Plazma
Plazma (někdy psáno i plasma) je čtvrté skupenství hmoty, které se skládá z částečně nebo plně ionizovaného plynu. Tento stav je charakterizován přítomností volných nosičů elektrického náboje – elektronů a iontů – což mu propůjčuje unikátní vlastnosti, kterými se liší od pevných látek, kapalin i plynů. Plazma je nejrozšířenějším skupenstvím ve vesmíru, tvoří více než 99 % viditelné hmoty. ```
```
📜 Definice a charakteristika
Zatímco v běžném plynu jsou atomy a molekuly elektricky neutrální, v plazmatu je alespoň část těchto částic rozdělena na kladně nabité ionty a záporně nabité elektrony. Tento proces se nazývá ionizace a dochází k němu dodáním energie, například vysokou teplotou, silným elektrickým polem nebo elektromagnetickým zářením (např. ultrafialovým).
Klíčové vlastnosti plazmatu jsou:
- Elektrická vodivost: Díky přítomnosti volných nabitých částic je plazma výborným vodičem elektrického proudu. Jeho vodivost je srovnatelná s kovy.
- Interakce s elektromagnetickými poli: Nabité částice v plazmatu silně reagují na elektrická i magnetická pole. Toho se využívá například k udržení horkého plazmatu v tokamaku.
- Kvazineutralita: Ačkoliv plazma obsahuje volné náboje, v makroskopickém měřítku je obvykle elektricky neutrální. Celkový kladný náboj iontů je přibližně roven celkovému zápornému náboji elektronů.
- Kolektivní chování: Pohyb částic v plazmatu je ovlivněn dalekodosahovými elektromagnetickými silami. Chování jedné části plazmatu tak ovlivňuje i velmi vzdálené části, což vede ke vzniku komplexních struktur, jako jsou vlny, filamenty a dvojvrstvy.
- Emise záření: Při procesech rekombinace (spojení elektronu a iontu) nebo deexcitace atomů dochází k vyzařování světla, což je důvod, proč plazma často svítí (např. v neonových trubicích nebo u blesku).
```
```
⏳ Vznik a výskyt
Plazma je ve vesmíru všudypřítomné, na Zemi se však v přirozené formě vyskytuje méně často.
🌌 Ve vesmíru
- Hvězdy: Všechny hvězdy, včetně našeho Slunce, jsou obrovské koule horkého a hustého plazmatu, v jejichž jádrech probíhá termonukleární fúze.
- Mezihvězdná hmota: Prostor mezi hvězdami je vyplněn řídkým plazmatem.
- Mlhoviny: Mnoho mlhovin (např. mlhovina v Orionu) svítí, protože jejich plyn je ionizován zářením blízkých hvězd.
- Sluneční vítr: Proud plazmatu neustále unikající ze Slunce, který prostupuje celou sluneční soustavou.
- Akréční disky: Plazma obíhající kolem černých děr nebo neutronových hvězd se třením zahřívá na extrémní teploty a intenzivně září.
🌍 Na Zemi
- Blesk: Kanál blesku je dočasný sloupec plazmatu vytvořený masivním elektrickým výbojem v atmosféře.
- Polární záře:
Polární záře (aurora borealis a aurora australis) vzniká, když částice slunečního větru (plazma) interagují s magnetosférou Země a excitují atomy v horních vrstvách atmosféry. - Ionosféra: Vrstva zemské atmosféry ve výšce přibližně 60 až 1000 km, která je ionizována slunečním zářením.
- Plamen: I běžný plamen svíčky nebo táboráku obsahuje malé množství slabě ionizovaného plazmatu.
🏭 Uměle vytvořené plazma
- Osvětlovací technika: Zářivky, neonové trubice a výbojky obsahují nízkotlaké plazma.
- Plazmové televize: Každý pixel obrazovky byl tvořen miniaturní komůrkou s plynem, který se při zapnutí změnil na plazma a vyzářil UV záření, jež rozsvítilo luminofor.
- Průmyslové aplikace: Plazmové řezání a svařování, naprašování tenkých vrstev, sterilizace nebo čištění povrchů.
- Výzkum termonukleární fúze: V zařízeních jako tokamak nebo stellarator se vědci snaží vytvořit a udržet extrémně horké plazma za účelem získání čisté energie.
```
```
🔬 Typy plazmatu
Plazma lze dělit podle různých kritérií, nejčastěji podle teploty a hustoty.
🔥 Podle teploty
Zásadní je rozdíl mezi teplotou elektronů a teplotou těžších částic (iontů a neutrálních atomů).
- Vysokoteplotní (horké) plazma:
- Všechny částice (elektrony i ionty) mají velmi vysokou teplotu, často miliony kelvinů (K).
- Plyn je téměř úplně ionizovaný.
- Typické pro hvězdná jádra a experimenty s řízenou termonukleární fúzí.
- Nízkoteplotní (studené) plazma:
- Existuje zde velký rozdíl v teplotách: elektrony jsou velmi "horké" (mají vysokou energii, tisíce K), ale ionty a neutrální atomy zůstávají blízké pokojové teplotě.
- Plyn je jen částečně ionizovaný.
- Díky tomu, že celková teplota plynu je nízká, lze toto plazma využít v aplikacích citlivých na teplo.
- Příklady: zářivky, plazmové displeje, plazmová medicína.
💨 Podle hustoty a stupně ionizace
- Slabě ionizované plazma: Obsahuje velké množství neutrálních atomů a jen malý podíl ionizovaných částic. Chování takového plazmatu je silně ovlivněno srážkami s neutrálními atomy.
- Silně ionizované plazma: Většina atomů je ionizována a vliv neutrálních částic je zanedbatelný. Jeho chování dominují elektromagnetické síly.
```
```
💡 Využití a aplikace
Unikátní vlastnosti plazmatu umožňují jeho široké využití v mnoha oborech vědy a techniky.
- Průmysl:
- Mikroelektronika: Plazmové leptání je klíčový proces při výrobě integrovaných obvodů a mikroprocesorů, kde umožňuje vytvářet extrémně jemné struktury.
- Povrchové úpravy: Plazmové nástřiky se používají k nanášení tvrdých, otěruvzdorných nebo korozivzdorných vrstev (např. na řezné nástroje nebo lopatky turbín). Plazmové čištění zase dokáže odstranit i ty nejmenší nečistoty z povrchů na atomární úrovni.
- Svařování a řezání: Plazmové hořáky generují úzký a extrémně horký paprsek plazmatu, který dokáže rychle a přesně řezat i velmi silné kovové materiály.
- Energetika:
- Termonukleární fúze: Nejambicióznější cíl výzkumu plazmatu. Snahou je na Zemi napodobit procesy probíhající ve Slunci a získat tak prakticky nevyčerpatelný a ekologicky čistý zdroj energie. Projekty jako ITER se pokoušejí udržet plazma o teplotě přes 150 milionů °C pomocí silných magnetických polí.
- Osvětlení a displeje:
- Zářivky a úsporné žárovky využívají plazmový výboj v parách rtuťi k produkci UV záření, které je následně převedeno na viditelné světlo pomocí luminoforu.
- Neonové a jiné reklamní trubice svítí díky plazmatu v různých vzácných plynech, které emitují světlo charakteristických barev.
- Medicína:
- Ochrana životního prostředí:
- Zpracování odpadu: Plazmové zplyňování umožňuje rozložit nebezpečný nebo komunální odpad při velmi vysokých teplotách na základní plynné složky (syntézní plyn), které lze dále energeticky využít.
- Čištění spalin: Plazmové reaktory mohou rozkládat škodlivé látky ve výfukových plynech.
```
```
⚛️ Pro laiky: Co je to plazma?
Představit si plazma je snadné, pokud si připomeneme ostatní skupenství hmoty.
Představte si kostku ledu. To je pevná látka. Molekuly vody jsou pevně uspořádány v krystalové mřížce.
Když led zahřejeme, roztaje na vodu. To je kapalina. Molekuly se již mohou volněji pohybovat, ale stále drží u sebe.
Když vodu dále zahříváme, začne se vařit a měnit na pára|páru. To je plyn. Molekuly se pohybují chaoticky a daleko od sebe.
A co se stane, když budeme zahřívat plyn na ještě vyšší teplotu – na tisíce nebo miliony stupňů? Energie dodaná atomům plynu bude tak obrovská, že z nich začne "odtrhávat" jejich elektronové obaly. Z původně neutrálních atomů se tak stanou dvě nové částice: kladně nabitý ion (zbytek atomu) a záporně nabitý elektron.
Tato směs volně se pohybujících iontů a elektronů je právě plazma. Můžeme si ho představit jako jakousi "elektrickou polévku". Protože obsahuje nabité částice, chová se úplně jinak než obyčejný plyn – například vede elektrický proud a reaguje na magnety. Právě proto je Slunce (koule plazmatu) zdrojem obrovského magnetického pole. ```
```
🧪 Historie výzkumu
- 1879: Anglický fyzik a chemik Sir William Crookes při experimentech s katodovými trubicemi identifikoval nový stav hmoty, který nazval "zářivá hmota" (radiant matter).
- 1928: Americký chemik a fyzik Irving Langmuir jako první použil termín "plazma" pro ionizovaný plyn. Inspiroval se krevní plazmou, která také přenáší různé druhy částic (červené a bílé krvinky).
- 40. léta 20. století: Švédský fyzik Hannes Alfvén položil základy moderní magnetohydrodynamiky, což je obor popisující chování vodivých tekutin a plazmatu v magnetických polích. Za svou práci později obdržel Nobelovu cenu za fyziku (1970).
- 50. léta 20. století: Začíná intenzivní výzkum řízené termonukleární fúze, který vede ke konstrukci prvních experimentálních zařízení, jako jsou tokamaky v Sovětském svazu.
```
```