genom hög. Det handlar om plasma, en joniserad gas som vi kan hitta i stjärnor, plasmaskärmar, eld osv.

Plasma som aggregationstillstånd

När materia är i ett fast tillstånd utsätts dess atomer eller molekyler för kohesionskrafter mellan dem och bildar definierade strukturer. Om vi ​​ändrar temperaturen eller trycket på ett fast ämne på ett sådant sätt att dess molekyler de börjar röra sig mer, så småningom minskar de intermolekylära krafterna och vi går till staten flytande.

I flytande tillstånd är kohesionskrafterna mellan molekyler mindre än i fast tillstånd. Materia i flytande tillstånd har en mindre organiserad struktur och har därför ingen definierad volym. Som i föregående fall, om vi ändrar temperaturen eller trycket på vätskan kan vi få den att ändras till ett gasformigt tillstånd.

I en gas är de intermolekylära krafterna mycket små och i vissa fall praktiskt taget noll. Gaser anses vara vätskor där molekylerna som utgör dem rör sig fritt. Genom att öka temperaturen eller trycket på en gas genereras mer rörelse av molekylerna som utgör den och antalet kollisioner ökar också. Dessa kollisioner kan få elektronerna i vissa atomer att bryta sig loss från sina orbitaler och gå fria.

Det är vid denna tidpunkt som ett plasma genereras, en joniserad gas med en viss mängd katjoner (positiva joner) och fria elektroner. Fria elektriska laddningar gör plasma till utmärkta elektriska ledare och reagerar även på elektromagnetiska fält.

Man kan säga att detta nya tillstånd av materia först studerades av William Crookes i hans experiment med katodstrålar på 1880-talet. Det var dock fysikern Irving Langmuir som 1928 myntade termen "plasma" för att hänvisa till denna joniserade gas som senare skulle betraktas som ett annat tillstånd av materia.

Plasma på jorden och i universum

Plasma anses vara det vanligaste tillståndet av aggregation av materia. Nästan 99% av baryonmateria som vi kan observera i universum är i plasmat tillstånd.

Detta gäller uppenbarligen inte vår planet, eftersom det mesta av det vi observerar här är i de andra tre aggregeringstillstånden. Det finns dock vissa platser eller fenomen där vi kan observera materia i det plasmatiska tillståndet. Blixten som vi kan observera under ett åskväder är resultatet av jonisering av gas i atmosfären. Jonosfären, som är det joniserade skiktet i atmosfären på grund av solstrålning, är också ett plasma, liksom polära norrsken som kan observeras som ett resultat av interaktionen mellan jordens magnetfält och vindarna sol.

I universum kan vi hitta plasma nästan överallt. Stjärnorna själva är stora plasmasfärer som är resultatet av termonukleära reaktioner som sker i deras kärnor. Dessutom joniserar värmen som genereras av stjärnorna även det gasformiga mediet som omger dem, generellt sett kan vi säga att det interstellära mediet också är ett plasma. Stjärnor tenderar också att driva ut stora strålar av laddade partiklar som vi kallar "solvindar" och som är materia i det plasmatiska tillståndet. Många av nebulosorna som kan ses på olika platser i universum är inget annat än joniserad gas som omger en eller flera stjärnor.

I vår vardag kan vi också hitta flera exempel på den tekniska användning som plasma har. Plasmaskärmar, som namnet antyder, använder fack fyllda med ädelgaser som joniserar och avger ljus. Vi kan också hitta plasma i lysrör, neonljus och plasmalampor som används för dekorativa ändamål.

Ett femte materiatillstånd?

Nyligen genomförda experiment som utförts under extrema förhållanden har lyckats erhålla vad många anser vara det femte tillståndet av aggregation av materia. Detta är Quark-Gluon Plasma, en typ av plasma som består av fria kvarkar och gluoner.

Kvarkar och gluoner är byggstenarna i de protoner och neutroner som utgör atomkärnor. Kvark- och gluonplasma erhålls i partikelacceleratorer när tunga kärnor av bly eller guld kolliderar. Kollisionen mellan kärnorna genererar tillräckligt med temperatur så att kvarkar och gluoner under några ögonblick är fria och plasman bildas.

Att studera plasmat av kvarkar och gluoner är särskilt relevant eftersom under de första ögonblicken efter Big Bang och före bildandet av de första atomerna, tror man att den existerande materien fanns i detta stat.