Plazma i inne stany materii, stan plazmy Page 1 of 5
Odkrycia
Nowe stany skupienia materii
Ka\
dy mo\
e wymienić trzy podstawowe stany skupienia materii: ciała stałe (kryształy - mające
regularną budowę), ciecze i gazy (stan lotny). Znamy jeszcze pośrednie stany, takie jak ciała
bezpostaciowe, które mają budowę podobną do cieczy ale nie zmieniają kształtu, przez co są
podobne do ciał stałych (traktujemy je jak bardzo lepkie ciecze), czy te\
ciekłe kryształy -
substancje płynne składające się z długich cząsteczek organicznych, mających mo\
liwość
porządkowania się w zewnętrznym polu elektrycznym.
Ju\
od XIX wieku znamy inny stan - plazmÄ™, a ostatnio otrzymano dwa nowe stany: kondensat
Bosego - Einsteina i kondensat fermionów. A
ącznie znamy więc sześć stanów skupienia materii.
Ale czy to wszystkie stany? W ostatnim czasie fizycy otrzymują układy mające odmienne
własności co opisujemy na końcu. Czy to są równie\
nowe stany materii?
Plazma
Plazma to zjonizowany gaz o odpowiednio du\
ej
koncentracji cząstek naładowanych w postaci jonów i
elektronów. Proces powstawania w gazie jonów i
elektronów nazywamy jonizacją gazu. Na ogół gaz przed
jonizacją jest elektrycznie obojętny, więc zgodnie z zasadą
zachowania ładunku wytworzona plazma będzie równie\

obojętna, poniewa\
będzie zawierać jednakowe ilości
ładunków dodatnich i ujemnych. Jednak na skutek na
skutek termicznych ruchów jonów, elektronów, atomów lub
cząsteczek w plazmie występują chaotyczne, chwilowe
niejednorodności przestrzennego rozmieszczenia ładunków.
Te niejednorodności wywołują w plazmie szereg
Plazma powstaje w czasie wyładowania
specyficznych zjawisk, dlatego plazmÄ™ nazywamy quasi-
atmosferycznego
obojętny elektrycznie.
Naładowane cząstki plazmy oddziałują ze sobą za
pośrednictwem sił kulombowskich. Są to siły dalekiego
zasięgu i plazmy nie mo\
na traktować jako gaz, w którym
cząstki oddziałują ze sobą jedynie podczas zderzeń.
Dlatego te\
plazmÄ™ mo\
na rozpatrywać jednocześnie jako
ośrodek ciągły (podobny do własności cieczy) oraz jako
ośrodek składający się z du\
ych zbiorów pojedynczych
cząstek (podobnie jak gaz). Nie jest to więc ani ciecz ani
gaz i plazmÄ™ traktujemy jako czwarty stan skupienia
materii.
Siły dalekiego zasięgu pojawiają się jednak tylko wtedy,
gdy dla danego rozmiaru plazmy, jonów jest dostatecznie
du\
o czyli jest odpowiednio du\
y stopień jonizacji. Aby to
wyjaśnić trzeba przyjrzeć się procesom zachodzącym w
otoczeniu naładowanej cząstki. Ka\
da naładowana cząstka
W neonówce temperatura jonów i cząsteczek
znajdująca się w zjonizowanym gazie wytwarza własne
zbli\
ona jest do pokojowej, a wysokÄ… temperaturÄ™
pole elektryczne, które powoduje polaryzację
(kilkadziesiąt tysięcy stopni) mają jedynie
otaczającego ją ośrodka. Dookoła takiej cząstki grupują
elektrony
się cząstki naładowane przeciwnie, co w pobli\
u czÄ…stki,
osłabia praktycznie do zera pole elektryczne. Takie zjawisko nazywamy ekranowaniem. Rozmiary
przestrzeni, w którym zachodzi ekranowanie nazywamy promieniem Debye'a.
Je\
eli obszar zjonizowanego gazu
jest du\
o większy od promienia
Debye'a to siły dalekiego zasięgu
się ujawniają i gaz ma własności
plazmy. Promień Debye'a rośnie
wraz z temperaturÄ… i maleje wraz
ze wzrostem Å‚adunku i
koncentracji otaczajÄ…cych go
cząstek. Więc o tym czy
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no5.html 2008-03-29
Plazma i inne stany materii, stan plazmy Page 2 of 5
zjonizowany gaz ma własności
Parametry plazmy występującej w przyrodzie i technice
plazmy, decyduje nie tylko
temperatura i koncentracja cząstek naładowanych, ale te\
najmniejszy rozmiar przestrzeni
wypełnionej plazmą. Czym mniejszy jest obszar to w danej temperaturze koncentracja jonów
powinna być większa.
Plazma silnie oddziaływuje z zewnętrznym polem elektrycznym i magnetycznym. Jest równie\

dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego. Opór elektryczny plazmy maleje wraz ze wzrostem
temperatury i w wysokich temperaturach plazma jest lepszym przewodnikiem ni\
metale.
Plazma wysyła silne promieniowanie w zakresie światła podczerwonego, widzialnego,
nadfioletowego i rentgenowskiego. Przy niskich temperaturach emituje przede wszystkim widmo
dyskretne (w świetle są tylko poszczególne długości światła) związane z przejściem elektronów
między określonymi poziomami energetycznymi atomów lub jonów. Ze wzrostem temperatury (a
więc i jonizacji) wzrasta udział promieniowania o widmie ciągłym, pochodzących z procesu
zobojętniania (rekombinacji) jonów i elektronów oraz procesu hamowania swobodnych
elektronów w polu elektrycznym jonów. Emisja promieniowania jest przyczyną stygnięcia plazmy.
Aby taki stan utrzymać przez dłu\
szy czas nale\
y zapewnić stały dopływ energii.
Ka\
da substancja w odpowiednio wysokiej
temperaturze mo\
e przejść w stan plazmy w wyniku
termicznej jonizacji. W bardzo wysokich
temperaturach (powy\
ej miliona Kelwinów) materia
jest ju\
całkowicie zjonizowana i taki stan materii
występuje w jądrze Słońca i innych gwiazd. Wtedy w
przypadku atomów lekkich istnieją tam tylko jądra
atomowe i elektrony. Plazmą jest równie\
obszar
międzygwiezdny. Chocia\
temperatura przestrzeni
wynosi zaledwie 3K (-270°C), ale zajmuje ogromny
obszar (du\
o większy od promienia Debye'a), jest to
więc te\
stan plazmy. Jak siÄ™ szacuje plazma jest
najczęściej spotykanym stanem materii we
Wszechświecie i stanowi 99% znanej materii
W jonosferze, tam gdzie powstają zorze polarne, Wszechświata.
gęstość jest bardzo mała, a temperatura jest ni\
sza od
Plazma występuje w jonosferze ziemskiej i w pasach
pokojowej
van Allena. Właściwości plazmy decydują o ochronnej
funkcji ziemskiej atmosfery przed wiatrem słonecznym promieniowaniem kosmicznym. Równie\

zorza polarna zwiÄ…zana jest ze zjawiskami zachodzÄ…cymi w plazmie jonosfery.
W warunkach ziemskich plazma występuje rzadko. Mo\
na ją spotkać w wyładowaniach
atmosferycznych, płomieniu, w łuku elektrycznym (jest to wyładowanie w gazie np. powietrzu
między dwoma elektrodami węglowymi lub metalowymi) oraz lampach wyładowczych - świetlówki
(lampy rtęciowe) i lampy neonowe.
Co ciekawe w lampach wyładowczych wysoką
temperaturÄ™ majÄ… tylko elektrony, natomiast atomy
i jony majÄ… temperaturÄ™ pokojowÄ… lub tylko nieco
podwy\
szoną. Znalazło to szerokie zastosowanie.
Gorące elektrony powodują reakcje w chłodnych
składnikach lampy co zapewnia ich stabilność (w
wysokich temperaturach nowe zwiÄ…zki natychmiast
się rozpadają). Jeśli umieścimy odpowiedni związek
wyjściowy w postaci gazu lub pary w pró\
niowym
pojemniku zwanym reaktorem plazmowym i
spowodujemy wyładowanie jarzeniowe to ze stanu
plazmy osiadajÄ… na powierzchniach warstwy majÄ…ce
ró\
ne niezwykłe właściwości. Wykorzystuje się to
przy wytwarzaniu warstw dowolnych grubości w
wielu przypadkach, np. tworzeniu membran, warstw
Doświadczalny reaktor plazmowy
antykorozyjnych, warstw ochronnych na narzędzia w
medycynie, naparowanie soczewek kontaktowych, wykonywanie ogniw słonecznych czy te\

wykonywanie matryc tranzystorów.
Plazmę stosuje się równie\
do topienia, cięcia i spawania materiałów trudno topliwych (metali i
stopów, materiałów ceramicznych, betonu), w urządzeniach wiertniczych, monitorach i
telewizorach plazmowych, do unieszkodliwiania odpadów oraz w silnikach jonowych (plazmowych).
Światowa produkcja, w której wykorzystywana jest obecnie technologia plazmy, osiąga rocznie
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no5.html 2008-03-29
Plazma i inne stany materii, stan plazmy Page 3 of 5
wartość 500 mld dolarów.
PlazmÄ™ wysokotemperaturowÄ… (o temperaturze wy\
szej ni\
milion stopni Celsjusza) w
laboratorium utrzymuje się w polu magnetycznym aby nie dopuścić do kontaktu ze ścianami
pojemnika. Taka sytuacja pojawia się gdy chcemy uzyskać reakcję termojądrową.
W 2006 roku w amerykańskim laboratorium Sandia udało się otrzymać "rekordową" plazmę o
temperaturze dwóch miliardów stopni Celsjusza. Naukowcy przepuścili prąd o natę\
eniu 20
milionów amperów przez układ pionowo ustawionych stalowych drucików, przekształcając je w
obłok plazmy, ściśnięty następnie przez pole magnetyczne. Jony i elektrony plazmy zatrzymały
się gwałtownie, uwalniając energię w postaci promieniowania rentgenowskiego. Dalsze badania
mogą doprowadzić między innymi do lepszego zrozumienia zachowania niektórych gwiazd oraz
opracowania instalacji do syntezy termojÄ…drowej.
Przy opracowaniu tematu najwięcej korzystano z następujących publikacji:
SÅ‚ownik fizyczny wydawnictwa Wiedza Powszechna;
Encyklopedia fizyki współczesnej;
Czesław Bobrowski, Fizyka - krótki kurs;
Jacek Tyczkowski, Neony, plazma, warstwy; Wiedza i śycie 7/2002;
Kondensat Bosego - Einsteina (BEC)
Dwa pozostałe stany skupienia wynikają z kwantowych własności materii. Zwykły gaz zachowuje
się klasycznie czyli jak cząstki z którymi my mamy do czynienia na co dzień. Ka\
da czÄ…stka
klasyczna jest rozró\
nialna (tak jak rozró\
nić mo\
emy poszczególnych ludzi) i podlega statystyce
Maxwella-Boltzmanna. Je\
eli mamy małe cząstki znajdujące się w małych odległościach to
ujawniają się właściwości falowe tych cząstek i opisując ich ruch musimy korzystać z równań
mechaniki kwantowej. Dla cząstek mających własności falowe (nazywanych falocząstkami) nie ma
pojęcia toru, mo\
emy jedynie podać prawdopodobieństwo znajdowania się cząstki w danym
miejscu. Dlatego cząstki kwantowe są nierozró\
nialne. Mo\
liwe sÄ… dwa przypadki: czÄ…stki zwane
bozonami, które w dowolnej ilości mogą występować w danym stanie kwantowym, czyli nie
podlegajÄ… zakazowi Pauliego oraz czÄ…stki zwane bozonami, podlegajÄ…cymi zakazowi Pauliego,
czyli w danym stanie kwantowym mo\
e się znajdować tylko jedna
czÄ…stka. Bozony podlegajÄ… statystyce Bosego-Einsteina i majÄ… spin
całkowity (zaliczamy do nich wszystkie cząstki przenoszące
oddziaływania np. fotony i jądra składające się z parzystej liczby
nukleonów). Fermiony podlegają statystyce Fermiego-Diraca i mają
spis połówkowy (są to np. elektrony, protony, neutrony, neutrina i
jądra o nieparzystej liczbie nukleonów). Pojedyncze fermiony i
Obraz cienia kondensatu Bosego-
bozony występują więc masowo. Zbiór bardzo du\
ej ilości bozonów
Einsteina atomów rubidu
powiÄ…zanych ze sobÄ… nazywamy kondensatem Bosego - Einsteina
(BEC), natomiast fermionów kondensatem Fermiego-Diraca.
Kondensat Bosego - Einsteina (BEC) to materia, w której wszystkie atomy są identyczne i
zachowują się tak, jakby stanowiły jeden, du\
y "superatom". Choć BEC przewidział Einstein ju\
w
1924 roku, to pierwszy raz udało się go uzyskać z atomów rubidu dopiero w 1995 r. Osiągnięcie
to uhonorowano NagrodÄ… Nobla w 2001 roku.
Kondensat fermionów
Uzyskanie kondensatu fermionów było trudniejsze i
przez wiele lat wydawało się niemo\
liwe. Jak obejść
zakaz Pauliego i otrzymać zbiór identycznych
fermionów w kondensacie? Okazało się, \
e fermiony
mogą się łączyć w pary, tak jak elektrony łączą się w
pary Coopera w nadprzewodnikach. Sparowane
fermiony zachowują się jak bozony i mogą zajmować
jeden stan energetyczny. Mogą więc utworzyć
kondensat Bosego-Einsteina zwany kondensatem
fermionowym (kondensat fermionów jest jakby
odmianÄ… kondensatu Bosego-Einsteina). Ostatnio
kilka grup badawczych starało się go otrzymać. W
końcu fizycy z Uniwersytetu Kolorado pod
kierownictwem Deborah Jin uzyskali kondensat
Rozkłady gęstości atomów potasu. W zale\
ności od
fermionów chłodząc chmurę utworzoną przez około
zewnętrznego pola magnetycznego fermiony mogą być
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no5.html 2008-03-29
Plazma i inne stany materii, stan plazmy Page 4 of 5
pół miliona atomów potasu do 50 miliardowych
słabo sparowane (pik najdalszy) lub silnie sparowane
(pik najbli\
szy).
stopnia powy\
ej zera absolutnego (0,00000005K).
Atomy były utrzymywane przez pole magnetyczne. Z
jednej strony pole zezwalało na silne związanie fermionów w cząsteczki i utworzenie
molekularnego kondensatu Bosego-Einsteina. Z drugiej sprawiało, \
e słabo związane pary
atomów łączyło oddziaływanie w istotny sposób zale\
ne od pozostałych atomów (takie pary nie
mogłyby istnieć wyizolowane). Zaobserwowano wtedy charakterystyczny dla kondensatu rozkład
gęstości atomów. Ich zachowanie stało się tak jednorodne, \
e nie daje się ich odró\
nić. Jest to
szósty stan skupienia materii.
Zbadanie kondensatu fermionów być mo\
e pozwoli na lepsze zrozumienie zjawiska
nadprzewodnictwa i mo\
e doprowadzić do opracowania nadprzewodników działających w
temperaturze pokojowej. Takie materiały znalazłyby zastosowanie w budowie komputerów,
urządzeń medycznych, a nawet transporcie (na przykład pociągi na poduszce magnetycznej). Na
razie "najcieplejsze" nadprzewodniki wymagajÄ… temperatury -135°C.
Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w serwisie naukowym portalu
Onet i nr. 3/2004 czasopisma "Åšwiat Nauki".
Nadprzewodzący układ fermionów
Grupa fizyków z Massachusetts Institute of Technology
pod kierunkiem laureata nagrody Nobla z 2001 roku
Wolfganga Ketterlego doniosła o uzyskaniu układu
fermionów w stanie nadciekłości. Atomy litu 6 w bardzo
niskiej temperaturze (milionowe części Kelwina)
umieszczono w polu magnetycznym. Najpierw powstaje
kondensat fermionów otrzymany wcześniej przez grupę
Jin. Zwiększając to pole uzyskuje się nadciekły stan typu
BCS (nazwa pochodzi od nazwisk twórców teorii
nadprzewodnictwa: Bardeen, Cooper, Schrieffer).
Dowodem nadciekłości czyli ruchu cieczy bez tarcia jest
powstanie wirów.
Wytworzenie tych wirów nie było łatwe. Najpierw zespół
Ketterlego otrzymał kondensat Bosego-Einsteina atomów
sodu, którym ochłodził fermionowe atomy litu. Następnie
umieszczono lit w pułapce zbudowanej z przecinających
się wiązek laserowych i chmura atomów przypierała
wówczas kształt wydłu\
onej elipsoidy. Następnie
skierowali dwie wiązki laserowe dokładnie wzdłu\
dłu\
szej
Sieć regularnych plamek jest obrazem rdzeni
osi pułapki, wprawiając chmurę w ruch obrotowy. Jeśli
wirów w trzech ró\
nych układach: w kondensacie
wprawimy taki kondensat w ruch obrotowy, to moment
Bosego-Einsteina atomów sodu (na górze), w
pędu całości musi być skwantowany. Dlatego w wirującym
kondensacie Bosego-Einsteina silnie zwiÄ…zanych
dostatecznie szybko kondensacie powstaje cała sieć
bozonowych molekuł zbudowanych z dwóch
fermionowych atomów litu o przeciwnie
regularnie rozło\
onych wirów. We wnętrzu wiru gęstość
skierowanych spinach (pośrodku) oraz w układzie
atomów spada do zera. Na dodatek wiry odpychają się, co
słabo związanych par atomu fermionowego litu (na
prowadzi do ich regularnego rozło\
enia wewnÄ…trz chmury
dole). Te kwantowe wiry sÄ… niezbitym dowodem
i tworzy się charakterystyczna sieć. Taka struktura
nadciekłości. W tle klasyczny wir cyklonu Izabel.
świadczy o nadciekłości układu. Chcąc zaobserwować
powstałe wiry, uwolnili chmurę atomów z pułapki, by mogła swobodnie się rozszerzać. Ekspansja
gazu spowodowała powiększenie rdzenia wiru do rozmiarów, które dało się ju\
rejestrować
kamerÄ….
Opracowano na podstawie informacji zamieszczonej w nr 8/2005 Åšwiata Nauki
Zupa kwarkowo - gluonowa
W 2005 roku w laboratorium RHIC (Zderzacz
Relatywistycznych CiÄ™\
kich Jonów) w Brookhaven w USA
otrzymano po raz pierwszy plazmÄ™ kwarkowo -
gluonową. Okazało się, \
e jest to substancja niemal
idealnie płynna i porusza się prawie bez lepkości.
Bardziej pasuje więc nazwa zupa kwarkowo - gluonowa
ni\
gorÄ…ca plazma.
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no5.html 2008-03-29
Plazma i inne stany materii, stan plazmy Page 5 of 5
Do wytworzenia kwarkowej zupy fizycy u\
yli jonów
złota. Rozpędzali je do ogromnej prędkości (a\
99,995
proc. prędkości światła), po czym zderzali je czołowo.
Jądro atomu złota składa się ze 197 protonów i
neutronów. Kiedy takie dwa rozpędzone i masywne
jądra wpadną na siebie, protony i neutrony dosłownie
zlewajÄ… siÄ™ ze sobÄ… i rozpadajÄ… na kwarki. Powstaje
kropelka substancji niezwykle gęstej, rozpalonej do
dwóch bilionów stopni i rozmiaru bilionowej części
milimetra.
Taka materia istniała na początku Wszechświata w
pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. Substancja ta
rozpada się w tak małym ułamku sekundy, \
e \
aden ze
znanych przyrządów badawczych nie jest w stanie złapać
tego momentu i wykonać pomiarów. Na podstawie
śladów zderzeń produktów tej materii ustalono, \
e
Åšlady czÄ…stek po zderzeniu w cyklotronie
składniki zupy kwarkowo - gluonowej poruszały się
kolektywnie - jak w cieczy, a nie niezale\
nie od siebie -
jak w gazie. A to oznacza, \
e oddziałują z sobą silniej, ni\
się zdawało. To dopiero początki badań
takiego stanu.
Opracowano na podstawie informacji zamieszczonych w w serwisie naukowym Gazety Wyborczej
Odkrycia
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no5.html 2008-03-29