プラズマとは

質問

プラズマとは何でしょうか？プラズマは、高温で、電子と原子核が分離するのでしょうか？それとも、電子とイオンに分離するのでしょうか？

回答No.6

gamma · ベストアンサー

「物質の第四の状態で（中性）気体の温度を上げてできる電離気体」といわれる事が多いのですが、プラズマの定義は「正負の電荷を持った粒子が集まった状態で個々の粒子が区別できない位の大きさで見ると全体として中性（正負の電荷量が同じ）になっている状態」です。固体ー液体ー気体のように、ある温度になったら急にプラズマになるといったものではありません。プラズマは大きく平均でみると中性ですが局所的には中性が破れても構いません。
一番多く見られる例が、温度を上げてできるプラズマです。温度を上げると電子の（ランダムに動く）運動エネルギーが増えます。中性原子のイオン化ポテンシャル（電離に必要なエネルギー）よりも高い運動エネルギーの電子が中性原子のぶつかるとその原子はイオン化（電離）します。そのようなことが対象としている系の中で多くの原子に対して起こると、それをプラズマといいます。全部の原子が電子した状態を「プラズマ」中性原子が多く混じっている状態を「弱電離プラズマ」と言うことが多いです。また、全ての電子が剥がれて原子核と電子になったプラズマを「完全電離プラズマ」といいそうでないものは「不完全電離プラズマまたは○価のプラズマ」といいます。
金属は結晶して固定されている原子（核）の間を電子が自由に動き回れる状態にあります。これもプラズマで「金属プラズマ」と言います。
また、原子がいくつか集まった超微粒子をプラズマの中に入れると、電子は 超微粒子にくっついて、正イオンと負イオンと電子が混じって全体として中性を保った状態もプラズマです。最近では実験室でも作る事ができますが恒星のまわりで惑星ができるときの状態として注目されています。
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「個々の粒子が区別できない位の大きさで見ると全体として中性（正負の電荷量が同じ）」ということが分かりにくいかもしれませんが、銀河と銀河の間には1立方センチに1コ程度の原子しかなくイオンに至ってはもっと少ない（計算してください。水素の電離ポテンシャルは13.6eVです。）のですが。宇宙規模の大きさで見ると多くの粒子が集まったプラズマとして考える事ができます。物理の言葉で言うと、「デバイの長さ」よりも大きなスケールで、中身に正負の電荷をもつ粒子が集まっているものを「プラズマ」といいます。
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酸素が簡単に完全電離プラズマになるなどとどこでお聞きになったのか知りませんが、最後の一個の電子を剥がすためには13.6x36eV(1eVは１万度に相当します)必要です。熱平衡にあるとボルツマン分布に従いますから、百万度で何パーセントが電離しているか試算できるでしょう。その上、酸素は電子付着能が高いという性質があります。また電離度が高くなると放射損失によって熱エネルギーを失いますから酸素を完全電離させるのは大変そうだということは感じていただけると思います。
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いまでは、極く小さいですが太陽の中心と同程度の温度と密度のプラズマを作る事ができます。

詳しくは、教科書を読んでください。Webでもある程度の知識は得られますが、ほとんどの場合断片的であり正誤の判断ができない初学者にはお勧めできません。

回答No.5

nzw

原子がどの程度電子を失っているかは、
その原子の各軌道のエネルギーと、そのプラズマの
温度との比較によりある程度見当をつけることができ
ます。

サイト
http://xray.uu.se/hypertext/EBindEnergies.html
によれば、Feのもっとも原子核と強く結合している軌道の
エネルギーは 7112eVです。（酸素の13倍ですね）

一方、
サイト
http://mext-atm.jst.go.jp/atomica/pict/07/07050103/06.gif
によれば、JT－60等の核融合研究用のプラズマでは、
1億度前後が達成されています。
なお、

http://www.naka.jaea.go.jp/seikahoukoku/kenkyuseika/2001seikahoukokusyo/pdf/chapter3.pdf
によれば、最高温度記録は5億度だそうです。

1億度のプラズマのイオンの平均エネルギーは15keV
程度ですから、このレベルのプラズマならば、完全に
電離したFeを含んでいても不思議ではありませんね。

ただ、前にも述べましたが、JT-60等のプラズマの
主成分は水素です。Feだけで同じ温度のプラズマを
生成、保持するのは困難です。

回答No.4

mazeran

「プラズマ」の考え方として、「物質」は温度（概念的に）が低いと「個体」になります。そして温度を上げて行くと「液体」になります。さらに温度を上げて行くと、次は「気体」になります。
その「気体」の温度をさらに上げていくと「プラズマ」の状態になります。

中学生の頃かな？　「物質の三態」というのを習った覚えがあると思いますが、今では物質の状態変化の中に入れてしまって、「物質の四態」とも言われています。
つまり温度によって物質が、個体→液体→気体→プラズマ　になると考えて良いと思います。

プラズマにも「高温プラズマ」と「低温プラズマ」があって、それぞれの特長を活かすように利用されています。

さて「プラズマ」ですが、電子とイオンに分離した状態で、全体が中性のものを言います。

原子核は「核力」と言う非常に強い力で結ばれており、これを分離するにはさらに高温が必要となり、いわゆる「核分裂」になります。

補足

お返事ありがとうございます。

酸素ぐらいまでの軽い原子のプラズマ状態の場合、電子が全て剥がれて丸裸の原子核の状態になっていることはわかりました。もっと重い、例えば鉄のような場合、プラズマ状態では、原子核が丸裸になると思われますが、星の内部ではそのような可能性はありますが、実験室でも可能でしょうか？

回答No.3

nzw

まず、プラズマとは何か？に対する回答ですが、
これは、電子とイオン化（電離）した原子からなる気体
のような状態です。原子が、完全に電子を失っている
必要はありません。なお、プラズマ物理学上の定義では、
単に電離しているというだけでなく、ある程度巨視的に
見た場合に中性に見えるなど、いくつかの条件が
課せられます。
　その定義については、電磁気学の知識と、デバイ遮蔽
などのいくつかの概念を理解する必要があり、込み入っ
ていますので、割愛します。興味があるなら、プラズマ
物理の教科書をお読みください。

原子は、電離していない状態の方がエネルギーが低いので
プラズマ状態を作るためには、当然原子を高温にする必要
があります。水素以外の原子は、電子を2つ以上持って
いますが、いわゆる外側の電子ほど原子から引き離し易く
内側の電子ほど引き離しにくくなります。したがって、
プラズマをどんどん加熱していけば、原理的にはどんどん
電子が離れていくものと思われますが、プラズマディス
プレイや蛍光灯などのプラズマでは、原子が内側の電子
を失うような高温にはなっていません。

なお、核融合研究目的のプラズマの場合、水素を用います
ので、水素が電子一つしかもたないため、この場合は結果
として、原子核と電子からなるプラズマとなっています。
（ただ、あくまで、たまたまです）

補足

お返事ありがとうございます。

酸素ぐらいまでの軽い原子のプラズマ状態の場合、電子が全て剥がれて丸裸の原子核の状態になっていることはわかりました。もっと重い、例えば鉄のような場合、プラズマ状態では、原子核が丸裸になるのでしょうか？

回答No.2

foobar

プラズマは、イオンと電子の混合物ですね。
原子からどれだけ電子が離れるかは温度や原子の種類によるかと。
（普通は、最外郭の電子が外れる程度かと）

お礼

お返事ありがとうございます。

私も、No2さんの通り理解しておりました。

回答No.1

久保 泰臣（@omi3_）

電子を失った原子核を、正イオンと呼びます。
プラズマは、全ての電子を失った原子核と、電子の混合なのです。

補足

お返事ありがとうございます。

例えば、鉄の場合ですと、鉄の電子無しの生の原子核と、電子が分離している状態なのでしょうか？No.2さんの回答ように、最外殻あたりの電子のみが分離した状態なのではないでしょうか？