Kako nastaje plazma?
Plazma je stanje materije koje nije pogodno za život kakav poznajemo. Nas i nama prihvatljivi okoliš čine krutine i tekućine uronjene u plin. Zato nam plazma i nije toliko bliska.
Krenimo od krutina. Njihova struktura određena je elektromagnetskim silama koje određuju statičke razmještaje atoma i molekula, (npr. u kristalnoj strukturi). U takvim strukturiranim sustavima energije vezanja osnovnih ćelija veće su od okolne termalne energije. Ako nešto što je u početku kruto tijelo stavimo u dovoljno vruću okolinu, temeljna struktura se razara: kristali se tope (npr. led se pretvara u tekućinu), tekućina se pretvara u paru (u slobodne molekule koje se sudaraju), a molekule u plinu/pari se razdvajaju na atome koji ih sastavljaju (disociraju). Na isti način pri još većim termalnim energijama atomi se u sudarima rastavljaju na negativno nabijene elektrone i pozitivno nabijene ione. Te nabijene čestice u gibanju stvaraju električka i magnetska polja koja u povratu utječu na sve te čestice. Materija u takvom stanju je plazma.
Sva stanja materije mogu se miješati - doticati. Posebno su zanimljivi prijelazi krutina/tekućina krutina/plin, tekućina/plin. No u tu priču možemo ubaciti i plazmu! Tako su granice krutina/plazma, tekućina/plazma, plin(para)/plazma ključni objekti današnjih istraživanja vezanih uz tehnološke primjene. No tu su i mnoga otvorena temeljna pitanja ponašanja nelinearnih i neravnotežnih složenih sustava.
Dakle općenito plazma nastaje dovođenjem energije plinu. Na primjer zagrijavanjem plina ili ubacivanjem visokoenergetskih čestica u plin. Te čestice mogu biti na primjer elektroni (najčešće), protoni, ioni ili fotoni.
Jedan od osnovnih načina stvaranja plazme pod čovjekovom kontrolom je pomoću električnih izboja. Plazma nastaje uz pomoć električne energije – električno polje prenosi energiju na elektrone u plinu(elektroni su najpokretljivije nabijene čestice, 1836 puta lakše od protona). Energija elektrona prenosi se na neutralne čestice u plinu putem sudara. Sudari mogu biti elastični (kinetička energija se ne mijenja) i neelastični (elektroni gube energiju koja se prenosi na česticu).
Kad je energija elektrona dovoljno velika u sudaru s neutralnom česticom dolazi do promjene elektronske strukture čestice. Što je energija sudara veća redom su vjerojatniji procesi pobude atoma/molekula (prijelaz vezanog elektrona atoma u višu atomsku orbitalu), razdvajanja (disocijacije) atoma koji čine molekulu, ili pak ionizacije (izbacivanja elektrona iz atoma odnosno molekula).
Snop kratkotrajnih pulseva laserskog svjetla (nanosekundni Nd-YAG infracrveni laser) fokusiran je pomoću leće na metu (litij). Golema koncentracija fotona unutar male površine na meti, u međudjelovanju s metom, izbacuje elektrone iz krutog materijala. Meta se topi u tankom površinskom sloju i atomi i molekule izljeću iz mete. Elektroni apsorbiraju preostale fotone iz laserskog snopa i dodatno se ubrzavaju. Nad metom se stvara plazma koja se brzo širi u prostor. Od vrlo vruće i guste plazme u prvim trenucima plazma prelazi u hladnu i rijetku nekoliko mikrosekundi nakon početnog pulsa .
Pobuđeni atomi/molekule u pravilu kratko žive u takvom stanju, tipično nekoliko nanosekundi, tijekom kojih se atom vraća u osnovno (početno) stanje uz emisiju fotona. To „u pravilu“ znači da postoje i stanja atoma i molekula koja žive znatno dulje (metastabilna stanja), npr. mjereno mikrosekundama ili čak minutama. Npr. jedno stanje atoma helija živi 8000 sekundi (naravno to se može desiti samo ako u tom vremenu atom helija ne doživi nikakav sudar). I druga u plazmi stvorena stanja atoma i molekula: ioni ili radikali kratko žive. Pozitivni ioni se rekombiniraju, ponovno hvataju nedostajući elektron i tako nastaju atomi u visoko pobuđenom stanju koji zrače fotone. Radikali (npr. pojedinačni atomi kisika, vodika ili njihova molekula OH) brzo se rekombiniraju ponovo stvarajući izvorne stabilne molekule (npr. dvoatomsku molekulu kisika, vodika), također često u pobuđenom stanju koje zrači neke svoje karakteristične fotone. Ili se pak, takvi radikali, vežu s nekim drugim česticama u plazmi. Glavni rezultat je dakle, emisija fotona (svjetlosti) iz plazme. Iz te emisije može se iščitati što se u plazmi događa. Takva svjetlost iz plazme je osnovni izvor informacija o čitavom Svemiru.
Da bi se plin održao u stanju plazme potrebno mu je stalno dovoditi energiju. Ovisno o načinu dotoka energije i količini prenesene energije mijenjaju se svojstva plazme izražena preko gustoće elektrona i temperature čestica.
Plazma je manje ili više ionizirani plin.Sastoji se od elektrona, iona i neutralnih čestica koje mogu biti u osnovnom ili pobuđenim stanjima. Gledano iz daleka plazma je električki neutralna (jednak je broj pozitivno i negativno nabijenih čestica), no plazma sadrži slobodne nosioce naboja (elektrone, pozitivne i negativne ione) i električki je vodljiva
Izvor: eskola.hfd.hr
Priredio: Tomislav Milunov, II-7