Коротко:

• Плазма — четвертий агрегатний стан речовини: іонізований газ із вільними електронами та іонами.
• Вона квазінейтральна, проводить струм і сильно реагує на електричні й магнітні поля.
• Майже 99 % видимої речовини у Всесвіті перебуває саме в цьому стані — зірки, сонячний вітер, міжзоряне середовище.
• На Землі плазму бачимо в блискавках, полярних сяйвах, неонових лампах і зварювальних дугах.
• Технологічно її використовують у мікроелектроніці, освітленні, обробці матеріалів і дослідженнях термоядерного синтезу.

Плазма — це стан речовини, у якому атоми частково або повністю втратили електрони. Залишаються вільні негативно заряджені електрони і позитивно заряджені іони. Сумарний заряд майже нульовий, тому говорять про квазінейтральність. Саме ця суміш заряджених частинок і відрізняє плазму від звичайного газу.

Термін запропонував американський хімік Ірвінг Ленгмюр у 1928 році. Він помітив, що іонізований газ у газорозрядних трубках поводиться колективно, ніби суцільне середовище. До того Вільям Крукс ще в 1879-му описав «променисту матерію» в катодних трубках. Сьогодні плазму називають четвертим агрегатним станом після твердого, рідкого й газоподібного.

На Землі цей стан зустрічається рідко, бо для нього потрібна висока температура або сильне електричне поле. У космосі ж плазма панує. Сонце, зірки, сонячна корона, іоносфера планет — усе це плазма. Якщо коротко, більшість видимої матерії у Всесвіті існує саме так.

Основні властивості плазми

Головна риса — наявність вільних зарядів. Через це плазма добре проводить електричний струм. Звичайний газ — діелектрик, а плазма — провідник. Частинки взаємодіють не тільки зіткненнями, а й на великих відстанях через електромагнітні сили. Тому плазма демонструє колективну поведінку: хвилі, нестабільності, екранування зарядів.

Важливий параметр — довжина Дебая. Це відстань, на якій електричне поле окремого заряду екранується іншими частинками. Якщо розмір системи значно більший за цю довжину, речовину можна вважати плазмою. Ще один критерій — плазмова частота. Вона показує, як швидко електрони реагують на збурення заряду.

Температура й густина визначають тип плазми. Холодна (низькотемпературна) плазма має температуру електронів від кількох тисяч до десятків тисяч кельвінів, а іони залишаються відносно холодними. Гаряча плазма, як у зірках чи токамаках, досягає мільйонів і навіть десятків мільйонів градусів. Ступінь іонізації може бути від часток відсотка до майже 100 %.

• Електропровідність висока завдяки вільним електронам.
• Чутливість до магнітних полів дозволяє утримувати плазму магнітними пастками.
• Випромінювання світла — від видимого до рентгенівського діапазону.
• Можливість підтримувати колективні хвилі й струми.

Ці властивості роблять плазму унікальною. У практиці я помічав, як навіть слабко іонізований газ у газорозрядній лампі вже поводиться зовсім не як звичайне повітря: світиться, проводить струм і реагує на наближення руки.

Як утворюється плазма

Найпростіший спосіб — нагріти газ до високої температури. При зіткненнях атоми отримують енергію, достатню, щоб вибити електрони. У зірках це відбувається через гравітаційне стиснення й ядерні реакції. На Землі для цього потрібні спеціальні умови.

Другий шлях — електричний розряд. Сильне електричне поле розганяє електрони, ті зіштовхуються з атомами й іонізують їх. Так працюють неонові вивіски, люмінесцентні лампи, зварювальні апарати. Блискавка — природний приклад такого процесу: температура в каналі розряду сягає близько 30 000 К.

Фотоіонізація — коли ультрафіолетові або рентгенівські фотони вибивають електрони. Так утворюється іоносфера Землі під дією сонячного випромінювання. У лабораторії використовують лазери, мікрохвильове випромінювання, радіочастотні поля.

Важливо: перехід від газу до плазми не різкий, як плавлення льоду. Ступінь іонізації зростає поступово. Вже при 1 % іонізованих частинок газ починає проявляти плазмові властивості.

Плазма в природі

Сонце — гігантська куля плазми. У його ядрі температура близько 15 мільйонів кельвінів, речовина повністю іонізована. Сонячна корона ще гарячіша за поверхню — понад мільйон градусів. Сонячний вітер — потік плазми, що постійно витікає від Сонця й омиває планети.

Полярні сяйва виникають, коли заряджені частинки сонячного вітру потрапляють в атмосферу Землі й збуджують атоми кисню та азоту. Блискавки — короткочасна, але дуже щільна плазма. Вулканічні блискавки, вогняні кулі (кульова блискавка) — теж пов’язані з плазмовими явищами, хоча механізм останньої досі дискутують.

Міжзоряне середовище частково іонізоване. Навіть у «холодних» хмарах є вільні електрони. Плазма заповнює акреційні диски навколо чорних дір, джети активних галактик, залишки наднових.

За спостереженнями, майже вся видима матерія Всесвіту — плазма. Тверді тіла, рідини й нейтральні гази — радше виняток, можливий лише в холодних і щільних умовах, як на планетах.

Плазма в технологіях

Без плазми сучасна електроніка була б неможливою. У виробництві мікросхем використовують плазмове травлення й осадження. Плазма дозволяє точно видаляти або нарощувати шари матеріалу з точністю до нанометрів.

Освітлення: газорозрядні лампи, світлодіоди з плазмовою обробкою поверхонь, плазмові панелі (хоча їх уже майже витіснили OLED). Зварювання, різання металу, поверхнева обробка — усюди застосовують плазмові струмені.

Медицина: плазмова стерилізація інструментів, лікування ран холодною плазмою, плазмове напилення біосумісних покриттів на імплантати. У сільському господарстві досліджують вплив низькотемпературної плазми на насіння й воду.

• Мікроелектроніка — травлення та осадження.
• Очищення поверхонь і стерилізація.
• Плазмове напилення захисних і функціональних покриттів.
• Джерела світла та дисплеї.
• Термоядерні дослідження.

Найамбітніший напрям — керований термоядерний синтез. У токамаках і стелараторах плазму водню нагрівають до десятків мільйонів градусів і утримують магнітним полем. Мета — отримати енергію від злиття ядер дейтерію й тритію. Наразі це складне інженерне завдання, але прогрес є.

Чим плазма відрізняється від газу

Звичайний газ складається з нейтральних атомів або молекул. Вони зіштовхуються, але далекодіючих сил майже немає. Плазма — суміш заряджених частинок. Електромагнітні взаємодії визначають її поведінку.

Газ не проводить струм (або проводить дуже погано). Плазма — відмінний провідник. Газ майже не реагує на магнітне поле. Плазма може «заморожуватися» в магнітні силові лінії й рухатися разом із ними.

У таблиці нижче — коротке порівняння:

Навіть слабко іонізована плазма вже відрізняється від газу. У люмінесцентній лампі ступінь іонізації невеликий, але світло й провідність з’являються саме завдяки вільним зарядам.

Типи плазми

За ступенем іонізації розрізняють слабо іонізовану (холодна, технологічна) і повністю іонізовану (гаряча, астрофізична й термоядерна). За густиною — від розрідженої міжзоряної до щільної плазми в лазерних експериментах.

Ідеальна плазма — коли кінетична енергія частинок значно перевищує енергію взаємодії. Неідеальна — коли частинки сильно корелюють. Пилова плазма містить макроскопічні заряджені частинки. Кварк-глюонна плазма — екзотичний стан, який існував у перші мікросекунди після Великого вибуху й відтворюється в прискорювачах важких іонів.

У лабораторіях створюють ультрахолодну плазму, охолоджуючи атоми лазерами майже до абсолютного нуля, а потім іонізуючи. Такі експерименти допомагають перевіряти теорії в екстремальних умовах.

Плазма і повсякденне життя

Ви стикаєтеся з плазмою частіше, ніж здається. Екрани старих плазмових телевізорів, неонові вивіски на вулицях, іскровий розряд у запальничці, зварювальний апарат у майстерні — усе це плазма. Навіть полум’я свічки частково містить іонізовані частинки, хоча класичною плазмою його вважають не завжди.

У практиці помічав, що діти, які вперше бачать плазмову кулю (ті декоративні лампи з блискавками всередині), одразу відчувають, що це щось особливе. Рука притягує «блискавки», і це наочна демонстрація взаємодії зарядів із зовнішнім тілом.

Плазма допомагає очищати воду, знезаражувати поверхні, створювати нові матеріали. Дослідження холодної плазми активно розвиваються в медицині й харчовій промисловості.

Що варто знати далі

Якщо цікавить фізика — починайте з базових понять: довжина Дебая, плазмова частота, критерії плазмовості. Для прикладних задач важливі режими розряду (тліючий, дуговий, високочастотний) і способи генерації.

Термоядерна енергетика поки що експериментальна, але розуміння поведінки гарячої плазми критично важливе. Космічна погода — вплив сонячної плазми на супутники й електромережі — теж безпосередньо пов’язана з цією темою.

Плазма не «екзотика». Це найпоширеніший стан видимої речовини у Всесвіті і водночас потужний інструмент технологій. Розуміння її властивостей допомагає і пояснювати природу зірок, і створювати мікросхеми, і шукати нові джерела енергії.

Якщо хочете глибше розібратися в конкретному застосуванні — термоядерному синтезі, холодній плазмі в медицині чи плазмовій обробці матеріалів — почніть із офіційних матеріалів наукових лабораторій і підручників з фізики плазми. Це складний, але надзвичайно цікавий розділ фізики, який продовжує відкривати нові можливості.