מדע בפשטות: מהי פלזמה?

מהי פלזמה?

פלזמה היא אחד מארבעת המצבים הבסיסיים של החומר, לצד גזים, נוזלים ומוצקים. בעוד שרוב האנשים לא חושבים על פְּלַסמָה בחיי היומיום שלהם, כפי שהם חושבים על מצבים אחרים של חומר, הפלזמה מהווה 99% מהחומר הגלוי ביקום. זה כולל פלזמה אסטרופיזיקלית שנמצאת בחלל החיצון, כמו בתוך ערפיליות וכוכבים כמו השמש.

בפלזמה חלק מהאלקטרונים נפרדים והופכים חופשיים מאטומים ניטרליים (אטומים בעלי מספר שווה של פרוטונים ואלקטרונים ובכך מטען ניטרלי). האלקטרונים החופשיים המתקבלים הופכים את הפלזמה לשונה ממצבי החומר האחרים, שבהם האלקטרונים נשארים מרותקים לגרעין.

כאשר האטומים בפלזמה נפרדים מהאלקטרונים הטעונים שלילית, אין להם עוד מטען חשמלי נייטרלי. במקום זאת, האטומים הופכים ליונים – חלקיקים בעלי מטען חיובי. לכן, פלזמה היא מצב מיונן המורכב מיונים טעונים חיובית ואלקטרונים בעלי מטען שלילי.

ישנן מספר סיבות מדוע אלקטרונים באטומים יכולים להיפרד וליצור פלזמה. בניסויי מעבדה, מדענים יכולים לפוצץ את האטומים באמצעות חשמל במתח גבוה, לייזרים או שדות אלקטרומגנטיים כדי ליצור פלזמה. בחלל, פלזמה עלולה להיווצר מפוטונים עתירי אנרגיה, כולל קרני גמא הפוגעות באטומים. פלזמה יכולה להיווצר גם בחלל כאשר כוח הכבידה מגביר את הלחץ עד כדי כך שהלחץ מחמם גזים. הטמפרטורות הגבוהות גורמות לאטומים להתנגש זה בזה, וכתוצאה מכך האלקטרונים נפרדים מהאטומים ויוצרים פלזמה והתחלות של כוכב.

תהליך זה של חימום יתר של גזים ליצירת פלזמה מצביע על כך שלגזים ופלזמה יש קשר דומה לאופן שבו נוזל יכול להיות צורה מחוממת של מוצק. האנלוגיה הזו לא תמיד נכונה. ראשית, בניגוד לגז, פלזמה יכולה להוליך חשמל. כמו כן, בגזים, כל החלקיקים מתנהגים בדרכים דומות. בפלזמה, לעומת זאת, אלקטרונים ויונים מתנהגים ומקיימים אינטראקציה בדרכים מורכבות מאוד, מה שיוצר גלים וחוסר יציבות.

פלזמות מגיעות בכמה סוגים. רוב הפלזמה ביקום היא מה שהחוקרים מכנים פלזמות בטמפרטורה גבוהה. בפלזמות אלה בטמפרטורה גבוהה, הטמפרטורות יכולות להיות יותר מ-10,000 מעלות פרנהייט, וכל האטומים יכולים להיות מיוננים במלואם. פלזמות בטמפרטורה נמוכה הן שונות. האטומים מיוננים רק חלקית, והם יכולים להיות קרירים להפליא – אפילו טמפרטורת החדר. סוג יוצא דופן נוסף של פלזמה הוא פלזמה בעלת צפיפות אנרגיה גבוהה, שמדענים יוצרים במעבדות כדי לחקור את תכונותיהן החריגות.

עובדות מהירות

• סוג אחד של ברק – ברק כדורי – הוא פלזמה. למידע נוסף ממכון מקס פלנק.
• אורורה בוריאליס נגרמת גם מפלסמה. למידע נוסף בהדגשה מדעית זו.
• כליאת פלזמה היא שלב חשוב בתכנון התקני היתוך טוקאמק וכוכבי הכוכבים שעשויים לספק לנו בסופו של דבר כוח היתוך.
• מדעי הפלזמה בצפיפות אנרגיה גבוהה אפשרו הצתת היתוך בתנאי מעבדה.

משרד המדע של DOE: תרומות לחקר הפלזמה

לימוד פלזמה עוזר למדענים להבין את החומר. זה גם עוזר להם להתקדם לעבר המטרה של אנרגיית היתוך. משרד המדע של המחלקה לאנרגיה (DOE) תומך במחקר על פלזמה באמצעות תוכניות ה- Fusion Energy Sciences ופיזיקה גרעינית. מחקר במימון DOE על פלזמה שיפר גם את הייצור של מוליכים למחצה נמצא בכל דבר, מטלפונים ומחשבים ועד מכוניות. מומחיות בפלזמה סייעה לחוקרים במעבדות הלאומיות של DOE לפתח דרכים לשלוט ביצירת מוליכים למחצה על גבי אָטוֹםרמת אטום.