Plazma

Czym tak właściwie jest plazma?

Plazma to gaz będący mieszaniną jonów, elektronów i (niekoniecznie) cząstek obojętnych. Plazma jest quasi-neutralna oraz siły elektromagnetyczne plazmy mają znaczący wpływ na ruch cząstek obdarzonych ładunkiem w plazmie.

Jest to dosyć długa, ale kompletna definicja plazmy. Popularnie się mówi, że plazma to czwarty stan skupienia, choć ze względu na to, że ponad 99,9% materii we Wszechświecie znajduje się w stanie plazmy można zaryzykować opinię, że powinniśmy ją nazywać pierwszym stanem skupienia.

W rzeczywistości plazma to najprościej rzecz ujmując zjonizowany gaz. Spotykamy się z nią na co dzień, choć nie zawsze zdajemy sobie z tego sprawę. Wszyscy wiedzą, że plazma znajduje się w tak zwanej „kuli plazmowej”, spora część osób wie też, że nasze Słońce jest zbudowane z plazmy, ale czy zdajemy sobie sprawę, że błyskawica, widoczny promień lasera, znaczna część atmosfery (jonosfera), a nawet płomień świecy to też plazma? W kosmosie plazma występuje prawie wszędzie. Wszystkie gwiazdy (nie licząc pozostałości gwiazdowych takich jak gwiazda neutronowa, gwiazda kwarkowa, czarne dziury itp.) to przykłady „gorącej” plazmy. Cała przestrzeń międzygwiezdna (w Układzie Słonecznym i międzyplanetarna) to plazma „zimna”. Materia w stanie stałym we Wszechświecie występuje głównie w formie planet, księżyców, komet, planetoid itp. Materia w stanie ciekłym i gazowym praktycznie nie występuje w poznanym przez nas Wszechświecie. Co ciekawe, cząstki w pierwszych trzech stanach skupienia prawie nie oddziaływują na zasadach elektromagnetycznych (nie licząc skali mikroskopowej), natomiast zjonizowane cząstki w plazmie oddziaływują między sobą na zasadach oddziaływań elektromagnetycznych na olbrzymie odległości. Ma to fundamentalne znaczenie dla większości właściwości plazmy. Należy tu jednak podkreślić, że mimo naładowania niektórych (czasem wszystkich) jej składników, plazma jako całość jest neutralna. Tą własność plazmy opisuje się jako jej quasi-neutralność. Co ciekawe, jeżeli założyć by istnienie szczególnego przypadku plazmy, w którym w plazmie nie znajdują się cząstki obdarzone ładunkiem, to równania upraszczają się dając równania gazu doskonałego. Można zaryzykować opinię, że plazma jest ogólniejszym stanem gazu.

Rodzaje plazmy

Na chwilę obecną poznaliśmy następujące rodzaje plazmy:

1. plazma niskotemperaturowa („zimna”)
2. plazma wysokotemperaturowa („gorąca”)
3. plazma wyładowania pierścieniowego
4. plazma gluonowo-kwarkowa (która właściwie nie jest plazmą)

Plazma niskotemperaturowa (tzw. „zimna” plazma) — obejmuje zakres plazmy poniżej kilkudziesięciu tysięcy
kelwinów. Plazma ta może zawierać oprócz cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym także cząstki elektrycznie obojętne (atomy)
i jony. Ten rodzaj plazmy przy ciśnieniu atmosferycznym dzięki licznym zderzeniom między cząstkami stosunkowo łatwo uzyskuje równowagę termiczną (tzn. szybko ustala się maxwellowski rozkład prędkości cząstek po jakimkolwiek zakłóceniu). Występuje między
innymi w łuku elektrycznym, na powierzchni Słońca, w płomieniu świecy, jonosferze czy przestrzeni międzyplanetarnej
i międzygwiezdnej.

Plazma wysokotemperaturowa (tzw. „gorąca” plazma) — obejmuje zakres od kilku do kilkuset milionów
kelwinów. Składa się z jąder atomowych i elektronów (nie wystepują już jony częściowo zjonizowane
i atomy). Na ogół nie uzyskuje równowagi termicznej, gdyż zawarte
w niej elektrony mają znacznie wyższą temperaturę niż jądra atomowe.
W warunkach laboratoryjnych jest trudna do utrzymania, ponieważ wypromieniowywuje olbrzymie ilości energii, którą, aby utrzymać materię
w stanie plazmy należy cały czas uzupełniać. Występuje między innymi
w: jądrach gwiazd, wybuchach termojądrowych, reakcjach syntezy i laserach.

Plazma wyładowania pierścieniowego — to niskociśnieniowa odmiana plazmy powstająca
w zmiennym polu elektromagnetycznym o częstotliwości
ok. 100 MHz i ciśnieniu ok. 100 Pa. Badania nad nią są trudne ze względu na brak równowagi termodynamicznej. Powstaje tylko
w specjalnych warunkach laboratoryjnych.

Plazma gluonowo-kwarkowa — to stan materii, w którym nie można wyróżnić już ani poszczególnych atomów, ani nawet nukleonów, składa się głównie
z kwarków (u, d, ewentualnie także s) i gluonów powiązanych potężnymi oddziaływaniami silnymi. Może zawierać także elektrony (dzięki nim może uzyskać neutralność elektryczną). Ponieważ nie jest
gazem, nie jest także plazmą, na co wskazuje jej nazwa. Pojawia się w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC)
w CERN-ie. Według teorii składają się z niej także hipotetyczne gwiazdy kwarkowe.

Podstawowe pojęcia i właściwości plazmy

Ponieważ w plazmie na każdą cząstkę obdarzoną ładunkiem działąją siły elektromagnetyczne,
w przeciwieństwie do pozostałych 3 stanów skupienia materii, do jej opisu będziemy potrzebowali dodatkowych pojęć, które pozwolą nam opisać wszystkie cechy plazmy. Na początku należy zaznaczyć, że plazma
w przeciwieństwie do pozostałych stanów materii nie jest izotropowa (jest anizotropowa), czyli nie jest identyczna
w całej objętości. Wynika to z nierównomierności rozłożenia ładunków
w plazmie (rozłożone są punktowo). Ponieważ ładunki nie są rozłożone równomiernie, także pole elektromagnetyczne nie jest identyczne
w każdym miejscu plazmy. W niektórych miejscach przeważają ładunki dodatnie,
w innych ujemne. Poruszająca się w plazmie cząstka obdarzona łądunkiem elektrycznym podlega działaniu zmiennego pola elektromagnetycznego. Skutkuje to powstaniem siły elektrodynamicznej
i zakrzywieniem toru ruchu cząstki. Jest ona odpychana przez cząstki tego samego znaku,
a przyciągana przez cząstki znaku przeciwnego. Dzięki temu plazma sama doprowadza się do stanu jak najdokładniejszej neutralności. Mimo że nie można uzykać neutralności plazmy
w pobliżu dowolnej jej cząstki, to plazma rozpatrywana jako całość jest neutralna. Tą jej cechę nazywa się quasi-neutralnością plazmy. Aby była zachowana nadwyżka ładunków jednego znaku
w skali makroskopowej musi być bardzo mała w porównaniu z ogólną liczbą wszystkich ładunków
w plazmie. Nasuwa się pytanie, na jakiej odległości neutralość plazmy nigdy nie będzie zachowana. Odległość ta jest stała dla danej plazmy znajdującej się
w danych warunkach i jest równa promieniowi Debye’a, który liczbowo jest równy średniej odległości rozdzielenia sąsiadujących ładunków różnoimiennych.
W plazmie zachodzi ciekawe zjawisko ekranowania cząstki, tzn. plazma układa się tak jakby chciała zasłonić pole elektromagnetyczne cząstki od środowiska zewnętrznego poprzez otoczenie jej przez cząstki
o przeciwnym znaku. Tworzą one swoistą „atmosferę” wokół każdej cząstki. Promień tej
„atmosfery” jest równy średniej odległości rozdzielenia sąsiadujących cząstek różnoimiennych
w plazmie i jest wyrażony promieniem Debye’a.

Ponieważ plazma posiada znacząca liczbę cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym musi także posiadać własne pole magnetyczne. Pole to niezależnie od kształtu
i natężenia posiada ciekawą właściwość. Otóż jest ono trwale związane
z poszczególnymi elementami plazmy, zdaje się być w nią
„wmrożone”. Wyobraźmy sobie walec z plasteliny, w którym znajdują się bawełniane nitki. Jeżeli zaczniemy odkształcać walec (zginać, formować
w kulę lub ludzika, itd.) nitki będą poruszały się razem z fragmentem plasteliny,
w którym się znajdują. Tak samo zachowuje się pole magnetyczne plazmy.

Plazma, dzięki cząstkom naładowanym elektrycznie może przewodzić prąd elektryczny. Opór plazmy,
w przeciwieństwie do metali, maleje ze wzrostem temperatury. Co ciekawe plazma charakteryzuje się dwoma wielkościami oporu. Spowodowane jest to faktem, że cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym poruszają się dużo łatwiej wzdłuż linii pola magnetycznego, niż prostopadle do nich, więc
i opór elektryczny wzdłuż linii tego pola jest mniejszy niż prostopadle do nich. Podobnie jak
z przewodnictwem elektrycznym jest i z przewodnictwem cieplnym. Plazma łatwiej transportuje ciepło wzdłuż linii pola magnetycznego, niż prostopadle do nich.
W plazmie znajdującej się w równowadze termicznej za transport ciepła odpowiedzialne są głównie elektrony
(z powodu większej średniej prędkości). Transport ciepła jest wprost proporcjonalny do gradientu temperatury. Ponieważ cząstki
w plazmie poruszają się musi tam zachodzić zjawisko przenoszenia pędu
z obszarów o większej prędkości przepływu gazu do obszarów o mniejszej prędkości (tzw. lepkość plazmy). Odbywa się ono na zasadzie zderzeń
i jest wprost proporcjonalne do gradientu prędkości cząstek. Wyjątkowo łatwo daje się zaobserwować
w tzw. przepływie laminarnym. Załóżmy, że plazma porusza się w długiej rurze. Cząstki plazmy znajdujące się
w pobliżu ścienki naczynia (rury) będą poruszały się wolniej, niż te znajdujące się blisko środka przekroju rury
z powodu tarcia o ściankę naczynia. Z powodu lepkości plazmy przy ścianie naczynia powstaną warstwy,
w których plazma będzie płynęła z jednakową prędkością. Obszar, gdzie
prędkość plazmy zmienia się
od 0 do maksymalnej nazywany jest przyścienną warstwą gazu. Identyczne zjawisko zachodzi
w gazach.

Zderzenia między cząstkami w plazmie

W plazmie, podobnie jak w gazach poszczególne jej cząstki zderzają się ze sobą. Ponieważ jednak
w przeciwieństwie do gazów cząstki plazmy oddziaływują ze sobą na dalekie
odległości, zderzenia przebiegają nieco inaczej. Wśród zderzeń możemy wyróznić sprężyste:

1. Z co najmniej jedną cząstką o zerowym ładunku elektrycznym
2. Między cząstkami naładowanymi:
   • jednoimiennymi ładunkami
   • różnoimiennymi ładunkami

i niesprężyste:

1. I typu
2. II typu

Przy zderzeniach sprężystych z co najmniej jedną cząstką o zerowym ładunku
elektrycznym, zderzenie zachodzi jak w gazie doskonałym. Zderzenie trwa bardzo krótko, torem ruchu cząstek jest linia łamana
— zderzenie zachodzi podobnie jak zderzenie idealnych kul bilardowych.
W sytuacji, gdy obie cząstki posiadają ładunki elektryczne zderzenie trwa
długo, cząstki oddziałują ze sobą w znaczący sposób z dużej odległości. Torem ruchu cząstek jest linia krzywa. Zderzenia te można podzielić także na krótkodystansowe
i długosystansowe. Przy zderzeniu długodystansowym, odchylenie toru ruchu cząstki od przedłużenia toru ruchu przed zderzeniem jest mniejsze od
90 stopni. Przy zderzeniu krótkodystansowym jest ono większe lub równe
90 stopniom. Co ciekawe, efekt końcowy kilku zderzeń długodystansowych może spowodować odchylenie cząstki
o kąt równy lub większy 90 stopniom, czyli taki sam, jak daje już jedno zderzenie krótkodystansowe.
W wypadku, gdy cząstka odchyliła się od toru ruchu o więcej, niż
90 stopni, nie musiało więc zajść zderzenie krótkodystansowe.

Tor ruchu cząstek: a) w gazie doskonałym, b) w gazie zjonizowanym

a) zderzenie krótkodystansowe, b) zderzenie długodystansowe

Suma zderzeń długodystansowych może dać efekt zderzenia krótkodystansowego

W przypadku zderzeń niesprężystych można podzielić je na takie, w których energia wewnętrzna cząstki jest zwiększana
i na takie, w których energia wewnętrzna cząstki jest zmniejszana. Aby rozpatrywać jednak takie
sytuacje, musimy najpierw poznać metody przechowywania energii wewnętrznej
w cząstkach. Możemy wyróżnić takie metody jak wzbudzenie cząstki, jonizacja cząstki
i wzbudzenie cząsteczki.

Wzbudzenie cząstki polega na przejściu co najmniej jednego elektronu na wyższą powłokę.
Ponieważ aby się tam znaleźć, musimy dostarczyć elektronowi energii, jest to rodzaj zwiększania energii wewnętrznej atomu. Taki stan cząstki nazywamy stanem wzbudzonym. Na ogół trwa on około
10⁻⁸ s, w niektórych rzadkich przypadkach, zwanych stanami metastabilnymi, może on trwać nawet
ok. 10⁻⁴–10⁻² s. Powrót elektronu na niższą powłokę wiąże się
z oddaniem energii (najczęściej w formie fotonu).

Jonizacja atomu polega na oderwaniu jednego lub więcej elektronów od obojętnego atomu
i stworzenie w ten sposób jonu dodatniego. Jest to połączone ze zwiększneniem energii wewnętrznej cząstki. Wartość energii potrzebnej do oderwania elektronu od obojętnego, niewzbudzonego atomu nosi nazwę energii jonizacji. Dostarczanie energii do atomu może następować porcjami. Taka jonizacja nazywa się wtedy jonizacją kumulatywną.

Wzbudzenie cząsteczki polega na wzbudzeniu atomów znajdujących się w cząsteczce
w drgania. Minimalna energia wzbudzenia cząsteczki jest znacząco mniejsza od energii wzbudzenia atomu. Jeżeli dragnia osiągną wystarczającą
amplitudę, to cząsteczka ulegnie rozpadowi — dysocjacji. Minimalna energia potrzebna do rozbicia cząsteczki nosi nazwę energii dysocjacji.

Promieniowanie plazmy

W plazmie cząstki naładowane oddziaływują ze sobą cały czas, co powoduje ciągłą wymianę energii między nimi. Nieodłączne
w tej sytuacji jest powstawanie olbrzymich ilości fotonów, które są zdolne opuścić obszar,
w którym znajduje się plazma. Jest to promieniowanie plazmy.

Promieniowanie plazmy dzielimy ze względu na genezą na:

1. promieniowanie hamowania
2. promieniowanie cząstek wzbudzonych
3. promieniowanie rekombinacyjne
4. promieniowanie betatronowe

Promieniowanie hamowania powstaje w wyniku hamowania elektronu w polu elektrycznym. Energia promieniowania pochodzi
z energii kinetycznej elektronu, więc promieniowanie ma charakter ciągły. Natężenie tego promieniowania zależy od:

• Gęstości jonów i elektronów w plazmie
• Ładunku jonów
• Temperatury

Np. 1 cm³ plazmy wodorowej zawierający 10¹⁶ elektronów, w temperaturze
10⁸ K emitować będzie promieniowanie o mocy 150 W
(w zakresie rentgenowskim).

Promieniowanie cząstek wzbudzonych powstaje przy przejściu elektronu z wyższej powłoki na niższą. Promieniowanie ma charakter dyskretny. Energia promieniowania ściśle odpowiada różnicy poziomów energetycznych
w cząstce.

Promieniowanie rekombinacyjne powstaje przy wychwytywaniu przez jon dodatni elektronu. Energia fotonu jest sumą energii kinetycznej elektronu
i energii wiązania, ma więc charakter ciągły. Maleje ono wraz ze wzrostem temperatury elektronów
i zależy aż w czwartej potędze od ładunku jonów.

Promieniowanie betatronowe alias promieniowanie cyklotronowe alias magnetyczne promieniowanie hamowania powstaje, gdy
w plazma znajduje się w polu magnetycznym. Elektrony okrążają wtedy linie pola magnetycznego. Źródłem promieniowania jest zmiana wektora prędkości elektronów.

Przykłady plazmy

Płomień jest przykładem plazmy — znanym i spotykanym przez większość ludzi prawie codziennie (także w kuchenkach gazowych).

Zjonizowany gaz pięknie świeci wewnątrz kuli, znaczącej liczbie ludzi to głównie z tą kulą kojarzy się słowo plazma.

Cięcie plazmą — praktyczny przykład wykorzystania plazmy, może nie tak popularny jak poprzednie, ale na pewno pożyteczny.

Życiodajna, olbrzymia kula plazmy. Bez niej nie byłoby życia na Ziemi, doceńmy to jak jest dla nas ważna.

Fragment Mgławicy Orzeł i Kocie Oko — przykłady obłoków plazmy i równocześnie dowody na to, że plazma może być piękna.

Jest to autentyczne zdjęcie gwiazdy, którą podejrzewa się o bycie gwiazdą kwarkową. Jeżeli to jest prawda, to na tym zjęciu gwiazda nie jest plazmą, ale jest nią czarna przestrzeń wokoło — przestrzeń międzygwiezdna to plazma „zimna”.

Bibliografia

• Zdzisław Celiński, „Plazma”, PWN, Seria „Biblioteka Problemów”, Warszawa 1980
• Lew Andrejewicz Arcimowicz, „Czwarty stan materii”, Wiedza Powszechna, Warszawa
• Rafał Kosiński, „Teoria dynamo, czyli istnienie pola magnetycznego we Wszechświecie”, w: „Urania — postępy astronomii”, nr 5/2004
• Paweł Haensel, „Sekrety gwiazd neutronowych: maksymalna masa i równanie stanu”, w: „Urania — postępy astronomii”, nr 3/2006
• Konrad Wysogląd, „Oswojony piorun, błysk światła i nieco magii”, pod kierownictwem mgr Zdzisławy Hojnackiej