Úvod do fyziky plazmatu

Zastavíte-li na ulici člověka a zeptáte-li se ho, co se mu vybaví v souvislosti se slovem plazma, ve většině případů je odpovědí krev, medicína a jiné příbuzné asociace. Jen málokdo si tento pojem spojuje s fyzikou. A přesto – tak jako krevní plazma je nedílnou součástí krve, té esenciální tekutiny, bez níž si život sotva umíme představit, je i námi uvažované fyzikální plazma důležitým prvkem existujícího světa. Jen pro přesnost – jak už bylo naznačeno v předchozích větách – není plazma jako plazma. Čeština je ovšem důmyslný jazyk, a tak každé z možných interpretací významu tohoto slova přiřadila jiný rod: krevní plazma je rodu ženského, zatímco to fyzikální je rodu středního.

Co to tedy plazma je? Plazma je soubor nabitých i neutrálních částic v různých kvantových stavech, o kterém platí, že jeho prostorový náboj je přibližně roven nule (tuto vlastnost označujeme jako kvazineutralita). Částicemi se v této definici rozumí nejen elementární částice, jako jsou např. elektrony, ale také ionty, neutrální atomy, molekuly. Rozlišujeme plazma izotermické, pro které platí, že všechny typy částic mají stejnou teplotu, a neizotermické, ve kterém teplota elektronů převažuje nad teplotou ostatních typů částic. Vznik jednoho nebo druhého druhu závisí především na způsobu, jakým byla plazmatu dodávána energie. Izotermicita bývá obvykle spojena s vysokou teplotou plazmatu, není to ale podmínkou. Platí však, že neizotermické plazma v přírodě samovolně zaniká, musí se tedy udržovat uměle.

Výskyt plazmatu v přírodě

Ve sluneční soustavě se plazma nachází ve slunečním větru, v magnetosférách planet a komet. V okolí Jupitera a Saturnu dokonce plazma vytváří obří plazmové torusy. Hvězdy (včetně našeho Slunce) jsou samy o sobě velké plazmatické koule. K typickým projevům plazmatu dále patří například sluneční skvrny, protuberance nebo erupce v chromosféře. Nejen hvězdy, ale i převážná většina mlhovin v galaxiích je tvořena rozsáhlými oblaky plazmatu, v nichž je možné pozorovat urychlování částic na vysoké energie a vyzařování způsobené různými mechanismy, což jsou další typické plazmové projevy. V blízkosti centra naší Galaxie byla pozorována rozsáhlá plazmová vlákna s délkou kolem 250 světelných let kolmá na rovinu Galaxie, podobné útvary jsou sledovány v jádrech aktivních galaxií. Blízké galaxie jsou propojeny vodíkovými plazmovými mosty – příkladem je propojení naší Galaxie s Magellanovými mračny.

Neméně důležitým příkladem je prachové plazma, což je takové plazmatické prostředí, kde se kromě ionizovaného plynu vyskytují i prachová zrna (pevná tělesa s rozměry menšími než desetina milimetru a s hmotností nepřekračující několik mikrogramů). Složení prachu záleží na jeho původu, nejčastěji se vyskytuje olivín, pyroxen, hydratované silikáty, sulfidy a karbidy železa, sklo a amorfní uhlík.

Ve vesmíru najdeme řadu míst, kde je prach dominantním materiálem. Už jenom pouhý pohled na Mléčnou dráhu odhalí oblasti, kde nezáří žádné hvězdy. Jsou totiž zastíněny obrovskými prachovými oblaky. Ale prach ve vesmíru nalezneme i mnohem blíže, přímo v naší Sluneční soustavě. Zanechaly jej zde komety, dalším zdrojem jsou pak kolize zejména mezi planetkami. Usuzuje se, že mezihvězdný i kometární prach mohly sehrát významnou roli při vzniku života na Zemi. Je totiž možné, že základní stavební kameny života, tedy uhlík a další organické materiály, byly na naši planetu dopraveny právě touto cestou. Očekává se, že v mezihvězdném prachu bude nalezeno velké množství uhlíku.

Sumárně bývá uváděno, že 99 % veškeré hmoty ve vesmíru přirozeně existuje právě ve formě plazmatu, neboli tzv. čtvrtého skupenství hmoty. Přitom naše Země, jak se zdá, leží v tom jednom procentu hmoty ve skupenství jiném. I tak se ale s plazmatem, ať už přírodním nebo uměle vytvořeným, setkáváme doslova na každém kroku.

Krásným doprovodným jevem interakce nabitých částic ze Slunce s magnetosférou Země (oblastí vlivu magnetického pole Země) jsou polární záře. V období zvýšené sluneční aktivity může dojít k uvolnění oblaku plazmatu, který interaguje s magnetosférou Země, vzniká tzv. magnetická bouře. Zkoumání struktury a dynamiky chvostu magnetosféry Země v různých geomagnetických vzdálenostech je proto důležitou oblastí výzkumu.

Pro člověka je asi nejznámějším příkladem přírodního plazmatu vodivý kanál blesku.

Rozdělení plazmatu podle teploty a hustoty. Vlevo jsou astronomické objekty, vpravo pozemská plazma. Šedá plocha vlevo odpovídá pravému grafu. (Klikněte pro vysvětlení pojmů aktivní galaktické jádro, sluneční koróna, bílý trpaslík, supernova, plynová mlhovina, hnědý trpaslík, mezihvězdný plyn, tokamak, ICF–plazma, Z–pinč, rázová vlna a XFEL.)
Zdroj: http://tesla.desy.de/.

Aplikace fyziky plazmatu v pozemských podmínkách

Výskyt uměle vytvořeného plazmatu na Zemi je spojen především s celou řadou technických aplikací.

Jako první s plazmatem ve dvacátých letech minulého století pracoval Langmuir s cílem vyvinout trubice, které by při nízkém tlaku vedly velké proudy. Trubice musely být naplněny ionizovaným plynem. S výbojem v plynech se dnes setkáváme ve rtuťových usměrňovačích, vodíkových thyratronech, jiskřištích, svařovacích obloucích, zářivkách, neonových trubicích a u výše zmiňovaného blesku. Velmi důležitý je i význam výboje v plynech pro čerpání plynných laserů – může to být nízkotlaký doutnavý výboj pro kontinuální laser nebo vysokotlaký jiskrový výboj pro impulsní laser. Aplikace plynných laserů by vydaly na samostatnou kapitolu, zde je podstatné to, že činnost těchto laserů by bez plazmatu nebyla možná.

Pro výrobu elektřiny slouží magnetohydrodynamický generátor. Husté plazma tryská napříč magnetickým polem. Působením Lorentzovy síly jsou elektrony a pozitivní ionty urychlovány na vzájemně opačnou stranu a nabíjejí tak vhodně umístěné elektrody na různé potenciály. Z elektrod pak může být odebírán proud, přičemž jsme se vyhnuli tepelnému cyklu, který má malou účinnost.

Stejný princip v obráceném smyslu je použit při vývoji iontových raketových motorů – na elektrody je přivedeno napětí, které v plazmatu vyvolá elektrický proud. Lorentzova síla vystřeluje plazma z rakety a výsledná reakční síla raketu urychluje (zde je potřeba pouze si uvědomit, že vypuzované plazma musí být stále neutrální, jinak by se raketa nabíjela na vysoký potenciál).

Není bez zajímavosti, že volné elektrony a díry v polovodičích vytvářejí plazma vykazující tentýž druh oscilací a nestabilit jako plynné plazma. V nedávné době byly dokonce nalezeny některé tekutiny, jako je roztok sodíku ve čpavku, jež se chovají jako plazma.

Úsilí mnoha vědců směřuje k ovládnutí řízené termojaderné syntézy.

Mezi další technické aplikace fyziky plazmatu patří opracování materiálu (řezání, rozprašování), příprava tenkých vrstev (naprašování), leptání nebo plazmatická polymerace.

Uvedené příklady zdaleka nevyčerpávají všechny oblasti, kde se s plazmatem můžeme setkat. Pro ilustraci je však tento výčet dostatečně vypovídající. Fyzika plazmatu je tedy moderní vědecká disciplína, jejíž výsledky nacházejí uplatnění v mnoha oblastech našeho každodenního života.