СТАН ПЛАЗМИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ТИПИ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Стан плазми - це один із основних способів агрегації речовини, і він є найбільш переважаючим у Всесвіті, що спостерігається. Плазма складається з гарячого, яскравого та високоіонізованого газу до того часу, коли він набуває унікальних властивостей, що відрізняють його від газоподібного стану чи будь-якого іншого газу зокрема.

Ми бачимо плазму, розкидану на зірках нічного неба. Оскільки у Всесвіті існує нескінченна кількість зірок, а також туманності та інші небесні утворення, це вважається найважливішим станом матерії. На Землі вважається четвертим станом, після рідкого, твердого та газоподібного.

Плазмова лампа

Сонце - найближчий приклад, коли ми можемо оцінити характеристики плазми в природному середовищі на масивних масштабах. З іншого боку, на Землі трапляються природні явища, в яких спрацьовує миттєва поява плазми, наприклад вогонь та блискавка в шторми.

Плазма пов'язана не тільки з високими температурами (мільйони градусів кельвіна), але і з великими електричними потенціалами, з лампами розжарювання та з нескінченною електропровідністю.

Характеристики плазми

Плазма зірок і туманностей становить практично всю спостережувану Всесвіт. Джерело: Pxhere.

Склад

Матерія складається з частинок (молекул, атомів, іонів, клітин тощо), які залежно від ефективності та сил, з якими вони додаються, встановлюють твердий, рідкий або газоподібний стан.

Частинки плазми складаються з позитивно заряджених атомів, більш відомих як катіони (+) та електронів (-). У плазматичному стані речовини не йдеться про молекули.

Катіони та електрони вібрують на дуже високих частотах, демонструючи колективну, а не індивідуальну поведінку. Вони не можуть відокремитися або рухатися, не порушуючи весь набір частинок.

Це не відбувається, наприклад, з газами, де їхні атоми або молекули, хоча вони стикаються між собою, мають мінімальні, незначні взаємодії.

Навчання

Стан плазми утворюється в основному, коли газ іонізується внаслідок впливу дуже високих температур.

Почнемо спочатку з кубика льоду. Це суцільне. Якщо нагрітись, лід розтане у рідкій воді. Тоді, нагріваючись до більш високих температур, вода почне кипіти і витікати з рідини у вигляді пари, яка є газом. Поки у нас є три найвідоміші стани речовини.

Якщо водяна пара нагріється до набагато вищої температури, за сприятливих умов настане час, коли їх зв’язки розірвуться, утворюючи вільні атоми кисню та водню. Тоді атоми поглинають стільки тепла, що їхні електрони починають вистрілювати в оточення. Таким чином, утворилися катіони кисню та водню.

Ці катіони в кінцевому підсумку загортаються у хмару електронів, додані дією спільноти та електростатичними притяганнями. Потім говориться, що з води була отримана плазма.

У цьому випадку плазма утворювалася під дією теплової енергії. Однак високоенергетичне випромінювання (гамма-промені), а також великі відмінності в електричних потенціалах також можуть викликати їх появу.

Квазінейтральність

Плазма має властивість бути квазинейтральною (майже нейтральною). Це тому, що кількість збуджених та вивільнених з атомів електронів має тенденцію дорівнювати величинам позитивних зарядів катіонів. Наприклад, розглянемо газоподібний атом кальцію, який втрачає один і два електрони для утворення катіонів Са ⁺ та Са ²⁺ відповідно :

Ca (g) + Енергія → Ca ⁺ (g) + e ^-

Са ⁺ (г) + Енергія → Са ²⁺ (г) + е ^-

Будучи глобальним процесом:

Ca (g) + Енергія → Ca ²⁺ (g) + 2e ^-

Для кожного Ca ^2+, який утворюється, буде два вільних електрона. Якщо є десять Са ²⁺ , то це буде двадцять електронів тощо. Це ж міркування стосується і катіонів з більш високими величинами заряду (Са ³⁺ , Са ⁵⁺ , Са ⁷⁺ тощо). Катіони кальцію та їхні електрони стають частиною плазми у вакуумі.

Фізичні властивості

Плазма, як правило, представляє собою гарячий, світиться, високоелектропровідний рідкий газ, який реагує на електромагнітні поля чи чутливий до них. Таким чином плазми можна контролювати або фіксувати, маніпулюючи магнітним полем.

Види плазми

Частково іонізований

Частково іонізована плазма - це така, в якій атоми не втратили всіх своїх електронів, і навіть можуть бути нейтральні атоми. У прикладі кальцію це може бути суміш катіонів Са ²⁺ , атомів Са та електронів. Цей тип плазми також відомий як холодна плазма.

З іншого боку, плазми можуть міститися в контейнерах або ізоляційних засобах, що запобігають розсіюванню тепла в навколишнє середовище.

Повністю іонізований

Повністю іонізована плазма - це та, в якій її атоми «голі», оскільки вони втратили всі свої електрони. Тому його катіони мають високі величини позитивного заряду.

У разі кальцію ця плазма складалася б з катіонів Са ²⁰⁺ (ядра кальцію) та багатьох високоенергетичних електронів. Цей тип плазми також відомий як гаряча плазма.

Приклади плазми

Плазмові лампи та неонові світильники

Плазмові світильники пропонують безпечне та близьке уявлення про те, як поводиться такий стан речовини. Джерело: Pxhere.

Плазмові світильники - це артефакти, які прикрашають будь-яку спальню примарними світлами. Однак є й інші об’єкти, де ми можемо стати свідками стану плазми: у знаменитих неонових вогнях, чий благородний вміст газу збуджується при проходженні електричного струму при низьких тисках.

Промінь

Промені, які падають з хмар, - це миттєвий і раптовий прояв плазми Землі.

Сонячні бурі

Деякі "частинки плазми" утворюються в іоносфері нашої планети постійним обстрілом сонячної радіації. У спалах Сонця ми бачимо величезну кількість плазми.

Північне сяйво

Ще одне явище, пов’язане з плазмою, спостерігається на полюсах Землі: північне сяйво. Цей вогонь з крижаними кольорами нагадує нам, що ті ж полум’я на наших кухнях є ще одним рутинним прикладом плазми.

Електронні пристрої

Плазма також є меншою часткою електронних пристроїв, таких як телевізори та монітори.

Зварювання та фантастика

Приклади плазми спостерігаються також у зварювальних процесах, у лазерних променях, у ядерних вибухах, у світлових мечах «Зоряних воєн»; і взагалі кажучи, у будь-якій зброї, що нагадує руйнівну енергію.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Науково-синтезний центр плазми. (2020). Що таке плазма? Відновлено з: psfc.mit.edu
3. Національний центр атмосферних досліджень. (2020). Плазма. Відновлено: scied.ucar.edu
4. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (11 лютого 2020 р.). Для чого використовується плазма і для чого вона виготовлена? Відновлено з: thinkco.com
5. Вікіпедія. (2020). Плазма (фізика). Відновлено з: en.wikipedia.org