Kézikönyv - 03. fejezet - A plazma

Bob Johnson, Jim Johnson - 2011. október 25.

 

3.1 A plazma ismertetése

Ma már tudjuk, hogy a Világűrt töltött részecskék - plazma - tölti ki. Tény, hogy a plazma a leggyakoribb halmazállapot a Világegyetemben. Számos helyen megtalálhatjuk: a tűzben, a fénycsövekben és a villámokban a Földön, egészen a Galaktikus és Intergalaktikus térig. Az egyetlen ok, amiért nem szoktunk hozzá jobban a plazmához, mert az emberiség a vékony bioszférában él, ahol nagyrészt szilárd anyagok, folyadékok és gázok veszik körül. Érzékszerveink ezekre hangolódtak. Például a tűzre nem plazmaként tekintünk, látjuk a ragyogó lángot és érezzük a hőt. Csak tudományos kísérletek mutatják, hogy a plazma valójában jelen van a lángban.

"A Plazma olyan töltött részecskék összessége, amelyek közösen reagálnak az elektromágneses erőkre" (idézet Anthony Peratt – Physics of the Plasma Universe (A Plazma Univerzum fizikája) című könyvének első bekezdéséből (Springer-Verlag, 1992.). A plazma-régiók tartalmazhatnak semleges atomokat és molekulákat, valamint töltött és semleges szennyeződéseket, mint a por, kis részecskéktől a nagyobb testekig is – kis szikláktól a bolygókon át természetesen a csillagokig.

A meghatározó jellemző a szabad töltések jelenléte, azaz az ionoké, elektronoké és bármilyen töltésű por részecskéé. A plazmák elektromágneses mezőkre adott erős válasza egészen más, mint a nem-ionizált gáz viselkedése. Természetesen minden részecske – legyen töltött vagy semleges – reagál a gravitációs mezőre, arányosan a mező helyi intenzitásával. Mivel a Világegyetem túlnyomó része plazmából áll, így azok a helyek, ahol gravitációs erő dominál az elektromágnesesség felett, viszonylag ritkák.

A plazma olyan egyedi tulajdonságokkal rendelkezik, hogy általában külön, a "negyedik halmazállapotnak" nevezik, elkülönítve a szilárd, folyékony és gáz halmazállapotú anyagoktól. Mivel ez a leggyakoribb állapot a Világegyetemben, ezért nyugodtan hívhatjuk "első" halmazállapotnak is.

Az alábbi táblázatot általánosan használjuk hőtani szempontból a halmazállapotok változásának ábrázolására. A hőmérséklet annál magasabb, minél magasabbra haladunk a tranziensek mentén. Ugyanakkor a nagyon magas termikus energia ionizálja az anyagot. Természetesen vannak más módok is az ionizáltság és a töltéskülönbség kialakulására, szinte bármilyen hőmérsékleten.

Szilárd halmazállapotú anyagot, például egy elektromos kábelt, ha hozzákapcsolunk egy kellően magas feszültségű elektromos áramforráshoz (elem, áramfejlesztő), akkor a vezető fém elektronjai az atommagoktól elkülönülve szabadon mozoghatnak, töltött részecskék áramát hozva létre.

Egy pohár vízbe csipetnyi fémsót keverve, mint a nátrium-klorid, készen áll az ionizációra. Ha egy pozitív és egy negatív elektródát helyezünk a pohárba, a hidrogén(+) és oxigén(-) ionok a feszültségkülönbség hatására elindulnak az ellentétes elektróda irányába, ahol szobahőmérsékleten gázként lépnek ki a vízből. Habár az ilyen stabil, természetes állapotok részei az Elektromos Univerzumnak, de jelen Kézikönyv inkább az űrbéli nagyobb volumenű plazmákkal és elektromos áramokkal kíván foglalkozni.

Közeli sugárzó csillagok vagy kozmikus sugarak képesek ionizálni a nagyon hideg molekuláris gáz és porfelhőket. A létrejövő ionok és elektronok jellegzetes plazma karakterisztikát vesznek fel, képesek a töltést megtartani, kettősréteget létrehozni és nagyon magas töltéskülönbséget fenntartani. Az ilyen plazmák felgyorsítják a töltéseket és akár a fémeknél is jobban vezethetik az áramot. A plazma-áramok létrehozhatnak lepelszerű és szálas képződményeket, erről a két - sok más forma mellett - leggyakrabban előforduló jelenségekről ismerhetjük fel a  plazma jelenlétét.

Az ionizált részecskék aránya az ionizációs fok. A plazma ionizációs foka 0.01% -tól 100% -ig terjed, de a plazma tulajdonságok a teljes tartományban fellépnek a töltött részecskék jelenlétének és a töltés szétválásnak köszönhetően, amelyek tipikus plazma jellemzők.

A plazmát néha csak "ionizált gáznak" nevezik. Bár technikailag helyes, ez a terminológia hiányos és elavult. Ez a kifejezés annak a ténynek az álcázására szolgál, hogy a plazma ritkán viselkedik úgy, mint egy gáz. Az űrben nem egyszerűen diffundál, hanem komplex formákká szerveződik és nem reagál jelentősen a gravitációra, hacsak nem a helyi elektromágneses erők sokkal gyengébbek az adott környezetben, mint a gravitáció. A plazma nem számít gáz állapotban; csak plazma állapotban.

Napkitöréskor hatalmas tömegű "ionizált gáz" (plazma) lökődik ki a Nap óriási gravitációs erejével szemben, mely jól mutatja a folyamat energiáját. A "napszél" is plazma, amely mozgó töltött részecskékből áll. A folyamat más néven elektromos áramként ismert. Nem folyadék vagy "szél" és "forró gáz", pongyolán fogalmazva. Más szavak használata a folyadék dinamikából annak a ténynek az elhomályosítására szolgál, hogy az elektromos áram és a plazma jelenségek sokkal erősebbek a gravitációnál itt körülöttünk az Űrben és olyan messze is, ameddig csak ellátunk.

3.2  Ionizáció

Tudjuk, hogy az űr tele van mezőkkel, különféle részecskékkel, amelyek közül sok töltött és a méretük az atomoktól a bolygókig és a csillagokig, galaxisokig terjed. Semleges részecskék — azaz olyan atomok és molekulák, amelyeknek azonos számú protonja és elektronja van — elhanyagolva az antianyagot egyszerűsítésképpen — ellentétes töltésű részecskékből alakulnak ki. Ezzel ellentétben a töltött részecskék az atomokból és molekulákból ionizációként ismert folyamat segítségével képződnek.

Ha egy elektront - egységnyi negatív (-) töltést - elválasztunk egy atomtól, akkor az atom fennmaradó része pozitív (+) töltésű marad. Amikor az elválasztott elektron és az atom maradék része egymástól elkülönül, akkor beszélünk ionizációról. Az atom pozitív töltésű maradékát ionnak nevezzük. A legegyszerűbb atom a hidrogén, egy protonból (a magból) és egy elektronból áll. Ha a hidrogén ionizálódik, akkor az eredmény egy szabad elektron^(-) és egy szabad proton⁽⁺⁾ lesz. A proton a legegyszerűbb iontípus.

Ha egy hidrogénnél nehezebb atom ionizálódik, elveszíthet egy vagy több elektront. Az ion pozitív töltése megegyezik az elveszett elektronok számával. Ionizáció molekulákkal is előfordulhat. Az is előfordulhat, hogy egy elektront egy semleges atomhoz vagy molekulához adunk, ami negatív iont eredményez. Az űrben lévő porrészecskék gyakran feltöltődnek. A piszkos plazmák fizikájának tanulmányozása számos egyetemen folyik.

Az atomok elektronokra és ionokra bontásához energia szükséges — lásd az alábbi táblázatot.

 

Figyeljük meg a diagram ismétlődő mintázatát: az alkálifém viszonylag alacsony ionizációs energiával vagy hőmérséklettel rendelkezik (könnyen ionizálható). Jobbra lépve – növelve az atomszámot – az atom magjában lévő protonok számát – az egyre "nehezebb" atomok ionizálásához szükséges energia növekszik. A minta végén a "nemesgáz" atom kiemelkedik, majd a következő magasabb atomszámra lecsökken az energia, amely mindig egy alkálifém lesz. Ezután a minta ismétlődik.

Érdekességképpen érdemes megjegyezni, hogy a hidrogén, a legkönnyebb elem, ebben az elektromos és kémiai környezetben "fémnek" tekinthető, mivel egyetlen elektronja van a külső (és egyetlen) elektron pályáján, amelyről könnyen "lemond". Csillagászati szóhasználatban azonban, a csillagok összetételének elemzésekor a hidrogént és a héliumot hívjuk a "gáznak", minden más, nehezebb elemet pedig együttesen "fémnek".

3.3  Az ionizáció kialakulása és fenntartása

Az ionizáció megkezdéséhez és fenntartásához szükséges energia lehet kinetikus, nagy mozgási energiájú részecskék ütközése (elég magas hőmérséklet) vagy kellően intenzív sugárzás hatása. A részecskék átlagos véletlenszerű kinetikus energiáját rutinszerűen hőmérséklettel fejezzük ki, néhány, nagyon nagy sebességű alkalmazásban pedig elektronvoltban (eV). A hőmérséklet kelvinből (K) eV-ba történő konvertálásához a hőmérsékletet 11604,5-el kell osztani. Fordítva pedig meg kell szorozni az eV értéket ezzel a számmal, hogy megkapjuk a termikus ekvivalens hőmérsékletet Kelvinben.

A fenti ábra az atom vagy molekula első, legkülső elektronjának leszakításához szükséges ionizációs energiát ábrázolja. A belső elektronok erősebben kötődnek az atommaghoz, ezért a további ionizáció egyre magasabb energiát igényel. Az elektronok számos szintjét el lehet távolítani az atomoktól olyan rendkívül energikus környezetekben, mint a csillagok belsejében és környezetében és a galaktikus jet-ekben. Fontos megjegyezni: Ezek a nagy energiájú plazmák fontos forrásai az olyan elektronoknak és ionoknak, amelyek rendkívül nagy sebességre gyorsulnak fel és forrásai a kozmikus és szinkrotron sugárzásnak sok hullámhosszon. A kozmikus sugárzás globális éghajlatra ható és a felhőzetben kialakuló minták kapcsolatáról Henrik Svensmark: "The Chilling Stars" ("Hűvös csillagok") című könyvében olvashatunk.

A hőmérséklet a részecskék véletlenszerű kinetikus energiájának mértékét jelenti, amely összefüggésben áll a részecskék ütközéseinek számával és sebességével. A hőmérséklet befolyásolja a plazma ionizációs mértékét. Elektromos mezők (párhuzamosan) igazodnak a helyi plazmában létrejövő mágneses mezőkhöz (energia minimum állapot). A mezőben összehangolt körülmények között felgyorsult részecskék hajlamosak párhuzamosan, nem véletlenszerűen mozogni, és ezért viszonylag kevés ütközés következik be. A részecske-pályák konverzióját véletlenszerűtől a párhuzamig "dethermalizációnak" nevezzük. Úgy is mondhatjuk, hogy a párhuzamos mozgás alacsonyabb "hőmérsékletet" eredményez. Analógia: képzeljünk el egy gyakori ütközésekkel tarkított roncsderby-t mint "forrót" és ütközésesmentes forgalmi sávokban párhuzamosan közlekedő autópályát, amely "hűvös".

Egy elektron és egy atom közötti ütközés esetén ionizáció akkor következik be, ha az elektron energiája (az elektron hőmérséklet) nagyobb, mint az atom (első) ionizációs energiája. Ugyanakkor, ha egy elektron ütközik egy ionnal és az elektron elég energiával rendelkezik, akkor nem rekombinálódik. Ezt úgy lehet elképzelni, hogy az elektron olyan sebességgel rendelkezik, amely nagyobb, mint az ion "szökési" sebessége, ezért nem kerül befoglalásra az ion körül.

Az űrplazmák elektron hőmérséklete a százastól - a százmilliós kelvin tartományban esik. A plazmák képesek az ionizált állapotuk fenntartására. A töltés elkülönített állapot normális az űrben előforduló plazmákban.

Egyéb ionizációs energiaforrások közé tartoznak:

• a más régiókból érkező nagy energiájú kozmikus sugarak,
• a nagy energiájú vagy "ionizáló" sugárzás, mint pl. a közeli csillagok által gerjesztett gázok és gyengén ionizált plazmából származó erős ultraibolya fény,
• plazma régió és a semleges gáz közötti találkozás, ahol az ütközés relatív sebessége meghaladja a kritikus ionizációs sebességet (Critical Ionization Velocity (CIV) (lásd: Hannes Alfvén, Nemionizált gáz és magnetizált plazma közötti ütközés, Rev. Mod. Phys., 32, 710, 1960),
• vagy egyéb, magában a plazmában végbemenő sugárzással járó folyamatok.
   

A Big Bang-kozmológiában azt gondolják, hogy az Univerzumban nincs elég energia ahhoz, hogy ionizáció révén jelentős mennyiségű "laza" iont és elektront hozzon létre és tartson fenn, ezért ilyenek nem is létezhetnek. Másrészről, ha az ionok és az elektronok atomokká egyesülnek, energia szabadul fel. A ősrobbanás modellben a protonok és az elektronok az atomok előtt jöttek létre, ezért óriási mennyiségű energiának kellett felszabadulnia az Univerzumban lévő atomok kialakulása során. Lehetségesnek tűnik, hogy ha a Big Bang modell helyes, akkor ez az energia továbbra is elérhető lesz ahhoz, hogy nagy mennyiségű atomot újra ionizáljon. Alternatívaként úgy tűnik, lehetséges, hogy nem minden proton és elektron kapcsolódott össze az atomokban az ősrobbanás után.

Vegyük figyelembe, hogy az Elektromos modell nem a Big Bang modellre támaszkodik. Az Elektromos modell egyszerűen azt mondja, hogy ionokat és elektronokat észlelünk mindenütt; Így léteznek, valószínűleg nagy számban. A távcsöveinkkel a nagy energiájú fotonokat figyelhetünk meg, például a Chandra űrtávcső (röntgensugárzás) és a SOHO napfigyelő műholdak EIT (Extreme Ultraviolet Imaging Telescope) teleszkópjai, melyek igazolják az ionizáló energiaforrások jelenlétét az Univerzumban - közel és távol egyaránt.
Azt állítani, hogy a szabad ionok és elektronok nem létezhetnek nagy számban, mert elméletileg hiányzik az energia, amely létrehozná őket, ugyan olyan téves, mint azzal érvelni, hogy az Univerzum nem létezhet ugyanilyen okból.

3.4  Plazma Kutatások

Habár a plazma nem gyakori a Föld bioszférájában, láthatjuk a villámlás sokféle formájában, északi és déli sarki fényként, statikus elektromosság szikráiban, az autók gyújtógyertyájában, mindenféle lángokban (lásd 2. fejezet, 2.6. pont), elektroncsövekben, elektromos ívhegesztéskor, elektromos ívkemencékben, plazmamaráskor, plazmaégőkben a veszélyes hulladék ártalmatlanításakor, valamint neon és egyéb fénycsövekben.

A plazma viselkedést több mint 100 éve kiemelt laboratóriumi kísérletekben tanulmányozták. Rengeteg publikált kutatási anyagot bocsátott ki számos laboratóriumi és szakmai szervezet, többek között az Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE - "I triple E") (Erősáramú és Elektronikai Mérnökök Szervezete) , amely jelenleg a világ legnagyobb technikai szakmai szervezete. Az IEEE kiad egy folyóiratot, "Transactions on Plasma Science" címmel.

Nagymértékben fogunk támaszkodni ezekre a kutatásokra, amikor a plazma viselkedését a Kézikönyv későbbi részeiben tárgyaljuk. Fontos szem előtt tartani, hogy a plazma viselkedése sok nagyságrenddel skálázható. Vagyis kipróbálhatjuk elképzeléseinket a laboratóriumi kis léptékű kísérletekkel, miközben tudjuk, hogy a kapott eredményekkel megmagyarázhatjuk a plazma viselkedését a nagyságrendekkel nagyobb világűrben.

 3.5  Plazma és gázok

A töltött részecskék, azaz ionok, elektronok és töltött porrészecskék jelenléte miatt a kozmikus plazma elektromágneses mezők jelenlétében alapvetően eltérő módon viselkedik, mint a semleges gázok.

Az elektromágneses erők a töltött részecskék semleges atomoktól eltérő mozgását eredményezik. A plazma komplex viselkedése ilyen fajta kollektív mozgásokból ered.

A Plazma fontos viselkedési jellemzője, hogy képes nagy méretű cellák és filamentumok kialakítására. Valójában ezért nevezte el ezt a halmazállapotot plazmának Irving Langmuir, mert szinte életszerű a viselkedése és hasonló a sejt-tartalmú vérplazmához.

A plazma "sejtesedése" megnehezíti a pontos modellezést. Az "ionizált gáz" kifejezés használata félrevezető, mert azt sugallja, hogy a plazma viselkedését a gáz vagy a folyadékdinamika viselkedése szempontjából lehet modellezni. Ez azonban csak bizonyos, nagyon egyszerű feltételek fennállása mellett lehetséges.

Hannes Alfvén and Gustaf Arrhenius 1973-ban az Evolution of the Solar System című könyvében a következőket írta:
"Az alapvető különbséget [a modellezés megközelítések] bizonyos mértékben illusztrálja az ionizált gáz és a plazma kifejezés, amelyek - bár valójában szinonimák - különböző általános fogalmakat közvetítenek. Az első kifejezés egy olyan közegről ad képet, amely alapvetően hasonló a gázokhoz, különösen a leginkább ismertté vált légköri gázokhoz. Ezzel ellentétben a plazma, főleg a teljesen ionizált mágneses plazma, alapvetően eltérő tulajdonságú."

3.6  Elektromos vezetőképesség

A plazma elkülönült töltött részecskéket tartalmaz, amelyek szabadon mozoghatnak. Emlékezve arra, hogy definíció szerint a mozgó töltéseket áramnak nevezzük. Láthatjuk, hogy a plazma képes áramot vezetni. Tulajdonképpen, mivel a plazma mind szabad ionokat, mind szabad elektronokat tartalmaz, az elektromos energiát bármelyik vagy mindkét típusú töltés vezetheti.

Összehasonlításképpen, a fém vezetőképessége teljes mértékben a szabad elektronok mozgásának tulajdonítható, mivel az ionok a kristályrácsba kötődnek. Ez azt jelenti, hogy a plazma még hatékonyabb vezető, mint a fémek, mivel mind az elektronok, mind a hozzájuk tartozó ionok szabadon mozoghatnak az alkalmazott erők hatására.

3.7  A plazmák elektromos ellenállása

A Gravitációs modellben a plazmát gyakran nulla ellenállású, tökéletes vezetőnek tartják az egyszerűség kedvéért. Azonban minden plazmának van egy kicsi, de nem nulla ellenállása. Ez alapvető fontosságú az űrbéli elektromosság teljesebb megértése érdekében. Mivel a plazma alacsony, de nem nulla ellenállással rendelkezik, képes a gyenge elektromos mezőket rövidzárlat nélkül fenntartani.

Egy anyag elektromos vezetőképességét két tényező határozza meg: a rendelkezésre álló töltéshordozók (az ionok és elektronok) mennyiségének aránya és ezeknek a hordozóknak a mozgása (szabad mozgása).

Az űrplazmában a töltéshordozók mobilitása rendkívül magas, mert nagyon alacsony a teljes részecske-sűrűség és általában az alacsony ionhőmérséklet miatt nagyon kevés ütközés tapasztalható más részecskékkel. Másrészt a rendelkezésre álló töltéshordozók sűrűsége is nagyon alacsony, ami korlátozza a plazma kapacitását a töltés hordozására.

A plazma elektromos ellenállása, amely függ a töltés mobilitásának inverzétől és a töltéssűrűségtől, alacsony, de nem nulla értékű.

Mivel a mágneses tér a mágneses mezőben mozgó töltött részecskék mozgására erőt fejt ki, az ellenállás a mágneses mezőn keresztül (keresztirányban) sokkal nagyobb, mint a mágneses mező irányával párhuzamosan. Ez akkor válik majd fontossá, amikor a plazma áramok tulajdonságait vizsgáljuk.

Bár a plazma nagyon jó vezető, mégsem tökéletes, vagyis nem szupravezető.

3.8  Töltésmegosztás létrehozása

Elegendő nagyságú térfogat esetén a plazma azonos számú pozitív és negatív töltéssel rendelkezik, mivel a töltés egyensúlytalanságait a nagy energiájú elektronok mozgása semlegesíti. Így felmerül a kérdés, hogyan létezhetnek különféle töltésű régiók, ha a plazma ilyen jó vezető, és gyorsan semlegesíti önmagát?

Kis lépték esetén - néhány tíz méteres környezetben - az űrplazmában természetes töltésmennyiség ingadozások következnek be az elektronok véletlenszerű mozgásának következtében, és ezek olyan kis, szomszédos régiókat hoznak létre, ahol a semlegesség átmenetileg sérül.

Nagyobb léptékben a mágneses mezőben mozgó töltéseket maga a mező választja szét, mert ellentétes irányban hat a pozitív és negatív töltésekre. Ez különféle töltésű területeket hoz létre és tart fenn mindaddig, amíg a részecskék a mágneses térben mozognak.

Az szétválasztott töltés elektromos mezőt eredményez, amelynek hatására az ionok és elektronok még jobban felgyorsulnak, mégpedig ellentétes irányban. Más szóval, amint néhány kisebb inhomogenitás létre jön, gyorsan a bonyolultabb plazma viselkedés kezdetéhez vezet.

Bármely mérettartományra kiterjedően a plazmára jellemző filamentációs és celluláris viselkedése vékony rétegeket hoz létre, ahol a töltések szétválnak. Bár a rétegek maguk vékonyak, hatalmas területekre terjedhetnek ki a világűrben.

3.9  Fontos emlékeztető a plazma tulajdonságairól

Az alapvető szempont, amelyet szem előtt kell tartanunk amikor az űrplazmát vizsgáljuk, hogy gyakran teljesen ellentétesen viselkedik, mint a gázok. A töltött részecskéket - amelyek a plazma meghatározó összetevői - az elektromágneses mezők befolyásolják, amelyeket maguk a részecskék képesek létrehozni és módosítani.

A plazma különös sejteket és szálakat hoz létre önmagán belül - emiatt nevezzük plazmának - és ezek az alakzatok visszacsatolásképpen megváltoztatják a plazma viselkedését.

A plazma viselkedése kicsit fraktálszerű. Mind a kettő rendszer összetett, amelyek viszonylag egyszerű szabályokból erednek. A fraktálokkal ellentétben azonban a plazmát az instabilitás is befolyásolja, ami további összetettségi rétegeket eredményez.

A világegyetem minden olyan elméleti vagy matematikai modellje, amely nem veszi figyelembe ezt a komplexitást, figyelmen kívül hagyja a rendszer viselkedésének fontos elemeit, és ezért nem képes pontosan modellezni azt.

Vége a 3. fejezetnek