Jak představit žákům plazma jako stav hmoty

Plazma je nám známo již více než 150 let, přesto je ve středoškolských učebnicích zmiňované většinou jen stranou a velmi opatrně. Na univerzitě se plazma obvykle vyučuje až ve třetím ročníku bakalářského studia a podrobněji až v rámci magisterského studia a má to dobrý důvod. Aby uměl člověk plazma dobře popsat, potřebuje mít znalosti z většího množství oborů fyziky. Problém nastává při jednoduchém přiblížení plazmatu žákům na středních školách bez příliš náročných vzorců a rozdělovacích funkcí termodynamické a statistické fyziky.

Začneme tedy nejlépe s příklady, kdy je plazma pozorovatelné. pouze všechna pozorovatelná hmota ve vesmíru je tvořena plazmatem; hvězdné mlhoviny, hvězdy samotné ocasy komet a podobně. Na Zemi je přirozené plazma mnohem vzácnější, i tak jej ale můžeme pozorovat. Příkladem může být blesk, polární záře nebo ionosféra. Proč je tomu tak, bychom se dozvěděli při poněkud hlubší definici, kterou by ale naši studenti nemohli rozumět. Tyto příklady, na rozdíl od běžného skupenství, nejsou jednoduše tak dobře představitelné, a ještě hůře hmatatelné.

Jestliže použijeme běžný příklad různého skupenství – vodu, v pevném skupenství si umíme představit led. Je tuhý, drží svůj tvar. V kapalném skupenství máme vodu jako kapalinu, přizpůsobí tvůj tvar nádobě, je nestačitelná a molekuly mají mezi sebou slabé vazby. V plynném skupenství existuje voda ve formě vodní páry. Ta svůj tvar nedrží, vždy samovolně vyplní celý objem nádoby a molekuly vody jsou prakticky volné. Kdybychom od plynného skupenství chtěli přejít ke plazmatu, bude tento příklad problematický. Plazma samovolně nedrží svůj tvar podobně jako plyn. Hlavní rozdíl je v ale druhé části, které plazma tvoří. Nepůjde o obyčejné molekuly vody, ale o kombinaci různých částic. Jednou z nejdůležitějších podmínek definice plazmatu je přítomnost ionizovaných částic. V případě vody, složené pouze z kyslíku a vodíku, půjde o bohatou směs iontů atomů, jejich neutrálů, jednoduchých molekul a jejich radikálů, které z molekul vody vznikají primárně ionizačními atomy a srážkami. Vše je dáno okolními podmínkami (teplota, tlak a další).

Během procesu ionizace dodáme atomu dostatek energie k tomu, aby se uvolnil elektron z jeho obalu. Takto vznikne pár - iont a volný elektron. Na rozdíl od běžných skupenských proměn je tento proces jiný a není samovolně vratný. Zjednodušeně, například odebráním energie třeba ochlazením, nedojde k návratu obalu návratu elektronů na jejich původní místo v elektronovém. Proces zpětného zachycení elektronu v obálce atomu se jmenuje rekombinace. K vyvolání ionizace je však v přírodě zvláště nutné velmi vysoké teploty. To je důvod, proč se s plazmatem nesetkáváme při běžných podmínkách na Zemi.

Plazma je podle nejjednodušších kvazineutrálních plynů nabitých a neutrálních částic, které vykazují kolektivní chování. Díky kolektivnímu chování má plazma sklon se přizpůsobovat vnějším vlivům, jako je například vnější elektromagnetické pole. Právě tato vlastnost nám umožňuje plazmu „ovládat“ a použít pro různé průmyslové aplikace. Kvazineutralita znamená, že ve větším objemu je zhruba stejný počet kladně nabitých a záporných částic. Z vnějšku plazma tedy působí jako neutrální plyn. Vzniká v různých formách při široké škále vysokých teplot as různými hustotami částic.

Plazma má ale mnoho různých přívlastků, může být částečně/plně ionizované. Záleží na tom, jak velký je podíl ionizovaných částic k neutrálnímu. Dále se setkáváme s plazmatem rovnovážným/nerovnovážným, podle toho, zda jsou elektrony a těžší ionty v termodynamické rovnováze. Podle teploty plazmy rozdělujeme na nízkoteplotní nebo vysokoteplotní. Prakticky všechno plazma tvořené v laboratorních podmínkách je nízkoteplotní s teplotou pod 10 000 K.

Žáci často kladou otázku, zda je plamen plazma nebo ne. Této otázce jsou věnovány mnohé diskuse, ale podle, kterou jsme uvedli, o plazmě nejde. Běžné teploty plamene jsou příliš nízké, aby ve významné míře docházelo k ionizaci. Jedná se spíše o směs horkých plynů s malou mírou ionizace.

Žákům také mohou k lepší představě plazmatu pomoci příklady jeho aplikace. Tým se na naší univerzitě zabývá Ústav fyziky a technologií plazmatu. Zde fyzici zkoumají elektrické výboje v různých atmosférách, opracování povrchů materiálů tenkou vrstvou plazmatu nebo aplikace plazmatu při výrobě nanomateriálů. Na experimenty z těchto oblastí, a také mnoho dalších se žáci mohou přijít podívat v rámci dne otevřených dveří.

Celé video z fyzikální kavárny najdete na Youtube.