Ορισμός του πλάσματος (κατάσταση της ύλης, φυσική και χημεία)

Άγγελος Ζαμόρα Ραμίρεζ
Πτυχίο φυσικής

Το πλάσμα είναι ένα αέριο ρευστό στο οποίο ένα κλάσμα του ιονίζεται, δηλαδή έχει σημαντική ποσότητα ιόντων και ελεύθερων ηλεκτρονίων, που αποτελούν την τέταρτη κατάσταση συσσωμάτωσης του θέμα.

Στερεό, υγρό και αέριο... Ίσως οι περισσότεροι από εμάς είναι εξοικειωμένοι με αυτές τις τρεις καταστάσεις του ύλη, ωστόσο, υπάρχει μια τέταρτη κατάσταση συσσωμάτωσης που προκύπτει από την αέρια κατάσταση και την οποία συχνά περνάμε υψηλός. Πρόκειται για το πλάσμα, ένα ιονισμένο αέριο που μπορούμε να βρούμε σε αστέρια, οθόνες πλάσματος, φωτιά κ.λπ.

Το πλάσμα ως κατάσταση συσσωμάτωσης

Όταν η ύλη βρίσκεται σε στερεή κατάσταση, τα άτομα ή τα μόριά της υπόκεινται σε συνεκτικές δυνάμεις μεταξύ τους και σχηματίζουν καθορισμένες δομές. Αν αλλάξουμε τη θερμοκρασία ή την πίεση ενός στερεού με τέτοιο τρόπο ώστε τα μόριά του αρχίζουν να κινούνται περισσότερο, τελικά οι διαμοριακές δυνάμεις μειώνονται και πάμε στην κατάσταση υγρό.

Στην υγρή κατάσταση οι δυνάμεις συνοχής μεταξύ των μορίων είναι μικρότερες από ό, τι στη στερεή κατάσταση. Η ύλη σε υγρή κατάσταση έχει λιγότερο οργανωμένη δομή και επομένως δεν έχει καθορισμένο όγκο. Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση, αν τροποποιήσουμε τη θερμοκρασία ή την πίεση του υγρού μπορούμε να το κάνουμε να αλλάξει σε αέρια κατάσταση.

Σε ένα αέριο, οι διαμοριακές δυνάμεις είναι πολύ μικρές και σε ορισμένες περιπτώσεις πρακτικά μηδενικές. Τα αέρια θεωρούνται ρευστά στα οποία τα μόρια που τα συνθέτουν κινούνται ελεύθερα. Αυξάνοντας τη θερμοκρασία ή την πίεση ενός αερίου, δημιουργείται περισσότερη κίνηση των μορίων που το συνθέτουν και αυξάνεται επίσης ο αριθμός των συγκρούσεων. Αυτές οι συγκρούσεις μπορούν να αναγκάσουν τα ηλεκτρόνια ορισμένων ατόμων να απελευθερωθούν από τα τροχιακά τους και να απελευθερωθούν.

Σε αυτό το σημείο δημιουργείται ένα πλάσμα, ένα ιονισμένο αέριο με μια ορισμένη ποσότητα κατιόντων (θετικά ιόντα) και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα ελεύθερα ηλεκτρικά φορτία καθιστούν το πλάσμα εξαιρετικούς ηλεκτρικούς αγωγούς και επίσης ανταποκρίνονται στα ηλεκτρομαγνητικά πεδία.

Θα μπορούσαμε να πούμε ότι αυτή η νέα κατάσταση της ύλης μελετήθηκε για πρώτη φορά από τον William Crookes στα πειράματά του με τις καθοδικές ακτίνες τη δεκαετία του 1880. Ωστόσο, ήταν ο φυσικός Irving Langmuir που το 1928 επινόησε τον όρο «πλάσμα» για να αναφερθεί σε αυτό το ιονισμένο αέριο που αργότερα θα θεωρηθεί μια άλλη κατάσταση της ύλης.

Το πλάσμα στη Γη και στο Σύμπαν

Το πλάσμα θεωρείται η πιο άφθονη κατάσταση συσσωμάτωσης της ύλης. Σχεδόν το 99% της βαρυονικής ύλης που μπορούμε να παρατηρήσουμε στο Σύμπαν βρίσκεται σε πλασματική κατάσταση.

Αυτό σαφώς δεν ισχύει για τον πλανήτη μας, αφού το μεγαλύτερο μέρος της ύλης που παρατηρούμε εδώ βρίσκεται στις άλλες τρεις καταστάσεις συσσωμάτωσης. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένα μέρη ή φαινόμενα όπου μπορούμε να παρατηρήσουμε την ύλη σε πλασματική κατάσταση. Οι κεραυνοί που μπορούμε να παρατηρήσουμε κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας προκύπτει από τον ιονισμό αερίου στην ατμόσφαιρα. Η ιονόσφαιρα, η οποία είναι το ιονισμένο στρώμα της ατμόσφαιρας λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας, είναι επίσης ένα πλάσμα, όπως και οι πολικές σέλας που μπορούν να παρατηρηθούν ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ του μαγνητικού πεδίου της γης και των ανέμων ηλιακός.

Στο Σύμπαν μπορούμε να βρούμε πλάσμα σχεδόν παντού. Τα ίδια τα αστέρια είναι μεγάλες σφαίρες πλάσματος που προκύπτουν από θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στους πυρήνες τους. Επιπλέον, η θερμότητα που παράγεται από τα αστέρια ιονίζει επίσης το αέριο μέσο που τα περιβάλλει, σε γενικές γραμμές μπορούμε να πούμε ότι το διαστρικό μέσο είναι επίσης ένα πλάσμα. Επίσης, τα αστέρια τείνουν να διώχνουν μεγάλους πίδακες φορτισμένων σωματιδίων που ονομάζουμε «ηλιακούς άνεμους» και τα οποία είναι ύλη σε πλασματική κατάσταση. Πολλά από τα νεφελώματα που μπορούμε να δούμε σε διάφορα σημεία στο Σύμπαν δεν είναι τίποτα άλλο από ιονισμένο αέριο που περιβάλλει ένα ή περισσότερα αστέρια.

Στην καθημερινότητά μας μπορούμε επίσης να βρούμε αρκετά παραδείγματα της τεχνολογικής χρήσης που έχει το πλάσμα. Οι οθόνες πλάσματος, όπως υποδηλώνει το όνομα, χρησιμοποιούν διαμερίσματα γεμάτα με ευγενή αέρια που ιονίζονται και εκπέμπουν φως. Μπορούμε επίσης να βρούμε πλάσμα σε σωλήνες φθορισμού, φώτα νέον και λαμπτήρες πλάσματος που χρησιμοποιούνται για διακοσμητικούς σκοπούς.

Μια πέμπτη κατάσταση της ύλης;

Πρόσφατα πειράματα που έγιναν κάτω από ακραίες συνθήκες κατάφεραν να λάβουν αυτό που πολλοί θεωρούν την πέμπτη κατάσταση συσσωμάτωσης της ύλης. Αυτό είναι το Quark-Gluon Plasma, ένας τύπος πλάσματος που αποτελείται από ελεύθερα κουάρκ και γκλουόνια.

Τα κουάρκ και τα γκλουόνια είναι τα δομικά στοιχεία των πρωτονίων και των νετρονίων που αποτελούν τους ατομικούς πυρήνες. Το πλάσμα κουάρκ και γλουονίου λαμβάνεται σε επιταχυντές σωματιδίων όταν συγκρούονται βαρείς πυρήνες μολύβδου ή χρυσού. Η σύγκρουση μεταξύ των πυρήνων δημιουργεί αρκετή θερμοκρασία έτσι ώστε για λίγες στιγμές τα κουάρκ και τα γκλουόνια να είναι ελεύθερα και να σχηματίζεται το πλάσμα.

Η μελέτη του πλάσματος των κουάρκ και των γκλουονίων είναι ιδιαίτερα σημαντική γιατί κατά τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και πριν από το σχηματισμό των πρώτων ατόμων, πιστεύεται ότι η υπάρχουσα ύλη βρισκόταν σε αυτό κατάσταση.