Визначення плазми (стан речовини, фізика та хімія)

Анхель Замора Рамірес
Диплом фізика

Плазма — це газоподібна рідина, у якій частина її іонізована, тобто має а значна кількість іонів і вільних електронів, що становлять четвертий агрегатний стан тема.

Твердий, рідкий і газоподібний... Можливо, більшість із нас знайомі з цими трьома станами матерія, проте існує четвертий агрегатний стан, який випливає з газоподібного стану і через який ми часто проходимо висока. Йдеться про плазму, іонізований газ, який ми можемо знайти в зірках, плазмових екранах, вогні тощо.

Плазма як агрегатний стан

Коли речовина перебуває у твердому стані, її атоми або молекули піддаються когезійним силам між собою та утворюють певні структури. Якщо ми змінимо температуру або тиск твердої речовини таким чином, що її молекули вони починають рухатися більше, зрештою міжмолекулярні сили зменшуються, і ми переходимо до стану рідина.

У рідкому стані сили зчеплення між молекулами менші, ніж у твердому. Речовина в рідкому стані має менш організовану структуру і тому не має певного об’єму. Як і в попередньому випадку, якщо ми змінюємо температуру або тиск рідини, ми можемо змусити її перейти в газоподібний стан.

У газі міжмолекулярні сили дуже малі, а в деяких випадках практично дорівнюють нулю. Гази вважаються рідинами, в яких молекули, що їх утворюють, рухаються вільно. Підвищуючи температуру або тиск газу, відбувається більше руху молекул, які його складають, а також збільшується кількість зіткнень. Ці зіткнення можуть змусити електрони певних атомів звільнитися зі своїх орбіталей і звільнитися.

Саме в цей момент утворюється плазма, іонізований газ з певною кількістю катіонів (позитивних іонів) і вільних електронів. Вільні електричні заряди роблять плазму чудовими електричними провідниками, а також реагують на електромагнітні поля.

Можна сказати, що цей новий стан матерії вперше дослідив Вільям Крукс у своїх експериментах з катодними променями в 1880-х роках. Однак саме фізик Ірвінг Ленгмюр у 1928 році ввів термін «плазма» для позначення цього іонізованого газу, який пізніше вважатиметься іншим станом матерії.

Плазма на Землі і у Всесвіті

Плазма вважається найпоширенішим агрегатним станом речовини. Майже 99% баріонної матерії, яку ми можемо спостерігати у Всесвіті, знаходиться в плазматичному стані.

Це явно не стосується нашої планети, оскільки більшість речовини, яку ми тут спостерігаємо, знаходиться в інших трьох агрегатних станах. Однак є певні місця або явища, де ми можемо спостерігати матерію в плазматичному стані. Блискавка, яку ми можемо спостерігати під час грози, є результатом іонізації газу в атмосфері. Іоносфера, яка є іонізованим шаром атмосфери через сонячне випромінювання, також є плазмою, як і полярні полярні сяйва, які можна спостерігати в результаті взаємодії між магнітним полем Землі та вітрами сонячний.

У Всесвіті ми можемо знайти плазму майже всюди. Самі зірки являють собою великі сфери плазми, що утворюються в результаті термоядерних реакцій, що відбуваються в їх ядрах. Крім того, тепло, що виділяється зірками, також іонізує газоподібне середовище, яке їх оточує, загалом можна сказати, що міжзоряне середовище також є плазмою. Крім того, зірки мають тенденцію викидати великі струмені заряджених частинок, які ми називаємо «сонячними вітрами» і які є речовиною в плазматичному стані. Багато туманностей, які можна побачити в різних місцях Всесвіту, є нічим іншим, як іонізованим газом, який оточує одну або кілька зірок.

У наш день ми також можемо знайти кілька прикладів технологічного використання плазми. У плазмових дисплеях, як випливає з назви, використовуються відділення, наповнені благородними газами, які іонізують і випромінюють світло. Ми також можемо знайти плазму в люмінесцентних трубках, неонових лампах і плазмових лампах, які використовуються в декоративних цілях.

П'ятий агрегатний стан?

Недавні експерименти, проведені в екстремальних умовах, дозволили отримати те, що багато хто вважає п’ятим агрегатним станом матерії. Це кварк-глюонна плазма, тип плазми, що складається з вільних кварків і глюонів.

Кварки та глюони є будівельними блоками протонів і нейтронів, з яких утворюються атомні ядра. Кваркова і глюонна плазма виходить в прискорювачах частинок при зіткненні важких ядер свинцю або золота. Зіткнення між ядрами генерує достатню температуру, щоб на кілька моментів кварки та глюони були вільними та утворилася плазма.

Вивчення плазми кварків і глюонів є особливо актуальним, оскільки в перші моменти після Великого вибуху і до утворення перших атомів вважається, що в цьому була існуюча матерія стан.