Πλάσμα (φυσική)

Τόσο στη Φυσική όσο και στη Χημεία ονομάζουμε πλάσμα την κατάσταση της ύλης στην οποία αυτή δεν λαμβάνει συγκεκριμένο όγκο και σχήμα που να οφείλεται στην ίδια (όπως συμβαίνει στα αέρια), και επιπλέον βρίσκονται ελεύθερα και όχι σε μοριακούς δεσμούς τα ηλεκτρικά φορτισμένα ατομικά της σωματίδια (ιόντα και ηλεκτρόνια). Υπάρχουν τρεις τουλάχιστον ορισμοί του πλάσματος:

• Πλάσμα είναι ιονισμένο αέριο^[1] σε θερμοκρασία, περίπου, 10⁹ βαθμών Kelvin.
• Πλάσμα είναι ένα μερικώς ιονισμένο αέριο, δηλαδή ένα αέριο στο οποίο κάποια (αλλά όχι όλα) από τα σωματίδια από τα οποία αποτελείται είναι ιόντα και ηλεκτρόνια. Το μερικώς ιονισμένο πλάσμα μπορεί να έχει πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία από το πλήρως ιονισμένο πλάσμα, για παράδειγμα της τάξης των 500 βαθμών Κελσίου. Τα ηλεκτρόνια σε ένα μερικώς ιονισμένο πλάσμα είναι πολύ πιο «θερμά» και δεν βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με τα υπόλοιπα σωματίδια του αερίου. Ο βαθμός ιονισμού εξαρτάται από τη θερμοκρασία (και αντίστροφα) σύμφωνα με την εξίσωση Saha.
• Πλάσμα είναι η κατάσταση της ύλης η οποία αποτελείται από ελεύθερα ιόντα και ηλεκτρόνια.

Κοινό παράδειγμα πλάσματος είναι ο κεραυνός.

Ροή πλάσματος χωρίς (πάνω) και με οριζόντιας φοράς μαγνητικό πεδίο (κάτω).

Ο ένας ορισμός θεωρεί το πλάσμα μορφή αερίου, ενώ ο άλλος το κατατάσσει ως την τέταρτη κατάσταση της ύλης (οι υπόλοιπες τρεις είναι η στερεή, η υγρή και η αέρια). Το πλάσμα διαφέρει από ένα μη-ιονισμένο αέριο. Σχηματίζεται όταν ένα αέριο γίνει πολύ θερμό με αποτέλεσμα ηλεκτρόνια να δραπετεύσουν από το άτομό τους και να γίνονται ελεύθερα (ελεύθερα ηλεκτρόνια). Το πλάσμα συνίσταται επομένως από ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα (άτομα ή μόρια που έχουν χάσει ή αποκτήσει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια), και είναι υπεριονισμένη κατάσταση της ύλης. Το πλάσμα μπορεί να προκύψει από ένα αέριο στο οποίο έχει δοθεί αρκετή ενέργεια για να αποχωριστούν τα άτομα από τα ηλεκτρόνιά τους (ιονισμός), ώστε να παραχθεί ένα νέφος από ιόντα και ηλεκτρόνια.

Ο όρος πλάσμα χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1929 από τους Lewi Tonks και Irving Langmuir για να περιγράψουν το ιονισμένο αέριο μιας ηλεκτρικής εκκένωσης. Από τότε ο όρος αυτός επικράτησε για κάθε αέριο του οποίου ένα ποσοστό των ατόμων ή μορίων του είναι μερικά ή ολικά ιονισμένο^[2].

Πού συναντάται

Πλάσμα συναντάται στον Ήλιο, στους αστέρες, στο μεσοαστρικό διάστημα, στην ιονόσφαιρα, στους κεραυνούς κλπ. Ο ηλιακός άνεμος, επίσης, αποτελείται από πλάσμα. Σε συνθήκες εργαστηρίου δημιουργείται σε θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες, σε σωλήνες φωτισμού που περιέχουν αέρια όπως νέον σε χαμηλή πίεση κλπ.

Ιδιότητες

Σε αντίθεση με τα αέρια, το πλάσμα είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού. Λόγω των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων που το απαρτίζουν, το πλάσμα συμπεριφέρεται διαφορετικά από ένα αέριο, για παράδειγμα όταν εφαρμόζονται σε αυτό ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Έτσι ο όγκος και το σχήμα του καθορίζεται σημαντικά από εφαρμοζόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία (από τα οποία συνήθως και δημιουργείται).

Η θερμοκρασία του πλάσματος είναι υπερβολικά υψηλή, αλλά η πίεσή του είναι υπερβολικά χαμηλή, καθώς είναι πολύ αραιό. Έτσι το πλάσμα που συνήθως δημιουργείται τεχνητά σε εργαστήριο, ερχόμενο σε επαφή με κάποιο σώμα ψύχεται αμέσως, χωρίς να θερμαίνει το άλλο σώμα αισθητά.^[1] Δεν ισχύει το ίδιο βέβαια με έναν κεραυνό που πέφτει στο έδαφος.

Το πλάσμα εκδηλώνει διαφορετικές θερμοδυναμικές ιδιότητες από τις αντίστοιχες των αερίων. Η θερμοκρασία, για παράδειγμα, στην οποία τα σωματίδια του πλάσματος αποκτούν συγκεκριμένη κατανομή ταχυτήτων εξαρτάται από τον βαθμό ιονισμού (και κατ' επέκταση την ένταση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου που προκαλεί τον ιονισμό, ή την ένταση της ακτινοβολίας αν αυτή είναι η αιτία του ιονισμού). Η παραγωγή πλάσματος με εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου έχει σημαντικές τεχνολογικές εφαρμογές, καθώς τεχνολογικές διεργασίες που μέχρι τώρα πραγματοποιούνταν με χρήση μη-ιονισμένων-αερίων σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες μπορούν πλέον να γίνονται με χρήση πλάσματος σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Το οικονομικό όφελος είναι προφανές, καθώς δαπανάται λιγότερη ενέργεια. Επίσης, διεργασίες ανέφικτες με χρήση αερίων γίνονται τεχνικά δυνατές με χρήση πλάσματος.^[3][4][5][6]

Παραπομπές - σημειώσεις

1. Παιδαγωγικό Ινστιτούτο, Υπουργείο Εθνικής Παιδείας και Θρησκευμάτων, επιμ. (2002). «Πυρηνική Χημεία». Χημεία Θετικής Κατεύθυνσης Β΄Λυκείου (6η έκδοση). Οργανισμός Εκδόσεων Διδακτικών Βιβλίων. σελίδες 890–891.
2. Βλάχος, Λουκάς (2021). Φυσική πλάσματος. Θεσσαλονίκη: Εκδόσεις Τζιόλα. σελ. 1. ISBN 978-960-8050-32-7.
3. «Thin film silicon solar cells» (PDF). Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 12 Ιουνίου 2011. Ανακτήθηκε στις 19 Ιανουαρίου 2009.
4. Hot wire CVD
5. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
6. «Plasma Processes of Polytetrafluoroethylene» (PDF). Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 27 Φεβρουαρίου 2009. Ανακτήθηκε στις 19 Ιανουαρίου 2009.

Δείτε επίσης

• Φυσική Πλάσματος