Plasmo

En fiziko kaj ĥemio, plasmo (Malnovgreka: πλάσμα, kiu ŝanĝas formon) estas stato de materio konsistanta el gaso, kies partikloj estas parte jonigitaj. Alivorte, plasmo konsistas el jonoj, atomaj nukleoj kaj elektronoj, kiuj moviĝas libere.^[1]

Ĉi tiu artikolo temas pri stato de materio. Por informoj pri la likva parto de sango, vidu la artikolon sangoplasmo.

Plasma lumilo ebligas tujan rekonadon de kelkaj el la plej interesaj ecoj de plasmoj, kiel ekzemple la fadeniĝo de la gaso ĉe ŝaltado de magneta kampo.

Oni ofte apartigas tiun ĉi staton disde la aliaj, ĉar la ne-neglektinda kvanto da ŝargitaj partikloj en la gaso igas ĝin kapabla kondukti elektron. La plasmo havas karakterizaĵojn, kiuj ne okazas en solidoj, likvaĵoj aŭ gasoj, do ĝi estas konsiderata alia stato de materio (foje nomata "la kvara materistato" ^[2]).

Simile al gaso, plasmo ne posedas propran formon nek volumenon; tamen, malsimile al gaso, ĉe ŝaltado de magneta kampo ĝi kapablas konsistigi fadenojn aŭ faskojn. Populare konataj ekzemploj de plasmo estas fulmoj kaj steloj. Fakte ĝi estas la plej abunda formo de ordinara materio en la universo, asocia ĉefe al steloj, inklude la Sunon. ^[3][4][5][6] Plasmo povas esti artefarite generita varmigante neŭtran gason aŭ metante ĝin sub forta elektromagneta kampo.^[7]

Historio

Fulmo estas ekzemplo de plasmo kiu ekzistas sur la Tero. Fulmo ricevas kurenton de ĉirkaŭ 30 000 amperoj kaj tensio de ĝis 100 milionoj da voltoj, kaj radiado de la videbla lumo, radiondoj, Rentgenradioj, kaj eĉ gama-radiado estas elsendita.^[8] La temperaturo en fulmo povas atingi 28,000 Kelvin-gradojn, kaj la elektrona denseco povas esti super 10²⁴ m⁻³.

La fako de fiziko konata kiel plasmofiziko naskiĝis fine de la 19-a jarcento kiel la kuniĝpunkto de du apartaj esplorfadenoj.

Ĉe unu flanko, en Britio, pro la pionira laboro de la fizikisto Michael Faraday jam estis komencinta la scienca studado de elektraj malŝarĝoj, kiun pludaŭrigis Joseph John Thomson, William Crookes kaj Sealy Edward Townsend. Plasmo mem estis unue vidita en tubo de Crookes, kaj estis priskribita de William Crookes en 1879 kun la nomo "radianta materio". Ĝia konsisto estis klarigita de la brita fizikisto J.J. Thomson en 1897. En 1923 Irving Langmuir kiel unua rimarkis, ke la jonigitaj gasoj kiuj estiĝas okaze de malŝarĝo reagas unuece al eleksteraj stimuloj - kio estas unu el la ĉefaj trajtoj de plasmoj, laŭ la nuntempa difino. Ĉar tiu ĉi eco pensigis lin pri la sangoplasmo, en 1928 Langmuir elektis la nomon "plasmo" por tiuj jonigitaj gasoj.^[9] Lewi Tonks kaj Harold Mott-Smith, kiuj laboris kun Langmuir en la 1920-aj jaroj, memoris, ke Langmuir uzis por la unua fojo tiun terminon pro analogio kun la sangoplasmo.^[10][11]

Ĉe la alia flanko, dum kelkaj jardekoj floradis la studado de la sinteno de elektrokonduktaj fluaĵoj sub la influo de elektromagnetaj kampoj; la iniciatintoj de tiu ĉi fako, magnetofluidodinamiko, estis Michael Faraday kaj André-Marie Ampère. Komence de la 20-a jarcento, magnetofluidodinamiko ebligis detalan studadon de la Suno kaj de la ĉirkaŭtera jonosfero. Ekzemple, en 1942 la sveda fizikisto Hannes Alfvén priskribis la tiel nomatajn ondojn de Alfvén, pro kio li gajnis la Nobelpremion pri Fiziko en 1970 - tiel iĝante la unika plasmofizikisto, kiu ĝis nun ricevis la Nobelpremion.

Post la dua mondmilito, la kreskiĝanta intereso pri fuzioreakciujoj por la produktado de verda, sekura kaj malmultekosta energio kuntrenis rimarkinda antaŭenpuŝo al plasmofiziko, kiu ludas kernan rolon en la kompreno pri la sinteno de gasoj je altegaj temperaturoj.

Ĉefe pro tio, sed ankaŭ pro siaj fortaj ligoj kun astrofiziko, hodiaŭ plasmofiziko estas plenkreskinta kaj pluevoluiĝanta fako.

• 
  Joseph John Thomson
• 
  William Crookes
• 
  André-Marie Ampère
• 
  Hannes Alfvén

Difinoj

La kvara stato de la materio

Plasmo estas la kvara stato de la materio post solido, likvo kaj gaso.^[12][13][14] Temas pri materistato en kiu substanco ionigita iĝas tre alte konduktanta de elektro ĝis la punkto ke la elektraj kaj magnetaj kampoj grandatingaj dominas ĝian konduton.^[15][16] Plasmo estas tipa medio elektre preskaŭneŭtrala de pozitivaj kaj negativaj partikloj neligitaj, tio estas, la totala ŝarĝo de plasmo estas proksimume nulo. Kvankam tiuj partikloj ne estas ligitaj, ne estas "liberaj" en la senco ke ili ne suferas fortojn. La partikloj ŝarĝitaj en movado generas elektrajn kurentojn, kaj ajna movado de unu partiklo de plasmo ŝarĝita tuŝas kaj tuŝatas de la kampoj kreitaj de la aliaj ŝarĝoj. Siavice, tiu regas la kolektivan konduton kun multaj gradoj de variado.^[17][18]

Plasmo distingiĝas disde la ceteraj materistatoj. Pli precize, priskribi plasmon de malalta denseco kiel simpla "ionigita gaso" estas erara kaj konfuziga, spite ke ĝi estas simila al la gasa fazo en la senco ke ambaŭ ne prenas difinitajn formon aŭ volumenon.

Ideala plasmo

Tri faktoroj difinas idealan plasmon nome la jenaj:^[19][20]

• Plasma alproksimiĝo: La plasmoproksimado validas kiam la plasma parametro Λ,^[21] reprezentanta la nombron da ŝargoportantoj ene de la Debye-sfero estas multe pli alta ol unuo.^[22][23] Oni povas facile montri, ke tiu kriterio estas ekvivalenta al malgrandeco de la rilatumo de la plasmo-elektrostatika kaj termika energiodensecoj. Tiaj plasmoj nomiĝas malforte kunligitaj.^[24]
• Kernaj interagoj: La Debye-longo estas multe pli malgranda ol la fizika grandeco de la plasmo. Tiu kriterio signifas ke interagoj en la kerno de la plasmo estas pli gravaj ol tiuj ĉe ĝiaj randoj, kie limefikoj povas okazi. Kiam ĉi tiu kriterio estas kontentigita, la plasmo estas kvazaŭneŭtrala.^[25]
• Senkolizieco: La elektrona plasmofrekvenco (mezurante plasmociladojn de la elektronoj) estas multe pli granda ol la elektron-neŭtrala koliziofrekvenco. Kiam tiu kondiĉo validas, elektrostatikaj interagoj dominas super la procezoj de ordinara gaskinetiko. Tiaj plasmoj estas nomitaj senkoliziaj.^[26]

Neneŭtra plasmo

La forto kaj gamo de la elektra forto kaj la bona konduktiveco de plasmoj kutime certigas, ke la densecoj de pozitivaj kaj negativaj ŝargoj en iu ampleksa regiono estas egalaj ("kvazaŭŭtraleco"). Plasmo kun signifa troo de ŝargodenseco, aŭ, en la ekstrema kazo, kunmetita de ununura specio, estas nomita ne-neŭtrala plasmo. En tia plasmo, elektraj kampoj ludas dominan rolon. Ekzemploj estas ŝargitaj partiklofaskoj, elektrona nubo en Penning-kaptilo kaj positronaj plasmoj.^[27]

Polva plasmo

Polva plasmo enhavas etajn ŝargitajn partiklojn de polvo (tipe trovitaj en spaco). La polvaj partikloj akiras altajn ŝargojn kaj interagas unu kun la alia. Plasmo kiu enhavas pli grandajn partiklojn estas nomita grenplasmo. Sub laboratoriaj kondiĉoj, polvaj plasmoj ankaŭ estas nomitaj kompleksaj plasmoj.^[28]

Propraĵoj kaj parametroj

Manipulita reprezento de la plasmofontano de la Tero, montrante oksigenajn, heliumajn, kaj hidrogenajn jonojn kiuj ŝprucas en la spacon de regionoj proksime de la polusoj de la Tero. La malforta flava areo montrita super la norda poluso reprezentas gason perditan de la Tero en spacon; la verda areo estas la boreala aŭroro, kie plasma energio verŝas reen en la atmosferon.^[29]

Denseco kaj grado de jonigo

Por ke plasmo ekzistu, jonigo estas necesa. La esprimo "plasma denseco" memstare kutime rilatas al la elektrondenseco ${\displaystyle n_{e}}$, t.e., la nombro da ŝarg-kontribuaj elektronoj per unuo de volumeno. La grado de jonigo ${\displaystyle \alpha }$ estas difinita kiel frakcio de neŭtralaj partikloj kiuj estas jonigitaj jene:

$${\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i}}{n_{i}+n_{n}}},}$$

kie ${\displaystyle n_{i}}$ estas la jona denseco kaj ${\displaystyle n_{n}}$ la neŭtrala denseco (en nombro da partikloj per unuo de volumeno). Kaze de plene jonigita materio, ${\displaystyle \alpha =1}$. Pro la kvazaŭneŭtraleco de plasmo, la elektronaj kaj jonaj densecoj estas rilataj per ${\displaystyle n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}}$, kie ${\displaystyle \langle Z_{i}\rangle }$ estas la averaĝa jona ŝargo (en unuoj de elementa ŝargo).

Temperaturo

Plasmotemperaturo, ofte mezurita en kelvinoj aŭ elektronvoltoj, estas kvanto de la termika kineta energio per partiklo. Altaj temperaturoj estas kutime necesaj por elteni jonigon, kio estas difina trajto de plasmo. La grado da plasma jonigo estas determinita per la elektrona temperaturo relative al la joniga energio (kaj pli malforte per la denseco). En termika ekvilibro, la rilato estas havigita per la Saha ekvacio. Ĉe malaltaj temperaturoj, jonoj kaj elektronoj tendencas rekombini en ligitajn stat-atomojn^[30]- kaj la plasmo poste iĝos gaso.

Plejofte, la elektronoj kaj pezaj plasmopartikloj (jonoj kaj neŭtralaj atomoj) aparte havas relative bone difinitan temperaturon; tio estas, ilia energidistribua funkcio estas proksima al Maxwell–Boltzmann distribuado eĉ en la ĉeesto de fortaj elektraj aŭ magnetaj kampoj. Tamen, pro la granda diferenco en maso inter elektronoj kaj jonoj, iliaj temperaturoj povas esti malsamaj, foje ege grave. Ĉi tio estas aparte ofta en malforte jonigitaj teknologiaj plasmoj, kie la jonoj ofte estas proksime de la ĉambra temperaturo, dum elektronoj atingas milojn da kelvin.^[31] La kontraŭa kazo estas la z-pinĉa plasmo, en kiu la jontemperaturo povas superi tiun de elektronoj.^[32]

Potenciala plasmo

Ĉar plasmoj estas tre bonaj elektraj konduktiloj, elektraj potencialoj ludas gravan rolon. La meza potencialo en la spaco inter ŝarĝitaj partikloj, sendepende de kiel ĝi povas esti mezurita, estas nomita la "plasma potencialo", aŭ la "spacpotencialo". Se elektrodo estas enigita en plasmon, ĝia potencialo ĝenerale kuŝos konsiderinde sub la plasmopotencialo, pro kio estas nomita Debye-ingo. La bona elektra konduktiveco de plasmoj faras iliajn elektrajn kampojn tre malgrandaj. Tio rezultigas la gravan koncepton de "kvazaŭŭtraleco", kiu diras ke la denseco de negativaj ŝargoj estas proksimume egala al la denseco de pozitivaj ŝargoj super grandaj volumoj de la plasmo (${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$), sed sur la skalo de la Debye longo, tie povas esti malekvilibro. En la speciala kazo ke duoblaj tavoloj estas formitaj, la ŝargo-disigo povas etendi kelkajn dekojn da Debye-longoj.^[33]

La grandeco de la potencialoj kaj elektraj kampoj devas esti determinita per rimedoj krom simple trovado de la neta ŝargodenseco. Ofta ekzemplo estas supozi, ke la elektronoj kontentigas la Boltzmann-rilaton: $${\displaystyle n_{e}\propto \exp(e\Phi /k_{\text{B}}T_{e}).}$$

Diferencigi tiun rilaton disponigas rimedon por kalkuli la elektran kampon de la denseco: $${\displaystyle {\vec {E}}={\frac {k_{\text{B}}T_{e}}{e}}{\frac {\nabla n_{e}}{n_{e}}}.}$$

Eblas produkti plasmon, kiu ne estas kvazaŭneŭtrala. Elektrona fasko, ekzemple, havas nur negativajn ŝargojn. La denseco de ne-neŭtrala plasmo devas ĝenerale esti tre malalta, aŭ ĝi devas esti tre malgranda, alie, ĝi estos disipita per la repuŝa elektrostatika forto.^[34]

Magnetiĝo

La ekzisto de ŝarĝitaj partikloj igas la plasmon generi, kaj esti trafita per, magnetaj kampoj. Plasmo kun magneta kampo sufiĉe forta por influi la moviĝon de la ŝarĝitaj partikloj laŭdire estas magnetigita. Ofta kvanta kriterio estas ke partiklo averaĝe kompletigas almenaŭ unu turnadon ĉirkaŭ la magnetkampa linio antaŭ ol fari kolizion, t.e., ${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }/\nu _{\mathrm {coll} }>1}$}, kie ${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }}$ estas la elektrona girofrekvenco kaj ${\displaystyle \nu _{\mathrm {coll} }}$ estas la elektronkolizia ofteco. Ofte okazas, ke la elektronoj estas magnetigitaj dum la jonoj ne estas magnetigitaj. Magnetigitaj plasmoj estas anizotropaj, signifante ke iliaj trajtoj en la direkto paralela al la magneta kampo estas diferencaj de tiuj perpendikularaj al ĝi. Dum elektraj kampoj en plasmoj estas kutime malgrandaj pro la plasmo alta konduktiveco, la elektra kampo asociita kun plasmo moviĝanta kun rapideco ${\displaystyle \mathbf {v} }$ en la magneta kampo ${\displaystyle \mathbf {B} }$ estas donita per la kutima Lorentz-formulo ${\displaystyle \mathbf {E} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$, kaj ne estas tuŝita de Debye-ingado.^[35]

Matematikaj priskriboj

La kompleksaj mem-limaj magnetkampaj linioj kaj nunaj vojoj en kampo-vicigita Birkeland-fluo kiu povas formiĝi en plasmo.^[36]

Por tute priskribi la staton de plasmo, ĉiuj partiklolokoj kaj rapidecoj kiuj priskribas la elektromagnetan kampon en la plasmoregiono devus esti notitaj. Tamen, ĝenerale ne estas praktike aŭ necese konservi trakon de ĉiuj partikloj en plasmo. Tial, plasmaj fizikistoj ofte uzas malpli detalajn priskribojn, de kiuj ekzistas du ĉefaj tipoj:

Fluida modelo

Fluidmodeloj priskribas plasmojn laŭ glatigitaj kvantoj, kiel denseco kaj averaĝa rapideco ĉirkaŭ ĉiu pozicio. Unu simpla fluida modelo, magnetohidrodinamiko, traktas la plasmon kiel ununuran likvaĵon regitan per kombinaĵo de la ekvacioj de Maxwell kaj la Navier-Stokes ekvacioj. Pli ĝenerala priskribo estas la du-fluida plasmo,^[37] kie la jonoj kaj elektronoj estas priskribitaj aparte. Fluidmodeloj ofte estas precizaj kiam kolizieco estas sufiĉe alta por reteni la plasmo-rapidecan distribuadon proksime al Maxwell-Boltzmann-distribuado. Ĉar fluidaj modeloj kutime priskribas la plasmon laŭ ununura fluo ĉe certa temperaturo ĉe ĉiu spaca loko, ili povas nek kapti rapidecspacajn strukturojn kiel traboj aŭ duoblaj tavoloj, nek solvi ondo-partiklajn efikojn.

Kinetika modelo

Kinetaj modeloj priskribas la partiklan rapidecdistribuan funkcion ĉe ĉiu punkto en la plasmo kaj tial ne bezonas akcepti Maxwell-Boltzmann-distribuon. Kinetika priskribo ofte estas necesa por senkoliziaj plasmoj. Ekzistas du oftaj aliroj al kineta priskribo de plasmo. Unu baziĝas sur reprezentado de la glatigita distribufunkcio sur krado en rapideco kaj pozicio. La alia, konata kiel la partiklo-en-ĉelo (PIC) tekniko, inkludas kinetikajn informojn sekvante la trajektoriojn de granda nombro da individuaj partikloj. Kinetaj modeloj estas komputile ĝenerale pli intensaj ol fluidaj modeloj. La Vlasov-ekvacio povas esti uzita por priskribi la dinamikon de sistemo de ŝarĝitaj partikloj interagante kun elektromagneta kampo. En magnetigitaj plasmoj, girokineta aliro povas konsiderinde redukti la komputikan elspezon de tute kineta simulado.

Plasmaj scienco kaj teknologio

Plasmoj estas studitaj pere de la vasta akademia fako de plasma scienco aŭ plasma fiziko, kiel kelkaj sub-fakoj kiel kosmoplasma fiziko. Plasmoj povas aperi en la naturo en variaj formoj kaj lokoj, kaj kelkaj ekzemploj videblas en la jena tabulo:

Oftaj formoj de plasmo

Artefarite produktita	Teraj plasmoj	Kosmaj kaj astrofizikaj plasmoj
En plasmaj ekranoj, kiel en televidaj ekranoj. En fluoreskaj lampoj (malaltenergia lumo), neonlampoj Raketoj ellasiloj kaj jonaj propulsiloj La areo antaŭ la ŝildo de kosmoŝipo dum la reveno en la atmosferon Plasmoj en esplorado pri energio de fuzio Plasma globo (foje nomata "plasma sfero" aŭ "plasma pilko") Laser-produktitaj plasmoj (LPP), trovitaj kiam altnergiaj laseroj interagadas kun materialoj	Fulmo La magnetosfero enhavas plasmon en la Tera ĉirkaŭa kosmomedio La jonosfero La polusa aŭroro Supr-atmosferaj lumoj, kiel ruĝaj spektroj, bluaj jetoj, bluaj startigiloj, gigantaj jetoj, ELVES-oj Fajro de Sankta Elmo Fajro (se sufiĉe varma)	Steloj (plasmoj varmigitaj per nuklea fuzio) La sunvento La interplaneda medio (spaco inter planedoj) La interstela medio (spaco inter stelsistemoj) La intergalaksia medio (spaco inter galaksioj) Alkreskaj diskoj Interstelaj nebulozoj

Kosmo kaj astrofiziko

Plasmoj estas senkompare la plej ofta fazo de ordinara materio en la universo, kaj laŭ maso kaj laŭ volumeno.^[38]

Super la surfaco de la Tero, la jonosfero estas plasmo,^[39] kaj la magnetosfero enhavas plasmon.^[40] Ene de nia Sunsistemo, la interplaneda spaco estas plenigita je la plasmo forpelita per la suna vento, etendiĝante de la surfaco de la Suno eksteren ĝis la heliopaŭzo. Krome, ĉiuj malproksimaj steloj, kaj ankaŭ multo de interstela spaco aŭ de intergalaksia spaco estas plenigitaj je plasmo, kvankam ĉe tre malaltaj densecoj. Ankaŭ astrofizikaj plasmoj estas observitaj en alkreskaj diskoj ĉirkaŭ steloj aŭ kompaktaj objektoj kiel blankaj nanoj, neŭtronaj steloj aŭ nigraj truoj en proksimaj dustelaj sistemoj.^[41] Plasmo estas rilata al elĵeto de materialo en astrofizikaj jetoj, kiuj estis observitaj kun akreciaj nigraj truoj^[42] aŭ en aktivaj galaksioj kiel la jeto de M87 kiu eventuale etendiĝas ĝis 5 000 lumjaroj.^[43]

Ekzempleroj de plasmo

Plasmo estas la plej kutima materifazo en la universo, kaj laŭ maso kaj laŭ volumeno. Oni ofte asertas, ke pli ol 99% el la videbla maso en la universo konsistas el plasmo. Tio ŝuldiĝas esence al la fakto, ke lumo venas el steloj, kiuj konsistas el plasmo kun temperaturo tiom alta, ke la radiado okazas je ondolongoj videblaj de homaj okuloj. La plejparto el la konata, ordinara materio (faklingve, barionoj) konsistas tamen el intergalaksia medio, kiu ankaŭ estas plasmo, kvankam pro la pli alta temperaturo ĝi plejparte dissendas lumon sub formo de X-radioj, nevideblaj nudokule.

En la sunsistemo, preskaŭ la tutan neplasman materion posedas la planedo Jupitero, kiu tamen havas nur 0,1% el la suma maso de la sistemo.

Estas rimarkinde, ke etaj materieroj en plasmo emas ŝargiĝi malpozitive, kaj efektive roli kiel aparte malpozitivaj jonigitaj partikloj de la plasmo mem.

Bildaro

• 
  Hall-efika pelilo.
• Suna plasmo.
• 
  Plasmetendo.
• 
  Plasmo en tokamako
• 
  Laboratoria plasmo.