Plazma je všude kolem nás

Plazma je všude kolem nás
Žijeme na malém ostrůvku v moři plazmatu

Přestože téměř všechna hmota vesmíru je ve stavu plazmatu, v pozemských podmínkách se lze s plazmatem setkat jen zřídka, např. u výbojových zdrojů světla. Proto i všeobecná představa o něm bývá dosti mlhavá a nepřesná. Tento článek navazuje na předchozí příspěvek o fyzikální podstatě světla [1]. Ozřejmujeme v něm základní pojmy a uvádíme i některé příklady, kde všude je možné se s plazmatem běžně setkat.

V plazmatickém stavu se nachází veškerá hmota hvězd i většina mezihvězdné hmoty, zbytek hmoty vesmíru tvoří již jen drobné „smetí“. Části tohoto „smetí“ jsou všechny planety, planetky, měsíce, komety, asteroidy, tedy i Země. Protože v plazmatu se vysokou rychlostí pohybují elektricky nabité částice, vzájemně na sebe působí a rychle mění rychlost i směr pohybu, vyzařuje plazma elektromagnetické vlny, tedy i světlo. Spektrum tohoto záření je spojité. Jelikož v plazmatu po interakcích dochází k přeskokům elektronů mezi energetickými hladinami v elektronových obalech atomů, rozdíly energií jsou rovněž vyzařovány v podobě elektromagnetických vln. Spektrum tohoto záření je čárové.

Stav plazmatu se svými vlastnostmi výrazně odlišuje od stavu pevné látky, kapaliny a plynu, a proto se hovoří o čtvrtém skupenství hmoty. O co vlastně jde? V podstatě je to plyn s vyšším stupněm ionizace, který ale musí splňovat ještě další podmínky, neboť plyn je vždy do jisté míry ionizován podle Sahovy rovnice [2]. Navíc existuje i teorie plazmatu v pevné fázi, kdy se plyn volných elektronů na pozadí kladných iontů pevně vázaných v krystalické mřížce projevuje jako plynné plazma. Podle definice je plazma kvazineutrální plyn nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Co to znamená?

Neutrální molekuly spolu interagují pouze prostřednictvím srážek, jejich chování tedy závisí pouze na stavu nejbližších okolních molekul. Elektricky nabité částice však mohou při svém pohybu vytvářet v určitých oblastech vyšší či nižší koncentrace kladného a záporného náboje, a tedy i elektrická pole. Tato pole ovlivňují prostřednictvím elektromagnetické interakce pohyb jiných nabitých částic i ve větších vzdálenostech, protože coulombovské (elektrostatické) síly jsou mnohem větší než gravitační síly mezi atomy či molekulami a mají daleký dosah. To je důvod k tomu, aby mělo plazma možnosti vlastních pohybů. Kolektivním chováním se rozumí takové pohyby, které nezávisejí pouze na podmínkách nejbližšího okolí, ale rovněž na stavu plazmatu ve větších vzdálenostech. Plazma tak ovlivňuje samo sebe. Tyto pohyby lze dobře pozorovat na slunečních erupcích.

V plazmatu musí být hustota elektricky nabitých částic dostatečně vysoká, aby elektromagnetické interakce převládaly nad srážkami mezi neutrálními atomy a molekulami. Potom je ionizovaný plyn schopen odstínit vnější elektrická pole tak, že sám vytvoří určité prostorové náboje. Ty se brání změnám, které je vyvolaly, působí proti nim a ustavují novou rovnováhu. Kolem cizího elektrického náboje, který je do plazmatu vložen a nějakým vnějším zdrojem udržován, vznikne stínicí prostorový náboj z nabitých částic opačného znaménka, jak ukazuje obr. 1. Tloušťka této vrstvy je tím větší, čím vyšší je teplota nabitých částic, tedy kinetická energie, a tím menší, čím větší je jejich hustota. To je pochopitelné. Kinetická energie nabitých částic způsobuje, že odstínění není dokonalé, a vně prostorového náboje není elektrické pole nulové, nýbrž se vzdáleností klesá k nule, jak ukazuje obr. 2. Částice na okraji stínicí vrstvy mají totiž kinetickou energii dostatečnou k tomu, aby unikly z potenciálové jámy elektrostatických sil. Vyšší teplota nabitých částic, resp. kinetická energie, tedy vede k většímu „rozmazání“ okraje stínicí vrstvy a zvětšení její šířky. Jejich vyšší koncentrace naopak vede ke zvětšení elektrostatických sil a k „zaostření“ okraje prostorového náboje. Potíže s tímto „rozmazáním“ vedly k zavedení veličiny zvané Debyeova délka, která je mírou stínicí schopnosti plazmatu. Závislost elektrického potenciálu j na vzdálenosti d má exponenciální průběh. Debyeova délka l_D je definována jako vzdálenost, ve které klesne elektrický potenciál ze své původní hodnoty j_o na j_o/e.

Kvazineutralita znamená, že z makroskopického hlediska je i v malých dílčích objemech plazmatu hustota elektronů téměř rovna hustotě iontů; ta se nazývá hustota plazmatu. Navenek se tedy plazma jeví jako elektricky neutrální, ale z mikroskopického hlediska volné elektrony a ionty způsobují svými elektromagnetickými interakcemi všechny charakteristické jevy v jeho chování. Je to např. možnost různých teplot elektronů a iontů v jednom plazmatu, driftování neboli unášení částic v magnetickém poli, ohřev plazmatu vícestupňovou adiabatickou kompresí v magnetických zrcadlech nebo tzv. pinč efektem*), vlny v plazmatu (např. plazmové oscilace, hvizdy, rázové vlny apod.), nelineární jevy (např. existence stěnové vrstvy), existence tzv. plazmové hrany (rozhraní mezi frekvencemi propuštěného a odraženého elektromagnetického záření) a podobně.

Aby mohla být naplněna již uvedená definice a bylo možné hovořit o plazmatu, musí být splněny ještě další podmínky. Rozměry plazmatu musí být mnohem větší (alespoň o řád) než Debyeova délka. Jen tak mohou být všechny vnější potenciály odstíněny na mnohem menších vzdálenostech, než jsou rozměry plazmatu, a může být zachována kvazineutralita. Kromě toho musí mít Debyeovo stínění statistický charakter, tedy počet nabitých částic musí být dostatečně velký. Jeden nebo několik párů elektron-iontů nelze považovat za plazma.

Teplota je důsledkem pohybu částic. Na teplotu plazmatu je však třeba nahlížet trochu jinak, než jak je běžné. Vysoká teplota totiž nijak nesouvisí s vysokou tepelnou energií systému. Například v zářivkových trubicích „hoří“ nízkotlaký obloukový výboj v Penningovské směsi (Ar + páry Hg). Teplota elektronů je řádově T = 10⁴ K, avšak při nízkém tlaku, a tedy i relativně nízké koncentraci částic, je i nízká tepelná kapacita a teplo neboli tepelná energie předávaná skleněné trubici dopadem částic se stačí odvádět okolní atmosférou. (U vysokotlakých výbojů je situace jiná.) Teplota se tedy určuje ze statistického rozdělení energií jednotlivých částic a energii E = 1 eV odpovídá teplota T = 11 600 K podle vztahu E = kT, kde k je Boltzmannova konstanta. To souvisí např. i s tím, že ve výškách větších než h > 10 000 m nad povrchem Země je vzduch vlivem kosmického záření intenzivněji ionizován. Teplota plazmatu zde dosahuje hodnot vyšších než T > 10 000 K, zatímco teplota vzduchu je velmi nízká (např. letadla potřebují účinné odmrazování). Obloha se za jasného dne jeví modrá, neboť právě taková je výsledná barva záření tohoto plazmatu.

Na obr. 3 jsou přehledně ukázány oblasti typické pro některé typy plazmatu v souřadnicích energie elektronů a hustoty plazmatu. V jednotlivých oblastech jsou uvedeny i řádové hodnoty Debyeovy délky v metrech. Je vidět, že plazma skutečně má velmi široké meze. Může existovat při koncentracích nabitých částic od n = 10⁶ m^–3 v mezihvězdném prostoru až do n = 10³¹ m^–3 v nitru hvězd, při explozích supernov zřejmě budou hustoty ještě mnohem větší. Stejně tak energie nabitých částic mohou být v rozmezí od E = 10^–2 eV v mezihvězdném prostoru, resp. od E = 10^–4 eV u elektronového plynu v pevné fázi, až do E = 10⁴ eV v nitru hvězd. S jakým plazmatem je však možné se běžně setkat na Zemi?

Plazma plamene klasického hoření neboli rychlé oxidace je velmi slabě ionizováno. Teploty při běžném hoření se pohybují kolem T = 1 000 K a u speciálně konstruovaných hořáků dosahují maximálně T = 4 500 K. Z hlediska plazmatu jsou tyto teploty velmi nízké, tento druh plazmatu je však v pozemských podmínkách asi nejběžnější.

Podstatně vyšších teplot lze dosáhnout v plazmatu elektrických výbojů. Zřejmě jedinou formou plazmatu o vyšší teplotě a vysokém stupni ionizace samovolně se vyskytujícího v přírodě je blesk. Jde o gigantický jiskrový výboj, kdy na čas řádově t = 10^–6 s se ve vodivém kanálu o průměru asi d = 0,1 m vytvoří plazma o teplotě T = 3 ·104 K. Náhle zahřátý plyn se prudce rozpíná, čímž vzniká i akustická vlna neboli hrom.

Uměle vytvořená plazmata elektrických výbojů mají velmi rozsáhlé možnosti využití v technice. Výbojové zdroje světla, jako třeba vysokotlaké výbojky a nízkotlaké zářivky, jsou podrobně popsány např. v publikaci [3]. Fotony neboli kvazičástice světla jsou z výboje emitovány především v důsledku přeskoků elektronů mezi energetickými hladinami v elektronových obalech neutrálních atomů i iontů po nepružných srážkách v plazmatu výboje. Emisní spektrum je čárové, s charakteristickými energiemi jednotlivých spektrálních čar pro určité plyny. Někdy se ještě využívá přeměna neviditelného UV záření na viditelné pomocí luminoforů. Na obr. 4 je detail obloukového výboje ve vysokotlaké rtuťové výbojce.

Doutnavé výboje mohou být využity např. k rozprašování různých materiálů a k depozici tenkých vrstev za sníženého tlaku. Je-li totiž terč z rozprašovaného materiálu ve vakuové komoře přiveden na dostatečně vysoký záporný potenciál, kladné ionty z plazmatu výboje bombardují jeho povrch, vyrážejí z něho jednotlivé atomy a tak jej rozprašují. Tenké vrstvy naprášeného materiálu potom vznikají ulpěním rozprášených atomů na substrátech vhodně umístěných před terčem. Podobně jako může být materiál doutnavým výbojem rozprašován, může být i nízkotlakým obloukovým výbojem prudce zahříván a odpařován či ve vysokofrekvenčním výboji může být rozkládána plynná fáze nějaké organické sloučeniny, např. silanu (SiH₄). Tenké vrstvy opět vzniknou na vhodně umístěných substrátech [4].

Obloukové výboje za atmosférického tlaku bývají využity např. ke svařování, k tavení v obloukových pecích nebo v plazmometech (plazmových hořácích) k uskutečnění různých chemických reakcí nebo k nástřiku ochranných či dekoračních vrstev z těžkotavitelných materiálů. V tom případě je nanášená hmota v podobě prášku přiváděna do plazmatu, kde se jednotlivá zrnka prášku taví a roztavená jsou spolu s plazmatem „vystřikována“ z hořáku ven proti substrátu. V elektrickém oblouku plazmometu lze dosáhnout teplot až T = 3 · 10⁴ K. Za těchto teplot je již možné např. tavit a řezat kovy, horniny i speciální keramiku, vrtat kameny apod. Účinné chlazení stěn vlastního plazmometu je samozřejmě nezbytné. Zvláštním odvětvím se stala plazmochemie, která využívá různé formy plazmatické aktivace látek k usnadnění průběhu chemických reakcí, které by jinak probíhaly jen obtížně, nebo by vůbec nebyly možné. Světelné účinky obloukových výbojů za atmosférického tlaku jistě každý viděl u svářečů; obloukovou lampu ve své době zdokonalil český vynálezce František Křižík. Zde si však každý neuvědomuje, že samotný výboj svítí docela málo a že intenzivní světlo pochází z elektrod zahřátých na vysokou teplotu podle Planckova zákona pro záření černého tělesa [3].

Všechny tyto dosud popsané druhy plazmatu spadají do kategorie plazmatu nízkoteplotního, přestože dosahují teplot až v řádu T = 10⁴ K. Vysokoteplotním plazmatem se rozumí plazma, které je plně ionizováno, tedy ve kterém už téměř neexistují neutrální atomy. Tento stav nastává při teplotách kolem T = 10⁵ K, u vodíkového plazmatu už dalším dodáváním energie může jen vzrůstat teplota. U plazmatu těžších prvků se však dodávaná energie spotřebuje na vícenásobnou ionizaci, tedy na odtrhávání dalších elektronů. U plazmatu těžkých prvků jsou zcela „oholena“ jádra až při teplotách kolem T = 10⁶ K a teprve při teplotách kolem T = 10⁷ K mají jádra takové kinetické energie, že jsou schopna při vzájemných srážkách překonat odpudivé síly souhlasných elektrických nábojů, přiblížit se na krátkou vzdálenost až na dosah působnosti jaderných sil d = 10^–15 m a vyvolat jaderné reakce. Takovéto plazma se nachází v nitrech hvězd. Při teplotách kolem T = 10¹¹ K, kterých může být krátkodobě dosaženo snad jen při výbuchu supernovy, jsou jádra zcela rozbita; v takovém plazmatu mohou být přítomna jen volná jádra vodíku, tedy protony a volné elektrony.

Uměle vytvořit lze vysokoteplotní plazma buď jaderným výbuchem nebo jen ve velmi složitých zařízeních [2], zpravidla pracujících jen v pulsním režimu s délkami pulsů řádově mikrosekundy až milisekundy. Jsou to uzavřené torusy (tokamaky), magnetická zrcadla, zařízení na tzv. pinč efekt, zařízení využívající ohřev laserem apod. Například tokamak má toroidální komoru, v níž je plazma udržováno magnetickým polem v kružnici uprostřed toroidu. V zařízeních na pinč efekt se plazma zahřívá tím, že obrovský proudový impuls vedený plazmatem prudce toto plazma stlačí vlastním magnetickým polem protékajícího proudu. Možnosti jaderných reakcí a jejich energetického využití v těchto zařízeních však jsou zatím jen velmi omezené a jaderné exploze pravděpodobně vždy budou jen minimálně využívány k mírovým účelům. (Jaderné reakce na urychlovačích zde nezmiňujeme, protože jejich podstata je jiná. Pozn. autorů.)

Vysokoteplotní plazma se zcela „oholenými“ jádry vzniká tehdy, jsou-li vícenásobnou ionizací všechny elektrony již odtrženy od atomových jader. Takové plazma už nemůže vyzařovat čárové spektrum, neboť elektrony jsou úplně volné, a tedy nevznikají přeskoky mezi energetickými hladinami v elektronových obalech atomů. Vyzařují se ale fotony šumového charakteru. Při srážkách elektricky nabitých částic se prudce změní směr jejich pohybu, což způsobí vyzáření elektromagnetické vlny (fotonu). Emisní spektrum takového plazmatu je velmi široké a obsahuje spojité spektrum fotonů i s vysokými energiemi. Zasahuje přes tvrdou ultrafialovou oblast až do oblasti rentgenového záření. Energie se vyzařuje, tzn. že z plazmatu uniká. Bez jejího doplnění by postupně došlo ke ztrátě teploty a k rekombinaci elektronů a iontů. Plazma by se rozpadlo. V nitru hvězd je vyzářená energie kompenzována energetickým ziskem z jaderných reakcí, do uměle vytvořeného plazmatu bez jaderných reakcí musí být nějakým způsobem trvale dodávána, např. v podobě elektrické energie nebo laserového záření. Na obr. 5 je snímek povrchu Slunce. Dobře jsou na něm zřetelná místa s větší či menší aktivitou i erupce s výronem hmoty rozpadajícího se plazmatu do prostoru.

Je zřejmé, že stav plazmatu je velmi zajímavý pro svou „všudypřítomnost“, pro svou velkou rozmanitost forem a rozsáhlé možnosti využití v praxi v různých oborech, včetně světelné techniky. Protože se tyto možnosti neustále rozšiřují, stala se fyzika plazmatu velmi perspektivním oborem. Dokonce i naše Akademie věd má pro tento obor samostatný vědecký ústav – Ústav fyziky plazmatu AV ČR.

V případě hlubšího zájmu o tuto problematiku lze k přečtení doporučit např. populárně vědeckou publikaci [5] nebo odbornou publikaci [2].

^*) Pinch (z anglického slova, znamená „stisknout, sevřít“) je ve svém principu jednoduché zařízení, kterým lze ohřát plazma až na teploty potřebné k uskutečnění termonukleárních reakcí. Plazmatem projde obrovský proudový impuls řádově I ~ 10⁵ A. Magnetické pole, které kolem sebe takový proud vytvoří, jednak plazma prudce stlačí a zahřeje, jednak ho udrží pohromadě. Krátkodobě tak lze vytvořit plazma o velmi vysoké teplotě.