Plazma (fyzika)

Rozbalit box

Obsah boxu

Plazma (z řeckého πλάσμα, plasma, „něco vytvořeného“) je čtvrté skupenství hmoty, které je často označováno jako ionizovaný plyn. Skládá se z elektricky nabitých částic – iontů a elektronů – a také z neutrálních atomů či molekul. Přestože obsahuje volné nosiče náboje, jako celek je plazma navenek elektricky neutrální, což se označuje jako kvazineutralita. Díky přítomnosti nabitých částic plazma silně interaguje s elektrickým a magnetickým polem a vykazuje tzv. kolektivní chování, které ho zásadně odlišuje od běžného plynu.

Plazma je nejrozšířenějším skupenstvím ve vesmíru, tvoří více než 99 % viditelné hmoty. Všechny hvězdy včetně Slunce, většina mlhovin a mezihvězdná hmota se nacházejí ve stavu plazmatu. Na Zemi se s plazmatem v přírodě setkáváme v podobě blesků, polárních září nebo ve vyšších vrstvách atmosféry (ionosféra).

📜 Historie a objev

Jako první popsal jevy v ionizovaném plynu anglický fyzik a chemik Sir William Crookes v roce 1879 při studiu katodového záření ve výbojových trubicích. Nazval tento stav „zářivou hmotou“ (radiant matter). Správně identifikoval, že se jedná o nové skupenství s unikátními vlastnostmi.

Samotný termín „plazma“ zavedl až americký chemik a fyzik Irving Langmuir v roce 1928. Inspiroval se analogií s krevní plazmou, která přenáší červené a bílé krvinky podobně, jako ionizovaný plyn přenáší elektrony a ionty. Langmuir spolu se svým kolegou Lewi Tonksem pozorovali v ionizovaném plynu specifické oscilace, dnes známé jako Langmuirovy vlny, které potvrdily kolektivní povahu tohoto stavu hmoty. Studium plazmatu se stalo základem pro obor známý jako fyzika plazmatu.

🔬 Definice a vlastnosti

Plazma je definováno jako kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Aby mohl být ionizovaný plyn považován za plazma, musí splňovat několik klíčových kritérií.

⚡ Ionizace

Základním předpokladem pro vznik plazmatu je ionizace, tedy proces, při kterém atom nebo molekula ztrácí nebo získává elektron a stává se z něj iont. K ionizaci dochází dodáním energie, nejčastěji:

Zahřátím: Při vysokých teplotách mají částice plynu tak velkou kinetickou energii, že při vzájemných srážkách dochází k odtržení elektronů z atomových obalů.
Silným elektrickým polem: Vnější elektrické pole může urychlit volné elektrony natolik, že při srážce s neutrálním atomem ho ionizují, čímž vzniká lavinový efekt.
Ozářením: Vysokoenergetické elektromagnetické záření (např. ultrafialové záření nebo rentgenové záření) může předat svou energii elektronům a způsobit jejich uvolnění.

Stupeň ionizace udává poměr počtu ionizovaných částic k celkovému počtu částic. Může se pohybovat od zlomku procenta (částečně ionizované plazma) až po téměř 100 % (plně ionizované plazma).

🌡️ Teplota a hustota

Plazma může existovat v obrovském rozsahu teplot a hustot. Teplota v plazmatu je často definována odděleně pro různé druhy částic:

Elektronová teplota (T_e): Střední kinetická energie elektronů.
Iontová teplota (T_i): Střední kinetická energie iontů.
Teplota neutrálních částic (T_n): Střední kinetická energie neutrálních atomů/molekul.

Podle vztahu mezi těmito teplotami se plazma dělí na:

Termální (izotermické) plazma: Teploty všech složek jsou přibližně stejné (T_e ≈ T_i ≈ T_n). Příkladem jsou hvězdy nebo plazma v tokamaku.
Netermální (neizotermické, studené) plazma: Elektronová teplota je výrazně vyšší než teplota iontů a neutrálních částic (T_e >> T_i). Elektrony jsou "horké", zatímco těžší částice zůstávají "studené". Příkladem jsou zářivky nebo plazmové displeje.

🌐 Kvazineutralita

Ačkoliv se plazma skládá z volných nabitých částic, na makroskopické úrovni (na vzdálenostech větších než tzv. Debyeova délka) je elektricky téměř neutrální. To znamená, že hustota kladného náboje iontů je přibližně stejná jako hustota záporného náboje elektronů. Lokální narušení neutrality je rychle kompenzováno přesunem nabitých částic, což je proces známý jako Debyeovo stínění. Debyeova délka je charakteristická vzdálenost, na které se elektrické pole jedné částice "odstíní" okolními částicemi.

🤝 Kolektivní chování

Na rozdíl od neutrálního plynu, kde dominují krátkodosahové srážky, v plazmatu hrají klíčovou roli dalekodosahové elektromagnetické síly. Každá částice interaguje současně s velkým množstvím ostatních částic. Toto kolektivní chování vede ke vzniku široké škály jevů, které v plynech nepozorujeme, jako jsou plazmové vlny (např. Langmuirovy vlny, Alfvénovy vlny), nestability a tvorba složitých struktur (filamenty, vrstvy).

🗂️ Typy plazmatu

Plazma se klasifikuje podle různých kritérií, nejčastěji podle teploty a stupně ionizace.

🔥 Horké (vysokoteplotní) plazma

Horké plazma je téměř plně ionizované a jeho teplota dosahuje milionů až miliard kelvinů. Všechny složky (elektrony, ionty) mají velmi vysokou energii a jsou v termodynamické rovnováze.

Příklady:

   * Jádra hvězd a Slunce (teploty řádově 10⁷ K)
   * Sluneční koróna
   * Plazma v experimentálních zařízeních pro řízenou termojadernou fúzi (tokamak, stellarator)
   * Plazma vzniklé po jaderném výbuchu

❄️ Studené (nízkoteplotní) plazma

Studené plazma je pouze částečně ionizované a nachází se v nerovnovážném stavu, kde elektrony mají vysokou teplotu (desítky tisíc kelvinů), ale ionty a neutrální částice zůstávají blízké pokojové teplotě. Díky tomu může existovat i za atmosférického tlaku, aniž by ničilo okolní materiály.

Příklady:

   * Zářivky a neonové osvětlení
   * Plazmové displeje
   * Polární záře
   * Plazma pro průmyslové aplikace (leptání, sterilizace)
   * Blesk (jádro je horké, ale okrajové části jsou studenější)

🌍 Výskyt v přírodě a vesmíru

Plazma je dominantním skupenstvím ve vesmíru, zatímco na Zemi je relativně vzácné.

🌌 Vesmírné plazma

Více než 99 % baryonové hmoty ve vesmíru je ve formě plazmatu.

Hvězdy: Všechny hvězdy jsou koule horkého, hustého plazmatu, kde probíhá termonukleární fúze.
Sluneční vítr: Proud plazmatu neustále unikající ze Slunce a prostupující celou sluneční soustavou.
Mlhoviny: Mračna mezihvězdného plynu a prachu jsou často ionizovány zářením blízkých hvězd, čímž se mění v plazma (např. emisní mlhoviny).
Magnetosféry planet: Oblasti kolem planet s magnetickým polem (jako magnetosféra Země), kde je plazma zachyceno.
Akréční disky: Plazma obíhající kolem kompaktních objektů jako jsou černé díry nebo neutronové hvězdy.

🌎 Pozemské plazma

Na Zemi se plazma přirozeně vyskytuje jen za specifických podmínek.

Blesky: Dočasný, ale velmi horký a hustý kanál plazmatu vytvořený elektrickým výbojem v atmosféře.
Polární záře (Aurora Borealis/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. Je klíčová pro odraz rádiových vln.
Plamen: Některé typy plamenů (zejména při vysokých teplotách) obsahují malé množství ionizovaného plynu a vykazují vlastnosti slabě ionizovaného plazmatu.

⚙️ Technologické využití

Vlastnosti plazmatu umožňují jeho široké využití v mnoha moderních technologiích.

💡 Osvětlení a displeje

Zářivky a úsporné žárovky: Elektrický výboj v parách rtuti a argonu vytváří nízkoteplotní plazma, které emituje ultrafialové záření. To je následně převedeno na viditelné světlo pomocí luminoforu na stěnách trubice.
Neonové a jiné výbojky: Plazma v trubicích naplněných různými vzacnými plyny (neon, argon, xenon) emituje světlo charakteristických barev.
Plazmové displeje: Každý pixel je tvořen miniaturní komůrkou naplněnou plynem. Elektrické napětí v ní vytvoří plazma emitující UV záření, které rozsvítí luminofory červené, zelené nebo modré barvy.

🏭 Průmyslové aplikace

Plazmové leptání: V mikroelektronice se používá k přesnému odstraňování materiálu při výrobě integrovaných obvodů.
Povrchové úpravy: Plazmové nástřiky umožňují nanášet tenké, tvrdé a odolné vrstvy na materiály (např. nitrid titanu na vrtáky).
Svařování a řezání: Plazmový hořák generuje úzký paprsek velmi horkého plazmatu, který dokáže tavit a řezat i velmi silné a odolné kovy.
Sterilizace: Nízkoteplotní plazma se používá ke sterilizaci lékařských nástrojů citlivých na teplo, protože účinně ničí bakterie a viry.
Zpracování odpadu: Plazmové zplyňování umožňuje ekologicky rozkládat nebezpečný odpad při extrémně vysokých teplotách.

⚛️ Jaderná fúze

Řízená termonukleární fúze je považována za potenciální zdroj čisté energie budoucnosti. Aby k fúzi došlo, je nutné zahřát izotopy vodíku (deuterium a tritium) na teploty přes 100 milionů °C, čímž vznikne plně ionizované plazma. Udržet takto horké plazma je obrovskou technickou výzvou; nejčastěji se k tomu používají zařízení založená na magnetickém udržení, jako jsou tokamaky (např. projekt ITER) a stellaratory.

🚀 Kosmický pohon

Ionové motory a další typy plazmových motorů se používají pro pohon kosmických sond a satelitů. Vytvářejí plazma (např. z xenonu), které je následně urychlováno elektrickým nebo magnetickým polem. Poskytují sice malý, ale dlouhodobý a velmi účinný tah, ideální pro dlouhé mise ve vesmíru.

🤔 Plazma pro laiky

Představte si, že berete pevnou látku, například led, a dodáváte jí energii (teplo). Led se roztaje na vodu (kapalinu). Když vodu dále zahříváte, změní se na páru (plyn). Co se stane, když budete zahřívat plyn na ještě vyšší teploty?

Při extrémně vysokých teplotách (tisíce až miliony stupňů) se atomy plynu začnou pohybovat tak rychle, že se při vzájemných srážkách rozbíjejí. Z jejich obalů se odtrhávají elektrony. Výsledkem je "polévka" volně se pohybujících záporných elektronů a kladných iontů (zbytků atomů). A právě tato elektricky nabitá polévka je plazma.

Hlavní rozdíl mezi plynem a plazmatem je v tom, že částice plynu jsou elektricky neutrální, zatímco částice plazmatu mají elektrický náboj. Díky tomu plazma reaguje na magnety a elektřinu. Můžeme ho tvarovat magnetickým polem (jako v reaktorech pro jadernou fúzi) nebo jím vést elektrický proud (jako v zářivce). Je to právě tato vlastnost, která z plazmatu dělá tak unikátní a užitečné skupenství.

Šablona:Aktualizováno