ความหมายของพลาสมา (สถานะของสสาร ฟิสิกส์ และเคมี)

อังเคล ซาโมรา รามิเรซ
ปริญญาในสาขาฟิสิกส์

พลาสมาเป็นของเหลวที่เป็นก๊าซซึ่งส่วนหนึ่งของมันแตกตัวเป็นไอออน นั่นคือมี ไอออนและอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมาก ประกอบเป็นสถานะที่สี่ของการรวมตัวของ เรื่อง.

ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ... บางทีพวกเราส่วนใหญ่อาจคุ้นเคยกับสถานะทั้งสามนี้ของ อย่างไรก็ตาม สสารมีสถานะที่สี่ของการรวมตัวที่ต่อจากสถานะก๊าซและเรามักจะผ่านไป สูง. มันเกี่ยวกับพลาสมา ก๊าซไอออไนซ์ที่เราพบได้ในดาวฤกษ์ จอพลาสมา ไฟ ฯลฯ

พลาสมาเป็นสถานะของการรวมตัว

เมื่อสสารอยู่ในสถานะของแข็ง อะตอมหรือโมเลกุลของสสารจะอยู่ภายใต้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างสสารและสร้างโครงสร้างที่กำหนดขึ้น ถ้าเราเปลี่ยนอุณหภูมิหรือความดันของของแข็งในลักษณะที่โมเลกุลของมัน พวกมันเริ่มเคลื่อนไหวมากขึ้น ในที่สุดแรงระหว่างโมเลกุลก็ลดลงและเราจะเข้าสู่สถานะ ของเหลว.

ในสถานะของเหลว แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลจะน้อยกว่าในสถานะของแข็ง สสารในสถานะของเหลวมีโครงสร้างที่มีการจัดระเบียบน้อยกว่า ดังนั้นจึงไม่มีปริมาตรที่กำหนด เช่นเดียวกับกรณีก่อนหน้านี้ หากเราปรับเปลี่ยนอุณหภูมิหรือความดันของของเหลว เราสามารถทำให้มันเปลี่ยนสถานะเป็นก๊าซได้

ในก๊าซ แรงระหว่างโมเลกุลมีขนาดเล็กมากและในบางกรณีเกือบจะเป็นศูนย์ ก๊าซถือเป็นของไหลซึ่งโมเลกุลที่ประกอบกันนั้นเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ การเพิ่มอุณหภูมิหรือความดันของแก๊ส ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่ประกอบเป็นแก๊สมากขึ้น และจำนวนการชนกันก็เพิ่มขึ้นด้วย การชนกันเหล่านี้อาจทำให้อิเล็กตรอนของอะตอมบางตัวหลุดออกจากออร์บิทัลและเป็นอิสระได้

เมื่อถึงจุดนี้พลาสมาจะถูกสร้างขึ้น ซึ่งเป็นก๊าซไอออไนซ์ที่มีไอออนบวก (ไอออนบวก) และอิเล็กตรอนอิสระจำนวนหนึ่ง ประจุไฟฟ้าฟรีทำให้พลาสมาเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมและยังตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอีกด้วย

อาจกล่าวได้ว่าสถานะใหม่ของสสารนี้ได้รับการศึกษาครั้งแรกโดย William Crookes ในการทดลองของเขากับรังสีแคโทดในช่วงปี 1880 อย่างไรก็ตาม เออร์วิง แลงเมียร์ นักฟิสิกส์เป็นผู้คิดค้นคำว่า "พลาสมา" ในปี พ.ศ. 2471 เพื่ออ้างถึงก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนซึ่งต่อมาถือว่าเป็นอีกสถานะหนึ่งของสสาร

พลาสมาบนโลกและในจักรวาล

พลาสมาถือเป็นสถานะการรวมตัวของสสารที่มีมากที่สุด เกือบ 99% ของสสารแบริออนที่เราสังเกตเห็นได้ในเอกภพอยู่ในสถานะพลาสมาติก

สิ่งนี้ใช้ไม่ได้กับโลกของเราอย่างชัดเจน เนื่องจากสสารส่วนใหญ่ที่เราสังเกตเห็นที่นี่อยู่ในสถานะการรวมตัวอีกสามสถานะ อย่างไรก็ตาม มีสถานที่หรือปรากฏการณ์บางอย่างที่เราสามารถสังเกตเห็นสสารในสถานะพลาสมา ฟ้าผ่าที่เราสังเกตเห็นได้ในช่วงพายุฝนฟ้าคะนองเป็นผลมาจากการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซในชั้นบรรยากาศ ชั้นไอโอโนสเฟียร์ซึ่งเป็นชั้นไอออไนซ์ของชั้นบรรยากาศเนื่องจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ก็เป็นพลาสมาเช่นเดียวกับ แสงออโรร่าขั้วโลกที่สามารถสังเกตเห็นได้จากการทำงานร่วมกันระหว่างสนามแม่เหล็กโลกและลม แสงอาทิตย์.

ในจักรวาล เราสามารถพบพลาสมาได้เกือบทุกที่ ดาวฤกษ์เองเป็นพลาสมาทรงกลมขนาดใหญ่ซึ่งเป็นผลมาจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นในแกนกลางของพวกมัน นอกจากนี้ ความร้อนที่เกิดจากดวงดาวยังทำให้ตัวกลางที่เป็นก๊าซแตกตัวเป็นไอออนซึ่งอยู่รอบๆ พวกมัน โดยทั่วไปแล้วเราสามารถพูดได้ว่าตัวกลางระหว่างดาวก็เป็นพลาสมาเช่นกัน นอกจากนี้ ดาวฤกษ์ยังมีแนวโน้มที่จะขับไล่ไอพ่นอนุภาคมีประจุขนาดใหญ่ที่เราเรียกว่า "ลมสุริยะ" ซึ่งเป็นสสารในสถานะพลาสมา เนบิวล่าจำนวนมากที่สามารถมองเห็นได้ในสถานที่ต่างๆ ในจักรวาลนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าก๊าซไอออไนซ์ที่ล้อมรอบดาวหนึ่งดวงหรือมากกว่านั้น

ในแต่ละวันของเรา เราสามารถพบตัวอย่างมากมายของการใช้เทคโนโลยีที่พลาสมามี จอพลาสมาตามชื่อแนะนำ ใช้ช่องที่เต็มไปด้วยก๊าซมีตระกูลที่แตกตัวเป็นไอออนและเปล่งแสง เรายังสามารถพบพลาสมาในหลอดฟลูออเรสเซนต์ แสงนีออน และหลอดพลาสมาที่ใช้เพื่อการตกแต่ง

สถานะที่ห้าของสสาร?

การทดลองเมื่อเร็วๆ นี้ที่ดำเนินการภายใต้สภาวะที่รุนแรงสามารถบรรลุสิ่งที่หลายคนคิดว่าอยู่ในสถานะที่ห้าของการรวมตัวของสสาร นี่คือควาร์ก-กลูออนพลาสมา ซึ่งเป็นพลาสมาชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วยฟรีควาร์กและกลูออน

ควาร์กและกลูออนเป็นส่วนประกอบสำคัญของโปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบกันเป็นนิวเคลียสของอะตอม ควาร์กและกลูออนพลาสมาได้มาจากเครื่องเร่งอนุภาคเมื่อนิวเคลียสหนักของตะกั่วหรือทองคำชนกัน การชนกันระหว่างนิวเคลียสทำให้เกิดอุณหภูมิเพียงพอเพื่อให้ควาร์กและกลูออนเป็นอิสระในชั่วขณะและเกิดพลาสมา

การศึกษาพลาสมาของควาร์กและกลูออนมีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษเพราะในช่วงเวลาแรก หลังจากบิกแบงและก่อนการก่อตัวของอะตอมแรก เชื่อกันว่ามีสสารอยู่ในสิ่งนี้ สถานะ.