Plazma jest stanem materii, o którym często myśli się jako o podzbiorze gazów, ale te dwa stany zachowują się bardzo różnie. Podobnie jak gazy, plazmy nie mają stałego kształtu ani objętości i są mniej gęste niż ciała stałe lub ciecze. Ale w przeciwieństwie do zwykłych gazów, plazmy składają się z atomów, w których niektóre lub wszystkie elektrony zostały usunięte i dodatnio naładowane jądra, zwane jonami, poruszają się swobodnie.

„Gaz jest wykonany z neutralnych cząsteczek i atomów,” powiedział Xuedong Hu, profesor fizyki na Uniwersytecie w Buffalo. Oznacza to, że liczba ujemnie naładowanych elektronów równa się liczbie dodatnio naładowanych protonów.

„Plazma jest naładowany gaz, z silnymi interakcjami Coulomb,” Hu powiedział Live Science. Atomy lub cząsteczki mogą uzyskać dodatni lub ujemny ładunek elektryczny, gdy zyskują lub tracą elektrony. Proces ten nazywany jest jonizacją. Plazma tworzy słońce i gwiazdy, i jest to najbardziej powszechny stan materii we wszechświecie jako całości.

(Plazma krwi, przy okazji, jest czymś zupełnie innym. Jest to płynna część krwi. Składa się w 92 procentach z wody i stanowi 55 procent objętości krwi, według Amerykańskiego Czerwonego Krzyża.)

Naładowane cząsteczki

Typowy gaz, taki jak azot lub siarkowodór, jest wykonany z cząsteczek, które mają ładunek netto równy zeru, co daje objętości gazu jako całości ładunek netto równy zeru. Plazma, zbudowana z naładowanych cząsteczek, może mieć zerowy ładunek netto w całej objętości, ale nie na poziomie pojedynczych cząsteczek. Oznacza to, że siły elektrostatyczne pomiędzy cząsteczkami w plazmie stają się znaczące, podobnie jak wpływ pól magnetycznych.

Będąc zbudowaną z naładowanych cząstek, plazma może robić rzeczy, których gazy nie mogą, jak przewodzenie prądu. A ponieważ poruszające się ładunki wytwarzają pola magnetyczne, plazmy również mogą je mieć.

W zwykłym gazie, wszystkie cząsteczki zachowują się mniej więcej tak samo. Więc jeśli masz gaz w pojemniku i pozwól mu ostygnąć do temperatury pokojowej, wszystkie cząsteczki w środku będą, średnio, poruszać się z tą samą prędkością, a jeśli miałbyś zmierzyć prędkość wielu pojedynczych cząsteczek, otrzymałbyś krzywą rozkładu z wieloma z nich poruszającymi się w pobliżu średniej i tylko kilka albo szczególnie wolno lub szybko. Dzieje się tak dlatego, że w gazie cząsteczki, jak kule bilardowe, uderzają o siebie i przekazują energię między sobą.

To nie dzieje się w plazmie, zwłaszcza w polu elektrycznym lub magnetycznym. Pole magnetyczne może stworzyć populację bardzo szybkich cząstek, na przykład. Większość plazm nie jest wystarczająco gęsta, aby cząstki zderzały się ze sobą bardzo często, więc oddziaływania magnetyczne i elektrostatyczne stają się ważniejsze.

Mówiąc o oddziaływaniach elektrostatycznych, ponieważ cząstki w plazmie – elektrony i jony – mogą oddziaływać poprzez elektryczność i magnetyzm, mogą to robić na dużo większe odległości niż zwykły gaz. To z kolei oznacza, że fale stają się ważniejsze przy omawianiu tego, co dzieje się w plazmie. Jedną z takich fal jest fala Alfvéna, nazwana tak na cześć szwedzkiego fizyka i laureata nagrody Nobla, Hannesa Alfvéna. Fala Alfvéna powstaje, gdy pole magnetyczne w plazmie zostaje zaburzone, tworząc falę, która przemieszcza się wzdłuż linii pola. W zwykłych gazach nie ma analogii do tego zjawiska. Możliwe, że fale Alfvéna są powodem, dla którego temperatura korony słonecznej – również będącej plazmą – wynosi miliony stopni, podczas gdy na powierzchni zaledwie tysiące.

Inną cechą plazmy jest to, że może być utrzymywana w miejscu przez pola magnetyczne. Większość badań nad energią termojądrową koncentruje się właśnie na tym. Aby stworzyć warunki dla fuzji, potrzebna jest bardzo gorąca plazma – o temperaturze milionów stopni. Ponieważ żaden materiał nie jest w stanie jej zatrzymać, naukowcy i inżynierowie wykorzystują do tego celu pola magnetyczne.

Plazmy w akcji

Jednym z miejsc, w którym można zobaczyć plazmy w akcji, jest żarówka fluorescencyjna lub neon. W tych przypadkach gaz (neon w przypadku znaków) jest poddawany wysokiemu napięciu, a elektrony są albo oddzielane od atomów gazu, albo wypychane na wyższe poziomy energetyczne. Gaz wewnątrz żarówki staje się przewodzącą plazmą. Wzbudzone elektrony, które opadają z powrotem na poprzednie poziomy energetyczne, emitują fotony – światło, które widzimy w neonie lub lampie fluorescencyjnej.

Telewizory plazmowe działają w ten sam sposób. Gaz – zwykle argon, neon lub ksenon – jest wstrzykiwany do szczelnej szczeliny między dwoma szklanymi panelami. Przez gaz przepuszczany jest prąd elektryczny, który powoduje jego świecenie. Plazma wzbudza czerwone, zielone i niebieskie luminofory, które łączą się w celu uzyskania określonych kolorów, według eBay.

Innym zastosowaniem plazmy są kule plazmowe, które są pełne mieszanek gazów szlachetnych, które wytwarzają kolory „błyskawic” wewnątrz nich, gdy prąd elektryczny jonizuje gaz.

Innym przykładem plazmy są zorze polarne, które otaczają bieguny, gdy Słońce jest szczególnie aktywne. Wiatr słoneczny to strumień naładowanych cząstek (głównie protonów), które uderzają w ziemskie pole magnetyczne. Cząstki te, będąc naładowane, podążają wzdłuż linii pola magnetycznego i przemieszczają się w kierunku biegunów, gdzie zderzają się z atomami powietrza, głównie tlenu i azotu, i wzbudzają je. Jak neon, wzbudzone atomy tlenu i azotu emitują światło.

Śledź LiveScience na Twitterze @livescience. Jesteśmy również na Facebooku & Google+.