Plazma

Plazma (grieķu: πλάσμα, plásma — ‘veidojums’) ir viens no četriem klasiskajiem vielas agregātstāvokļiem,^[1] līdztekus cietvielai, šķidrumam un gāzei, un to raksturo daļēji vai pilnīgi jonizētu daļiņu kopums, kurā elektroni ir atdalīti no atomiem vai molekulām, veidojot brīvi kustīgu lādētu daļiņu (jonu un elektronu) sistēmu. Plazma uzvedas atšķirīgi no nejonizētas gāzes, jo tai ir augsta elektrovadītspēja, jutība pret elektromagnētiskajiem laukiem un tai raksturīgas tādas parādības kā viļņi, svārstības un nestabilitāte.^[2][3] Plazma bieži tiek dēvēta par ceturtā stāvokļa vielu, jo tās fizikālās īpašības būtiski atšķiras no citiem agregātstāvokļiem. Atšķirībā no parastām gāzēm, kurās daļiņas ir elektriski neitrālas, plazmas sistēmā dominē elektriski lādētas daļiņas, kas mijiedarbojas gan savā starpā, gan ar ārējiem laukiem, veidojot kompleksus dinamiskus procesus.

Šis raksts ir par daļēji vai pilnībā jonizētu vielu. Par citām jēdziena plazma nozīmēm skatīt nozīmju atdalīšanas lapu.

Dekoratīvā plazmas lampa

Dabā plazma ir visizplatītākais vielas stāvoklis Visumā,^[4] jo lielākā daļa redzamās vielas, piemēram, zvaigznes, Saules vējš, starpzvaigžņu vide, atrodas plazmas stāvoklī. Uz Zemes plazmu iespējams sastapt zibens laikā, liesmās, kā arī tehnoloģiski radītās iekārtās, piemēram, elektriskās izlādes caurulēs, plazmas ekrānos, kodolsintēzes eksperimentu reaktoros un plazmas griešanas tehnoloģijās.^[2][5] Plazmas fizikāli tiek pētīta tādās nozarēs kā augstas enerģijas fizikā, astrofizikā, kodolsintēzes tehnoloģijās un materiālzinātnē, kā arī atsevišķā un sarežģītā apakšnozarē — plazmas fizikā.

Plazmas īpašības

Plazma atšķiras no nejonizētas gāzes ar virkni unikālu fizikālo īpašību, kas izriet no tās sastāva — brīviem elektroniem, pozitīviem un dažkārt arī negatīviem joniem — un to savstarpējās elektromagnētiskās mijiedarbības. Galvenās plazmas īpašības ietver elektronu un jonu kustību, elektrovadītspēju, jutību pret magnētiskiem laukiem, kā arī parādības, kurās lādēto daļiņu uzvedība ir savstarpēji saistīta.

Plazmu veido brīvi kustīgas lādētas daļiņas, kuras nepārtraukti elektromagnētiski mijiedarbojas. Elektroni, būdami daudz vieglāki par joniem, pārvietojas daudz ātrāk, veidojot dinamisku vidi, kurā smagākie joni pārvietojas lēnāk. Šī atšķirība kustībā rada elektriskos laukus un plūsmu, kas nosaka daudzus plazmas fizikālos procesus.

Plazma ir lielisks elektrovadītājs, jo brīvie elektroni var viegli reaģēt uz elektriskiem laukiem, veidojot elektrisko strāvu. Turklāt plazma ir jutīga pret magnētiskajiem laukiem, kuri var mainīt daļiņu kustības trajektorijas. Šī īpašība ir pamatā tādiem tehnoloģiskiem risinājumiem kā magnētiskā ierobežošana kodolsintēzes reaktoros. Plazmā novēro arī tādas parādības kā magnētiskā pārsaiste, Alfvēna viļņi un plazmas nestabilitāte.

Plazmā daļiņu uzvedību nevar izskaidrot tikai ar atsevišķu sadursmju dinamiku, jo dominē kolektīvas parādības, kur visu daļiņu elektriskā mijiedarbība rada kopīgu lauku, kas ietekmē katras daļiņas kustību. Tā rezultātā rodas tādi procesi kā plazmas svārstības (elektronu blīvuma periodiskas izmaiņas), plazmas viļņi (elektromagnētiski un elektrostatiskie viļņi, kas izplatās lādēto daļiņu vidē), nestabilitāte (lokāla plazmas parametru izmaiņu pastiprināšanās, kas var novest pie turbulences vai enerģijas zudumiem).

Plazmas temperatūra tiek raksturota atsevišķi elektroniem un joniem,^[6] un parasti tiek mērīta kelvinos vai izteikta enerģijas vienībās (elektronvoltos). Temperatūras diapazons var būt ļoti plašs. Ja temperatūra ir zemāka par 100 000 K, tad to sauc par zemas temperatūras plazmu, savukārt, ja temperatūra ir lielāka, — par augstas temperatūras plazmu.^[7] Plazmas daļiņu blīvums var svārstīties no ļoti zema (starpzvaigžņu vidē aptuveni 10⁶ daļiņas uz m³) līdz ļoti augstam (laboratorijas apstākļos ir iegūta plazma ar vairāk nekā 10²⁴ daļiņām uz m³).

Viena no plazmas raksturīgākajām īpašībām ir ekrāna efekts, kurā elektriskie lādiņi noteiktā attālumā tiek daļēji neitralizēti ar pretējas zīmes daļiņām, ko sauc par Debaja garumu (λ_D).^[8] Tas nosaka attālumu, kādā plazma var ekranēt elektrostatisko potenciālu. Lai vielu klasificētu kā plazmu, tai jāatbilst trim kritērijiem — kopējā plazmas daļiņu skaita Debaja sfērā jābūt lielam (≫1); plazmai jābūt kvazineitrālai (pozitīvo un negatīvo lādiņu blīvums gandrīz vienāds); daļiņu kustību kontrolē elektromagnētiskās mijiedarbības, nevis atsevišķas sadursmes.^[8] Šie nosacījumi nodrošina, ka plazmas uzvedība atšķiras gan no parastas gāzes, gan no citiem vielas stāvokļiem.

Plazmas veidi

Zibens ir dabisks, zemas temperatūras plazmas izpausmes piemērs

Plazmu var iedalīt pēc dažādiem kritērijiem, piemēram, atkarībā no tās temperatūras, jonizācijas pakāpes un izcelsmes. Šie iedalījumi palīdz saprast plazmas uzvedību un iespējamos pielietojumus dažādās fizikas, tehnoloģiju un dabaszinātņu jomās. Galvenie plazmas tipi ir augstas temperatūras un zemas temperatūras plazma, pilnīgi un daļēji jonizēta plazma, kā arī dabiska un mākslīgi radīta plazma.

Augstas temperatūras plazmai visām tās sastāvdaļām — elektroniem, joniem un neitrālām daļiņām — ir viena un tā pati temperatūra (termodinamiskais līdzsvars). Šāda plazma parasti rodas ļoti augstās temperatūrās (lielāka par 100 000 kelviniem),^[7] un tā tiek uzskatīta par enerģētiski blīvu vidi. Kā piemērus var minēt zvaigžņu iekšējos slāņus, tostarp Saules kodols, kur notiek kodoltermiskās reakcijas, kā arī kodoltermiskajos reaktoros, piemēram, tokamaki, kur kontrolētos kodolsintēzes procesos cenšas radīt un noturēt augstas temperatūras plazmu, un plazmas loki un plazmas griešanas iekārtas rūpniecībā.

Zemas temperatūras plazma ir stāvoklis, kurā elektronu temperatūra ir ievērojami augstāka nekā jonu un neitrālo daļiņu temperatūra. Šāda plazma var eksistēt pat istabas temperatūrā, jo tikai elektroni ir jonizēti un sasnieguši lielu enerģiju, kamēr pārējā vide paliek auksta.^[6] Zemas temperatūras plazma tiek plaši izmantota tehnoloģijās un medicīnā. Zemas temperatūras plazmas piemēri ir zibens, kur atmosfērā notiek strauja elektriska izlāde, plazmas televizori, fluorescējošie apgaismes ķermeņi, kā arī plazmas sterilizācija un brūču apstrāde medicīnā.

Plazmas jonizācijas pakāpe atkarīga no enerģijas, kas pieejama elektronu atdalīšanai no atomiem vai molekulām. Pilnīgi jonizētā plazmā visas daļiņas ir pārvērtušās par joniem un elektroniem, bez neitrālām daļiņām. Šāds stāvoklis raksturīgs zvaigžņu iekšienē vai kodolsintēzes reaktoros. Daļēji jonizēta plazmā tikai daļa daļiņu ir jonizētas; saglabājas arī neitrālas molekulas vai atomi. Šāds plazmas veids ir jonosfērā, uguns liesmā vai elektriskajās izlādes caurulēs. Šī iedalījuma izpratne ir būtiska gan teorētiskajā modelēšanā, gan eksperimentālajā plazmas fizikā.

Vēl viens plazmas dalījuma veids ir tas dalīšana dabīgajā, sastopama kosmosā un uz Zemes, un mākslīgi radītajā, izmantojot cilvēka konstruētas tehnoloģijas. Dabiska plazmas piemēri ir Saules un citu zvaigžņu viela, Saules vējš, starpzvaigžņu vide, Zemes jonosfēra un ziemeļblāzmas, zibens un Svētā Elma ugunis. Mākslīgi radītas plazmas piemēri ir elektriskās izlādes caurules (piemēram, neona lampas), plazmas reaktori un plazmotroni, plazmas televizori un jonu dzinēji, plazmas tehnoloģijas materiālu apstrādei un sterilizācijai.

Plazma dabā

Dabā tā veidojas zibens laikā, uguns liesmās, atmosfēras augšējos slāņos, īpaši jonosfērā, un citur. Ar plazmu saistīta skaista dabas parādība ir Svētā Elma ugunis. Kosmiskajā telpā plazma ir visizplatītākais vielas agregātstāvoklis, jo no plazmas sastāv zvaigznes, arī mūsu Saule.

Plazma tehnoloģijās

Plazmas televizors

Plazmas īpašības — augsta temperatūra, elektriskā vadītspēja un jutība pret elektromagnētiskiem laukiem — padara to par noderīgu rīku dažādās tehnoloģijās un rūpniecības nozarēs. Plazma tiek izmantota gan kā enerģijas avots, gan kā reaktīvā vide materiālu apstrādē, elektronikas ražošanā, enerģētikā un medicīnā.

Plazmas griešana un plazmas metināšana ir augstas temperatūras materiālapstrādes metodes, kurās tiek izmantota koncentrēta plazmas strūkla metālu sagriešanai vai savienošanai. Šo tehnoloģiju pamatā ir elektriskā lokizlāde, kas veidojas starp elektrodu un apstrādājamo virsmu. Izlādes rezultātā rodas augstas temperatūras plazma (līdz pat 30 000 K), kas izkausē metālu. Plazmas griešana ir īpaši efektīva augstas precizitātes griezumos uz vadošiem materiāliem, piemēram, tērauda, alumīnija un vara, savukārt plazmas metināšana nodrošina augstas kvalitātes savienojumus, ko izmanto, piemēram, aviācijā un kuģubūvē.

Plazmas displeji (ekrāni) izmanto mikroskopiskas šūnas, kas satur zema spiediena plazmu, lai radītu ultravioleto (UV) starojumu. Šis starojums aktivē luminiscējošu pārklājumu, kas rada redzamu gaismu. Šāda tehnoloģija bija plaši izplatīta augstas izšķirtspējas televizoru ražošanā, līdz to nomainīja LED un OLED tehnoloģijas. Tāpat plazma tiek izmantota dažādos apgaismojuma avotos, piemēram, neona lampās, luminiscences spuldzēs, kā arī nātrija un dzīvsudraba tvaika lampās, kur elektriskā izlāde jonizē gāzi, izraisot gaismas izstarošanu.

Viens no plazmas pētniecības virzieniem ar vislielāko nākotnes potenciālu ir termonukleārās kodolsintēzes tehnoloģiju attīstība. Šajās iekārtās, piemēram, tokamakos un stelleratoros, tiek mēģināts panākt un noturēt augstas temperatūras termisko plazmu, kurā var notikt vieglo atomu kodolu saplūšana, piemēram, deitērija un tritija, atbrīvojot milzīgu enerģijas daudzumu. Eksperimentāli kodolsintēzes reaktori, piemēram, ITER (Starptautiskais termonukleārās sintēzes eksperiments), ir plazmas fizikā balstīti projekti, kas nākotnē varētu nodrošināt tīru un ilgtspējīgu enerģijas ražošanas avotu, imitējot procesus, kas notiek zvaigznēs.

Plazma tiek izmantota arī medicīniskajās tehnoloģijās, īpaši zemas temperatūras plazmas veidā. To izmanto sterilizācijai, kur plazmas reaktīvie komponenti, piemēram, brīvie radikāļi un UV starojums, uz medicīnas instrumentiem efektīvi iznīcina mikroorganismus. To izmanto arī audu apstrādē, piemēram, ķirurģiskās operācijās tiek izmantota asins apturēšanai un audu noslēgšanai. Plazma ir noderīga arī dermatoloģijā un brūču dziedināšanā, kur tā palīdz antibakteriāli un stimulē reģeneratīvos procesus. Zobārstniecībā plazmu lieto zobu emaljas virsmas apstrādei un dezinfekcijai. Šie pielietojumi balstās uz plazmas spēju lokāli radīt ķīmiski un fizikāli aktīvu vidi bez nepieciešamības pēc augstas temperatūras, tādējādi padarot to drošu dzīvo audu apstrādei.

Vēsture un terminoloģija

Plazmas jēdzienu 1928. gadā ieviesa amerikāņu fiziķis Ērvings Lengmīrs, aprakstot gāzizlādes parādības.^[9][10] 1929. gadā šo terminu sāka izmantot arī cits amerikāņu zinātnieks Levi Tonkss (Lewi Tonks). Līdz tam termins “plazma” tika izmantots tikai bioloģijā, apzīmējot bezkrāsainu šķidru asins, piena vai dzīvu audu komponentu. Pēc 1929. gada drīz vien jēdziens “plazma” oficiāli tika ieviests fizikas terminoloģijā.