Коротко:

• Плазма — четвёртое агрегатное состояние вещества: ионизированный газ со свободными электронами и ионами.
• Она квазинейтральна, проводит ток и сильно реагирует на электрические и магнитные поля.
• Почти 99 % видимого вещества во Вселенной находится именно в этом состоянии — звёзды, солнечный ветер, межзвёздная среда.
• На Земле плазму видим в молниях, полярных сияниях, неоновых лампах и сварочных дугах.
• Технологически её используют в микроэлектронике, освещении, обработке материалов и исследованиях термоядерного синтеза.

Плазма — это состояние вещества, в котором атомы частично или полностью утратили электроны. Остаются свободные отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы. Суммарный заряд почти нулевой, поэтому говорят о квазинейтральности. Именно эта смесь заряженных частиц и отличает плазму от обычного газа.

Термин предложил американский химик Ирвинг Ленгмюр в 1928 году. Он заметил, что ионизированный газ в газоразрядных трубках ведёт себя коллективно, словно сплошная среда. До того Уильям Крукс ещё в 1879-м описал «лучистую материю» в катодных трубках. Сегодня плазму называют четвёртым агрегатным состоянием после твёрдого, жидкого и газообразного.

На Земле это состояние встречается редко, потому что для него нужна высокая температура или сильное электрическое поле. В космосе же плазма господствует. Солнце, звёзды, солнечная корона, ионосфера планет — всё это плазма. Если коротко, большая часть видимой материи во Вселенной существует именно так.

Основные свойства плазмы

Главная черта — наличие свободных зарядов. Благодаря этому плазма хорошо проводит электрический ток. Обычный газ — диэлектрик, а плазма — проводник. Частицы взаимодействуют не только столкновениями, но и на больших расстояниях через электромагнитные силы. Поэтому плазма демонстрирует коллективное поведение: волны, неустойчивости, экранирование зарядов.

Важный параметр — длина Дебая. Это расстояние, на котором электрическое поле отдельного заряда экранируется другими частицами. Если размер системы значительно больше этой длины, вещество можно считать плазмой. Ещё один критерий — плазменная частота. Она показывает, как быстро электроны реагируют на возмущение заряда.

Температура и плотность определяют тип плазмы. Холодная (низкотемпературная) плазма имеет температуру электронов от нескольких тысяч до десятков тысяч кельвинов, а ионы остаются относительно холодными. Горячая плазма, как в звёздах или токамаках, достигает миллионов и даже десятков миллионов градусов. Степень ионизации может быть от долей процента до почти 100 %.

• Электропроводность высока благодаря свободным электронам.
• Чувствительность к магнитным полям позволяет удерживать плазму магнитными ловушками.
• Излучение света — от видимого до рентгеновского диапазона.
• Возможность поддерживать коллективные волны и токи.

Эти свойства делают плазму уникальной. На практике я замечал, как даже слабо ионизированный газ в газоразрядной лампе уже ведёт себя совсем не как обычный воздух: светится, проводит ток и реагирует на приближение руки.

Как образуется плазма

Самый простой способ — нагреть газ до высокой температуры. При столкновениях атомы получают энергию, достаточную, чтобы выбить электроны. В звёздах это происходит благодаря гравитационному сжатию и ядерным реакциям. На Земле для этого нужны специальные условия.

Второй путь — электрический разряд. Сильное электрическое поле разгоняет электроны, те сталкиваются с атомами и ионизируют их. Так работают неоновые вывески, люминесцентные лампы, сварочные аппараты. Молния — природный пример такого процесса: температура в канале разряда достигает около 30 000 К.

Фотоионизация — когда ультрафиолетовые или рентгеновские фотоны выбивают электроны. Так образуется ионосфера Земли под действием солнечного излучения. В лаборатории используют лазеры, микроволновое излучение, радиочастотные поля.

Важно: переход от газа к плазме не резкий, как плавление льда. Степень ионизации растёт постепенно. Уже при 1 % ионизированных частиц газ начинает проявлять плазменные свойства.

Плазма в природе

Солнце — гигантский шар плазмы. В его ядре температура около 15 миллионов кельвинов, вещество полностью ионизировано. Солнечная корона ещё горячее поверхности — свыше миллиона градусов. Солнечный ветер — поток плазмы, который постоянно истекает от Солнца и омывает планеты.

Полярные сияния возникают, когда заряженные частицы солнечного ветра попадают в атмосферу Земли и возбуждают атомы кислорода и азота. Молнии — кратковременная, но очень плотная плазма. Вулканические молнии, огненные шары (шаровая молния) — тоже связаны с плазменными явлениями, хотя механизм последней до сих пор обсуждают.

Межзвёздная среда частично ионизирована. Даже в «холодных» облаках есть свободные электроны. Плазма заполняет аккреционные диски вокруг чёрных дыр, джеты активных галактик, остатки сверхновых.

По наблюдениям, почти вся видимая материя Вселенной — плазма. Твёрдые тела, жидкости и нейтральные газы — скорее исключение, возможное лишь в холодных и плотных условиях, как на планетах.

Плазма в технологиях

Без плазмы современная электроника была бы невозможна. В производстве микросхем используют плазменное травление и осаждение. Плазма позволяет точно удалять или наращивать слои материала с точностью до нанометров.

Освещение: газоразрядные лампы, светодиоды с плазменной обработкой поверхностей, плазменные панели (хотя их уже почти вытеснили OLED). Сварка, резка металла, поверхностная обработка — всюду применяют плазменные струи.

Медицина: плазменная стерилизация инструментов, лечение ран холодной плазмой, плазменное напыление биосовместимых покрытий на имплантаты. В сельском хозяйстве исследуют влияние низкотемпературной плазмы на семена и воду.

• Микроэлектроника — травление и осаждение.
• Очистка поверхностей и стерилизация.
• Плазменное напыление защитных и функциональных покрытий.
• Источники света и дисплеи.
• Термоядерные исследования.

Самое амбициозное направление — управляемый термоядерный синтез. В токамаках и стеллараторах плазму водорода нагревают до десятков миллионов градусов и удерживают магнитным полем. Цель — получить энергию от слияния ядер дейтерия и трития. Пока это сложная инженерная задача, но прогресс есть.

Чем плазма отличается от газа

Обычный газ состоит из нейтральных атомов или молекул. Они сталкиваются, но дальнодействующих сил почти нет. Плазма — смесь заряженных частиц. Электромагнитные взаимодействия определяют её поведение.

Газ не проводит ток (или проводит очень плохо). Плазма — отличный проводник. Газ почти не реагирует на магнитное поле. Плазма может «замораживаться» в магнитные силовые линии и двигаться вместе с ними.

В таблице ниже — краткое сравнение:

Даже слабо ионизированная плазма уже отличается от газа. В люминесцентной лампе степень ионизации невелика, но свет и проводимость появляются именно благодаря свободным зарядам.

Типы плазмы

По степени ионизации различают слабо ионизированную (холодная, технологическая) и полностью ионизированную (горячая, астрофизическая и термоядерная). По плотности — от разреженной межзвёздной до плотной плазмы в лазерных экспериментах.

Идеальная плазма — когда кинетическая энергия частиц значительно превышает энергию взаимодействия. Неидеальная — когда частицы сильно коррелируют. Пылевая плазма содержит макроскопические заряженные частицы. Кварк-глюонная плазма — экзотическое состояние, которое существовало в первые микросекунды после Большого взрыва и воспроизводится в ускорителях тяжёлых ионов.

В лабораториях создают ультрахолодную плазму, охлаждая атомы лазерами почти до абсолютного нуля, а затем ионизируя. Такие эксперименты помогают проверять теории в экстремальных условиях.

Плазма и повседневная жизнь

Вы сталкиваетесь с плазмой чаще, чем кажется. Экраны старых плазменных телевизоров, неоновые вывески на улицах, искровой разряд в зажигалке, сварочный аппарат в мастерской — всё это плазма. Даже пламя свечи частично содержит ионизированные частицы, хотя классической плазмой его считают не всегда.

На практике замечал, что дети, которые впервые видят плазменный шар (те декоративные лампы с молниями внутри), сразу чувствуют, что это что-то особенное. Рука притягивает «молнии», и это наглядная демонстрация взаимодействия зарядов с внешним телом.

Плазма помогает очищать воду, обеззараживать поверхности, создавать новые материалы. Исследования холодной плазмы активно развиваются в медицине и пищевой промышленности.

Что стоит знать дальше

Если интересует физика — начинайте с базовых понятий: длина Дебая, плазменная частота, критерии плазменности. Для прикладных задач важны режимы разряда (тлеющий, дуговой, высокочастотный) и способы генерации.

Термоядерная энергетика пока экспериментальная, но понимание поведения горячей плазмы критически важно. Космическая погода — влияние солнечной плазмы на спутники и электросети — тоже напрямую связана с этой темой.

Плазма не «экзотика». Это самое распространённое состояние видимого вещества во Вселенной и одновременно мощный инструмент технологий. Понимание её свойств помогает и объяснять природу звёзд, и создавать микросхемы, и искать новые источники энергии.

Если хотите глубже разобраться в конкретном применении — термоядерном синтезе, холодной плазме в медицине или плазменной обработке материалов — начните с официальных материалов научных лабораторий и учебников по физике плазмы. Это сложный, но чрезвычайно интересный раздел физики, который продолжает открывать новые возможности.