Plasma on aineen olomuoto, jota pidetään usein kaasujen alaryhmänä, mutta nämä kaksi olomuotoa käyttäytyvät hyvin eri tavalla. Kaasujen tavoin plasmoilla ei ole kiinteää muotoa tai tilavuutta, ja ne ovat vähemmän tiheitä kuin kiinteät aineet tai nesteet. Toisin kuin tavalliset kaasut, plasmat koostuvat kuitenkin atomeista, joista on poistettu osa tai kaikki elektronit ja joissa positiivisesti varautuneet ytimet, ionit, liikkuvat vapaasti.

”Kaasu koostuu neutraaleista molekyyleistä ja atomeista”, sanoo Xuedong Hu, fysiikan professori Buffalon yliopistosta. Toisin sanoen negatiivisesti varautuneiden elektronien määrä on yhtä suuri kuin positiivisesti varautuneiden protonien määrä.

”Plasma on varattu kaasu, jossa on voimakkaita Coulombin vuorovaikutuksia”, Hu kertoi Live Science -lehdelle. Atomit tai molekyylit voivat saada positiivisen tai negatiivisen sähkövarauksen, kun ne saavat tai menettävät elektroneja. Tätä prosessia kutsutaan ionisaatioksi. Plasma muodostaa auringon ja tähdet, ja se on yleisin aineen tila koko maailmankaikkeudessa.

(Veriplasma on muuten jotain aivan muuta. Se on veren nestemäinen osa. Se koostuu 92-prosenttisesti vedestä ja muodostaa 55 prosenttia veren tilavuudesta Amerikan Punaisen Ristin mukaan.)

Varautuneet hiukkaset

Tyypillinen kaasu, kuten typpi tai rikkivety, koostuu molekyyleistä, joiden nettovaraus on nolla, jolloin kaasun tilavuuden nettovaraus kokonaisuutena on nolla. Plasmat, jotka koostuvat varatuista hiukkasista, voivat olla nettovaraukseltaan nolla koko tilavuudeltaan, mutta eivät yksittäisten hiukkasten tasolla. Tämä tarkoittaa, että plasman hiukkasten väliset sähköstaattiset voimat tulevat merkittäviksi, samoin kuin magneettikenttien vaikutus.

Koska plasmat koostuvat varatuista hiukkasista, ne voivat tehdä asioita, joita kaasut eivät voi, kuten johtaa sähköä. Ja koska liikkuvat varaukset synnyttävät magneettikenttiä, myös plasmoissa voi olla niitä.

Tavallisessa kaasussa kaikki hiukkaset käyttäytyvät suunnilleen samalla tavalla. Joten jos sinulla on kaasua astiassa ja annat sen jäähtyä huoneenlämpöön, kaikki molekyylit sen sisällä liikkuvat keskimäärin samalla nopeudella, ja jos mittaisit monien yksittäisten hiukkasten nopeuden, saisit jakaumakäyrän, jossa monet niistä liikkuvat lähellä keskiarvoa ja vain muutamat joko erityisen hitaasti tai nopeasti. Tämä johtuu siitä, että kaasussa molekyylit, kuten biljardipallot, osuvat toisiinsa ja siirtävät energiaa keskenään.

Se ei tapahdu plasmassa, varsinkaan sähkö- tai magneettikentässä. Magneettikenttä voi synnyttää esimerkiksi hyvin nopeiden hiukkasten populaation. Useimmat plasmat eivät ole tarpeeksi tiheitä, jotta hiukkaset törmäisivät toisiinsa kovin usein, joten magneettiset ja sähköstaattiset vuorovaikutukset tulevat tärkeämmiksi.

Elektrostaattisista vuorovaikutuksista puheen ollen, koska plasman hiukkaset – elektronit ja ionit – voivat olla vuorovaikutuksessa sähkön ja magnetismin välityksellä, ne voivat tehdä niin paljon suuremmilla etäisyyksillä kuin tavallinen kaasu. Tämä puolestaan tarkoittaa, että aallot tulevat tärkeämmiksi, kun keskustellaan siitä, mitä plasmassa tapahtuu. Yksi tällainen aalto on Alfvén-aalto, joka on nimetty ruotsalaisen fyysikon ja Nobel-palkitun Hannes Alfvénin mukaan. Alfvén-aalto syntyy, kun plasman magneettikenttä häiriintyy, jolloin syntyy aalto, joka kulkee kenttäviivoja pitkin. Tavallisissa kaasuissa tälle ei ole todellista vastinetta. On mahdollista, että Alfvénin aallot ovat syynä siihen, että Auringon koronan – joka sekin on plasmaa – lämpötila on miljoonia asteita, kun se pinnalla on vain tuhansia asteita.

Plasmojen toinen ominaisuus on, että magneettikentät voivat pitää ne paikoillaan. Suurin osa fuusiovoiman tutkimuksesta keskittyy juuri tähän. Fuusio-olosuhteiden luomiseksi tarvitaan hyvin kuumaa plasmaa – miljoonia asteita. Koska mikään materiaali ei pysty pidättämään sitä, tutkijat ja insinöörit ovat turvautuneet magneettikenttiin.

Plasmat toiminnassa

Yksi paikka, jossa plasmoja voi nähdä toiminnassa, on loisteputki tai neonkyltti. Näissä tapauksissa kaasuun (kylttien tapauksessa neoniin) kohdistetaan korkea jännite, ja elektronit joko irtoavat kaasun atomeista tai työntyvät korkeammille energiatasoille. Lampun sisällä oleva kaasu muuttuu johtavaksi plasmaksi. Innostuneet elektronit, jotka laskeutuvat takaisin aiemmille energiatasoilleen, säteilevät fotoneja – valoa, jonka näemme neonkyltissä tai loistelampussa.

Plasmatelevisiot toimivat samalla tavalla. Kaasu – yleensä argon, neon tai ksenon – ruiskutetaan kahden lasilevyn väliseen suljettuun rakoon. Kaasun läpi johdetaan sähkövirta, joka saa sen hehkumaan. Plasma herättää punaista, vihreää ja sinistä fosforia, jotka eBayn mukaan yhdistyvät synnyttämään tiettyjä värejä.

Toinen plasman käyttökohde on plasmapallot, jotka ovat täynnä jalokaasusekoituksia, jotka tuottavat niiden sisällä olevan ”salaman” värit, kun sähkövirta ionisoi kaasun.

Toinen esimerkki plasmasta ovat revontulet, jotka ympäröivät napoja, kun aurinko on erityisen aktiivinen. Aurinkotuuli on varattujen hiukkasten (enimmäkseen protonien) virta, joka osuu Maan magneettikenttään. Nämä hiukkaset, jotka ovat varautuneita, seuraavat magneettikentän linjoja ja liikkuvat kohti napoja, missä ne törmäävät ilmassa oleviin atomeihin, lähinnä happeen ja typpeen, ja kiihdyttävät niitä. Kuten neonkyltti, kiihdytetyt happi- ja typpiatomit säteilevät valoa.

Seuraa LiveSciencea Twitterissä @livescience. Olemme myös Facebookissa & Google+.