CO JE TO PLAZMA?

Na této stránce naleznete:
      Co je to plazma?
      Stupeň ionizace plazmatu
      Srážky
Kapitola 4


Co je to plazma?

Učená definice nám o plazmatu říká: „Plazma je kvazineutrální soubor částic s volnými nosiči nábojů, který vykazuje kolektivní chování“. Pojďme si ji trochu polidštit. To nejdůležitější je, že se v plazmatu nachází volné nosiče náboje. Atomy jsou alespoň částečně ionizované. Stupeň ionizace nemusí být příliš veliký, je-li plazmový útvar dosti rozsáhlý. Právě volné nosiče náboje plazma zcela odlišují od plynů. Plazma je vodivé a silně reaguje na elektrická a magnetická pole. Druhá vlastnost je kvazineutralita. Požadujeme, aby v makroskopických objemech bylo vždy v průměru stejné množství kladných a záporných částic. Navenek se plazma jeví jako nenabitá tekutina (kapalina či plyn). Požadavek kvazineutrality vyčleňuje z definice plazmatu nabité svazky částic, které mají přece jen poněkud odlišné vlastnosti. Poslední součástí definice plazmatu je jeho kolektivní chování. Tím se rozumí, že plazma je schopné jako celek svými projevy generovat globální elektrická a magnetická pole a na takováto globální pole reagovat. Do plazmatu většinou nezahrnujeme různé svazky nabitých částic (nesplňují kvazineutralitu) a velmi slabě ionizované plyny – například plamen svíčky (nesplňují kolektivní chování). Pojem plazmatu poprvé použil Irwing Langmuir (1881-1957).

Plazmatické skupenství můžeme rozdělit ještě na několik dalších skupin:

  • Běžné plazma: elektronové obaly atomů jsou částečně poškozené (vysokou teplotou nebo tlakem). Volné elektrony jsou zodpovědné za plazmatické vlastnosti látky.
  • Termonukleární plazma: atomární obaly neexistují, látka je směsicí holých jader a volných elektronů. V tomto stavu je plazma v jádrech hvězd, kde probíhá TJ syntéza.
  • Nukleonové plazma: vysokou teplotou nebo tlakem jsou rozrušena sama jádra atomů. Látka je směsicí elektronů, protonů a neutronů. Nukleonové plazma se ve vesmíru objevilo v časech 10−5 s po vzniku, kdy se z kvarků tvořily první protony a neutrony. Nalezneme ho také ve vnějších obalech explodující supernovy, kde jeho vznik vyvolá stlačení plynů rázovou vlnou. V obálce krátkodobě probíhají překotné termonukleární reakce vedoucí ke vzniku těžkých prvků.
  • Kvark-gluonová plazma: při vysokých energiích jsou roztaveny samotné nukleony na své konstituenty – kvarky a gluony. V tomto stavu byla látka asi do deseti mikrosekund po vzniku vesmíru a uměle se podařilo tento stav látky vytvořit v CERNu v roce 2000. Přečtěte si podrobný článek.

Za plazma však již někteří autoři považují některé části ionosféry, zvláště vrstvu F, která odráží radiové vlny a umožňuje radiové spojení odrazem o ionosféru. Plazma se nachází ve van Allenových radiačních pásech. Sluneční vítr, nepřetržitý proud částic od našeho Slunce, ve kterém se nachází také naše Země, je opět plazmatem. V plazmovém skupenství jsou nitra i atmosféry hvězd, jádra galaxií, mlhoviny a většina objektů ve Vesmíru. Na Zemi se s plazmatem setkáváme v kanálech blesků, při různých výbojích a plazma je také uměle vytvářeno a zkoumáno v laboratořích.

Vláknité struktury

Vláknité struktury v pozůstatku po explozi supernovy v Plachtách. Fotografie Davida Malina,
UK Schmidt Telescope, copyright: Anglo Australian Telescope Board, 1996.

Jaké jsou základní projevy plazmatu? Plazma má tendenci vytvářet lineární a plošné útvary – plazmová vlákna neboli pinčeproudové vrstvy neboli pinčové stěny. V plazmatu dochází k takzvaným driftům – pohybům částic kolmo na magnetická i další silová pole. Plazmatem se může šířit ohromné množství nejrůznějších vln – od magnetoakustických vln, ke kterým patří například známé Alfvénovy vlny, které jsou analogií zvukových vln v plynech až po elektromagnetické vlny mnoha různých modů. Tyto vlny jsou v plazmatu také snadno generovány. V plazmatu dochází k celé řadě nestabilit, které mají za následek například krátkodobé vyzáření značného množství energie doprovázené vznikem některých charakteristických struktur. K plazmatu neodmyslitelně patří vyzařování (rekombinační, brzdné a synchrotronní), vytváření elektrických dvojvrstev, urychlování nabitých částic na značné energie, magnetohydrodynamické dynamo produkující magnetické pole uvnitř Slunce a planet a mnoho dalších zajímavých jevů.

Člověk dnes snadno dokáže vytvořit plazma i v laboratoři . Nejtypičtější příklady jsou:

  • laserové plazma – doba života: 10−12 ÷ 10−9 s
  • pulsní plasma – doba života: 10−9 ÷ 10−6 s
  • tokamak – doba života: 1 s
  • studené plazma – doba života: hodiny, dni, roky


Stupeň ionizace plazmatu

Stupeň ionizace plazmatu (poměr počtu ionizovaných částic vůči celkovému počtu částic) je jedním z nejdůležitějších parametrů, který určuje chování plazmatu. Závisí především na teplotě a lze ho v prvním přiblížení odhadnout ze Sahovy rovnice pro jedenkrát ionizované plazma v termodynamické rovnováze

ni2/nn = C T 3/2 exp[−Ui/kT]  ;      C ~  2,4×1021 m−3 .

kde ni je koncentrace jednonásobných iontů, nn je koncentrace neutrálních částic, Ui je ionizační potenciál a T je teplota plazmatu. Sahova rovnice je použitelná pro plyny. Někdy se za jistý druh plazmatu považují i pevné látky (například kovy), které mají volné nosiče nábojů a vykazují kolektivní chování. Zde však počet volných nosičů náboje není určen Sahovou rovnicí.


Srážky

V plazmatu dochází také ke srážkám nabitých částic. Charakter srážek i jejich mechanismus je odlišný od srážek neutrálních částic. Při srážce neutrálních částic dochází k prudkým změnám směru pohybu, v plazmatu jsou změny směru, způsobené většinou elektrickým polem (~ 1/r2), méně náhlé.

srážky

Srážky v neutrálním plynu a v plazmatu

  • Střední volnou dráhu můžeme definovat například jako průměrnou vzdálenost, při které dojde k odklonu od původního směru o 90°. S rostoucí teplotou účinný průřez srážek klesá - nabité částice se při vysokých teplotách míjejí velkou rychlostí, tím vzájemně na sebe působí krátkou dobu a odchylky od původních drah jsou malé.
  • Elektrická vodivost plazmatu je dána charakterem srážek. Vodivost závisí především na teplotě (σ ~ T 3/2) a minimálně na koncentraci plazmatu. Průchodu proudu brání při nízkých koncentracích malý počet nosičů náboje, při vysokých koncentracích velký počet srážek. S rostoucí teplotou vodivost plazmatu roste (u kovů je tomu naopak), protože účinný průřez srážek klesá.
  • Optická tloušťka (hustota) plazmatu souvisí se střední volnou dráhou fotonů v plazmatu. Za opticky řídké se označuje plazma takových rozměrů, které jsou srovnatelné se střední volnou drahou elektromagnetického záření, které plazmatem prochází. Opticky husté je takové plazma, jehož rozměry jsou mnohem větší, než je střední volná dráha fotonů, záření intenzivně interaguje s plazmatem.