Lenka Zajíčková, Ústav fyz. elektroniky Úvod do fyziky plazmatu Doporučená literatura: • J. A. Bittencourt, Fundamentals of Plasma Physics, 2003 (3. vydání) ISBN 85-900100-3-1 Navazující a související přednášky: • Technologie depozice tenkých vrstev a povrchových úprav (jarní sem.) • Fyzika plazmatu 1 (podzim. sem.) • Fyzika plazmatu 2 (jarní sem.) 1.1 Plazma je čtvrté skupenství hmoty 1. Co je plazma? pevná látka kapalina plyn Tři dobře známá skupenství hmoty:  Tato skupenství se odlišují silou vazeb, které drží částice látky pohromadě – relativně silné v pevných látkách, slabé v kapalinách a téměř úplně chybí v plynech.  Důležitou fyzikální veličinou je vnitřní kinetická energie (tepelná energie) částic látky, tj. její teplota. Rovnováha mezi touto tepelnou energií částic a vzájemnými vazebnými silami určuje skupenství látky. http://www.harcourtschool.com/activity/states_of_matter/  Zahříváním pevné nebo kapalné látky získávají její částice více tepelné energie až do okamžiku, kdy jsou schopné překonat vazebnou potenciální energii  dochází k fázovému přechodu při konstantní teplotě. Plazma je čtvrté skupenství hmoty - ionizovaný plyn Co se děje, když zahříváme plyn?  Dodáním dostatečné energie molekulárnímu plynu dochází k jeho disociaci na atomy v důsledku srážek těch částic, jejichž tepelná energie překračuje vazebnou energii molekuly.  Ještě větší dodaná tepelná energie způsobí překonání vazebných sil elektronů k jádru  ionizace, tj. vznik volných elektronů a iontů  plazma neutrální plyn ionizovaný plyn - plazma energie Co je plazma? 1.2 Vytváření plazmatu  Dostatečným zvýšením teploty: Pak jde o systém v termodynamické rovnováze. Elektronová teplota a stupeň ionizace jsou svázány Sahovou rovnicí. V laboratoři neobvyklé, ale v přírodě časté (astrofyzikální plazma).  Pomocí ionizačních procesů zvyšujících mnohonásobně stupeň ionizace nad jeho rovnovážnou hodnotu (po vypnutí zdroje ionizace dojde k dohasínání plazmatu díky rekombinaci): 1. Co je plazma? • fotoionizace – ionizační potenciál např. atom. kyslíku je 13,6 eV  foton o vlnové délce 91 nm (daleká UV oblast). Ionosféra Země - přírodní fotoionizované plazma. • elektrický výboj v plynu – el. pole urychluje volné elektrony na energie dostatečné k ionizaci atomů, laboratorní plazma. 1.3 Zjednodušená kritéria pro definici plazmatu Co je plazma? Plazma ... • je makroskopicky neutrální substance • obsahuje mnoho interagujících elektronů a ionizovaných atomů nebo molekul • vykazuje kolektivní chování díky dalekodosahovým Coulombovským silám Dynamika částic je dána • externě aplikovanými poli a • vnitřními poli (výsledek existence a pohybu částic) Rozlišujeme interakci: • dvou nabitých částic • mezi nabitou částicí a neutrálem Dle převažujících vzájemných interakcí dělíme plazma na silně a slabě ionizované. Proč musí fyzikové vysvětlovat, že nezkoumají krev 1.4 Historie pojmu „plazma“ Jan Evangelista Purkyně použil v polovině 19. století řecké slovo plazma (v překladu „dávající tvar“ nebo „dávající formu“), aby označil čistou tekutinu, která zůstává po odstranění všech pevných částeček z krve. J. E. Purkyně (1787-1869) I. Langmuir (1881-1957) Irving Langmuir v roce 1922 vyslovil hypotézu, že elektrony, ionty a neutrály v ionizovaném plynu jsou součástí nějakého kapalného média, a protože mu struktura takto navržené substance připomínala krev, nazval toto médium plazma. v češtině „ta plazma“ v angličtině „plasma“ v češtině „to plazma“ v angličtině „plasma“ Díváme se na něj celý den! 1.5 Kde plazma najdeme? Slunce Plazma v přírodě Slunce je obrovský termonukleární reaktor, který hluboko uvnitř vytváří z atomů vodíku helium  teplota více jak 1,6 x 107 K, silné magnetické pole. Díky velké hmotnosti (2 x 1030 kg) brání gravitační síla Slunce úniku částic a záření z horkého středu. http://solarscience.msfc.nasa.gov/ Sluneční atmosféra Plazma v přírodě viditelná část Slunce se nazývá sluneční atmosféra (od centra): http://solarscience.msfc.nasa.gov/ • fotosféra – viditelný povrch, T  6000 K, tloušťka cca 100 km, sluneční skrvny. • chromosféra – nepravidelná vrstva, teplota roste až na 20 000 K, při těchto teplotách vodík emituje (září) v červené oblasti spektra (čára H). • přechodová vrstva – velmi nepravidelná vrstva, teplota roste až na 1 000 000 K, vodík je ionizovaný, ionty C IV, O IV a Si IV emitují v ultrafialové oblasti spektra. • korona – je vnější atmosféra viditelná při úplném zatmění jako perleťově bílá koruna obklopující Slunce. Pozorujeme mnoho různých jevů jako výběžky, díry a smyčky. Teplota je až 2 000 000 K. Díky tomu korona září v široké oblasti spektra včetně UV a RTG. Sluneční vítr Plazma v přírodě Hlavní složkou jsou protony a elektrony, je zde zastoupeno ionizované He a stopové množství těžších iontů. Nese s sebou i „zamrzlé“ magnetické pole. Díky rotaci Slunce a radiálnímu pohybu větru jsou siločáry stáčeny do Archimédových spirál. http://oberon.troja.mff.cuni.cz/vp/index1.htm Nad koronovými děrami dosahuje rychlosti 800 km/s, nad výběžky jen 300 km/s. Rychlost slunečního větru měřená sondou Ulysses. V levé části výsledky z prvního obletu, v pravé z druhého. Dole je sluneční aktivita z posledních let charakterizována počtem slunečních skvrn. Rychlost slunečního větru velmi souvisí se sluneční aktivitou. Magnetosféra Země,Van Allenovy radiační pásy, ionosféra Plazma v přírodě Magnetosféra je oblast, kde vliv magnetického pole Země převládá nad slunečním. Magnetopauza je horní hranice magnetosféry – odděluje oblast slunečního větru od magnetosféry. Van Allenovi radiační pásy se nacházejí uvnitř magnetosféry. Zde jsou zachyceny energetické nabité částice (zejména elektrony a protony), které se pohybují po komplikovaných trajektoriích, spirálách kolem geomagnetických siločar, a zároveň pomalu driftují kolem Země. Vnitřní pás se přisuzuje vlivu kosmického záření. Vnější pás je udržován plazmatem vyvrhovaným čas od času Sluncem. Ionosféra – ve výšce nad 60 km na Zemí, až do vzdálenosti několik tisíc km. Vidíme ji jako modrou barvu oblohy. K ionizaci dochází díky absorpci UV a rtg záření. http://oberon.troja.mff.cuni.cz/vp/index1.htm Blesk Plazma v přírodě http://fusedweb.pppl.gov/CPEP/Chart_Pages/5.Plasmas/Lightning.html Jednoduché vysvětlení: