Czym jest plazma?
Większość z nas zna trzy podstawowe stany skupienia materii – ciało stałe, ciecz i gaz. Istnieje jednak jeszcze jeden, znacznie mniej znany, ale jednocześnie najpowszechniejszy we Wszechświecie. Jest nim plazma, nazywana czwartym stanem materii.
Powstaje wtedy, gdy gaz otrzyma tak dużą ilość energii, że elektrony zostają oderwane od atomów. W efekcie tworzy się mieszanina swobodnie poruszających się elektronów oraz dodatnio naładowanych jonów. Taki zjonizowany gaz zachowuje się zupełnie inaczej niż zwykły gaz – przewodzi prąd, reaguje na pola magnetyczne i często emituje światło.
Dlaczego plazma jest wyjątkowa?
Choć plazma powstaje z gazu, nie jest po prostu „gorącym gazem”.
Naładowane elektrycznie cząstki oddziałują ze sobą za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych, dzięki czemu plazma potrafi tworzyć złożone struktury i zachowuje się kolektywnie.
To właśnie te właściwości sprawiają, że plazma jest przedmiotem intensywnych badań fizyków na całym świecie.
Jak powstaje plazma?
Najczęściej plazma tworzy się pod wpływem bardzo wysokiej temperatury.
Jeżeli gaz zostanie odpowiednio mocno ogrzany, atomy zaczynają tracić elektrony. Do jonizacji może dojść również wskutek działania silnego pola elektrycznego, promieniowania lub bardzo intensywnych laserów.
Nie każda plazma musi być jednak niezwykle gorąca. Istnieją również tzw. zimne plazmy, wykorzystywane między innymi w medycynie i przemyśle.
Gdzie we Wszechświecie występuje plazma?
Choć na Ziemi spotykamy ją stosunkowo rzadko, w kosmosie plazma dominuje.
Zbudowane są z niej między innymi:
- Słońce,
- wszystkie gwiazdy,
- mgławice,
- wiatr słoneczny,
- korona słoneczna,
- zorze polarne,
- część materii międzygwiazdowej.
Szacuje się, że ponad 99% widzialnej materii we Wszechświecie występuje właśnie w postaci plazmy.
Plazma na Ziemi
Choć może wydawać się egzotyczna, plazmę można spotkać także w naszym codziennym życiu.
Najbardziej znane przykłady to:
- błyskawice,
- lampy neonowe,
- świetlówki,
- kule plazmowe,
- łuki elektryczne wykorzystywane podczas spawania.
Każde z tych zjawisk wykorzystuje właściwości zjonizowanego gazu.
Plazma a Słońce
Nasza gwiazda jest gigantyczną kulą gorącej plazmy.
Temperatura w jej jądrze przekracza 15 milionów stopni Celsjusza, co umożliwia zachodzenie reakcji syntezy jądrowej.
Energia powstająca podczas łączenia atomów wodoru dociera do Ziemi w postaci światła i ciepła, umożliwiając istnienie życia.
Również rozbłyski słoneczne oraz koronalne wyrzuty masy są zjawiskami związanymi z ruchem plazmy w polach magnetycznych Słońca.
Plazma i energia przyszłości
Jednym z największych marzeń współczesnej fizyki jest opanowanie kontrolowanej syntezy jądrowej.
W reaktorach fuzyjnych naukowcy próbują utrzymać plazmę o temperaturze przekraczającej 100 milionów stopni Celsjusza.
Jest to niezwykle trudne, ponieważ żadna znana substancja nie wytrzyma tak wysokiej temperatury. Dlatego plazma nie dotyka ścian reaktora – utrzymywana jest w zawieszeniu za pomocą bardzo silnych pól magnetycznych.
Jeżeli uda się osiągnąć stabilną syntezę jądrową, ludzkość może zyskać niemal niewyczerpane i niskoemisyjne źródło energii.
Plazma w medycynie
Coraz większą popularność zdobywa tzw. zimna plazma.
Znajduje ona zastosowanie między innymi w:
- dezynfekcji narzędzi medycznych,
- leczeniu trudno gojących się ran,
- stomatologii,
- dermatologii,
- niszczeniu bakterii i wirusów.
Badania wskazują, że odpowiednio kontrolowana plazma może skutecznie eliminować drobnoustroje, jednocześnie nie uszkadzając zdrowych tkanek.
Plazma w przemyśle
Nowoczesny przemysł również wykorzystuje niezwykłe właściwości plazmy.
Stosuje się ją między innymi do:
- produkcji mikroprocesorów,
- obróbki powierzchni metali,
- nanoszenia cienkich powłok ochronnych,
- cięcia i spawania metali,
- oczyszczania gazów przemysłowych.
Bez technologii plazmowych rozwój współczesnej elektroniki byłby znacznie trudniejszy.
Dlaczego plazma fascynuje naukowców?
Plazma łączy w sobie zagadnienia fizyki atomowej, elektromagnetyzmu, astrofizyki i inżynierii.
Jej badanie pomaga lepiej zrozumieć:
- działanie gwiazd,
- powstawanie zórz polarnych,
- wyładowania atmosferyczne,
- procesy zachodzące w galaktykach,
- możliwości wykorzystania energii termojądrowej.
Każde nowe odkrycie przybliża naukowców do lepszego poznania procesów zachodzących zarówno w laboratoriach, jak i w najodleglejszych zakątkach Wszechświata.
Podsumowanie
Plazma to czwarty stan materii, który dominuje we Wszechświecie i stanowi budulec gwiazd, mgławic oraz wielu innych obiektów kosmicznych. Powstaje w wyniku jonizacji gazu, dzięki czemu zyskuje wyjątkowe właściwości – przewodzi prąd, reaguje na pola magnetyczne i często emituje światło.
Choć na Ziemi spotykamy ją głównie podczas burz lub w urządzeniach elektrycznych, jej znaczenie stale rośnie. Badania nad plazmą otwierają drogę do nowych technologii, przełomów w medycynie oraz rozwoju energetyki termojądrowej, która w przyszłości może stać się jednym z najważniejszych źródeł czystej energii dla całej ludzkości.