Tükör, 1966. január-március (3. évfolyam, 1-13. szám)
1966-03-15 / 11. szám
A szabad természetben minden anyag szilárd, cseppfolyós vagy légnemű halmazállapotban fordul elő. De közismert, hogy a fémek, amelyek természetes körülmények között (a higany kivételével) szilárd halmazállapotúak, hő hatására megolvadnak, folyékony halmazállapotúvá válnak, hogy némely gázok alacsony hőmérsékleten cseppfolyóssá lesznek, s hogy a víz, természetes körülmények között is, mindhárom halmazállapotban előfordul Földünkön. Az anyagok halmazállapotait tehát lényegesen befolyásolják a külső körülmények. A HALMAZÁLLAPOTOK HATÁRAI De hogyan mehet át egyik halmazállapot a másikba? A jég a hő hatására megolvad. Ha tovább melegítjük a vizet, párologni kezd, légneművé válik. Megfelelően magas hőmérsékleten minden szilárd anyag megolvad, majd további melegedés hatására légneművé válik. A részecskék kapcsolatának a melegedés során bekövetkező gyengülése eredményezi a halmazállapotok átmenetét a szilárd állapotból a légnemű felé. A szilárd testekben az atomok és a molekulák szigorú rendben, meghatározott szerkezetet alkotnak, mozgási lehetőségeik erősen korlátozottak. A folyadékokban e részecskék már sokkal nagyobb szabadságot élveznek, azonban a folyadék felszínét nem hagyhatják el akadálytalanul. Ez még bizonyos kötöttséget jelent. A gázok részecskéi viszont teljes szabadságot élveznek: minden irányban tetszésük szerint mozoghatnak. Ezek után természetes a kérdés: ha a hőmérsékletnek néhány ezer fokig történő növelése olyan halmazállapot-változást eredményez, hogy minden anyag légneművé válik, nem kapunk-e újabb halmazállapotot, ha a hőmérsékletet tovább növeljük? Mertnél magasabb a hőmérséklet, az anyag részecskéi annál nagyobb szabadságot élveznek, s ennek során mindinkább előtérbe kerülnek egyedi tulajdonságaik. S valóban, ha a hőmérsékletet még tovább növeljük, az elektronok leszakadnak az atommagról. Ettől kezdve mind az elektronok, mind az atommagok a gázrészecskékre jellemző önállósággal mozognak. Új halmazállapot jött létre, az anyag negyedik halmazállapota: a plazma. A plazma tehát olyan gáznak tekinthető, amelynek alkotórészei a pozitív, a negatív és az elektromosan semleges töltésű részecskék sokasága. A plazma azonban kifelé elektromosan semleges, durva hasonlattal azt mondjuk: ugyanannyi szabad pozitív töltés mozog a plazmában, mint amennyi szabad negatív töltés, így, bár a plazma eletromosan semleges, jól vezeti az elektromos áramot. Ebben is lényegesen különbözik a környezetünkben természetes körülmények közt található gázoktól. A plazma elektromos tulajdonságai teszik különösen érdekessé és fontossá a negyedik halmazállapotot. Bár a plazma létezését már a múlt században feltételezte néhány fizikus, létét minden kétséget kizáróan csak 1928-ban sikerült kimutatni. A felfedező és a „keresztapa” a Nobel-díjas Langmuir volt, aki biológiai párhuzam alapján adta a plazma nevet az anyag újszerű állapotának, ő azonban a felfedezéskor még nem tudta, hogy ez egy további önálló anyaghalmazállapot. Az elnevezés — bár sokak számára ma is félreértésre ad okot — szerencsésnek bizonyult, mert a fizikai értelemben vett plazma ugyanolyan fontos és sokoldalú szereplője az élettelen természetnek, mint a biológiai értelemben vett plazma az élővilágnak. Földünk szilárd szerkezete az anyag halmazállapotát tekintve kitüntetett hely a mindenségben. Plazmaállapotban van viszont bolygónk felső légköre, a csillagközi anyag, és a csillagokba tömörült hatalmas anyagmennyiség, a világmindenség anyagának 99,9 százaléka. A Földön leggyakrabban előforduló plazma a láng, de plazma-állapotban van a neoncsövek és fénycsövek működésekor a bennük levő gáz is. MIT TANULHATUNK A CSIlLAGOKTÓL? A csillagokat alkotó plazma olyan atomfizikai folyamatok színhelye, amelyeknek során a csillagok fénye, melege és egyéb sugárzó energiája termelődik, így termeli energiáját legközelebbi csillagunk, a Nap is. Benne atommag-átalakulások, úgynevezett termofúziós reakciók mennek végbe, amelyeknek kiindulási anyaga főleg a hidrogén, a végtermék pedig a hélium. Azért nevezik ezt termofúziós folyamatnak, mert lejátszódása során az atommagok egyesülése csak az ilyen magas, milliószázmillió fokos hőmérsékletek hatására megy végbe. Ezek a folyamatok — jelenlegi ismereteink szerint — egyedül a negyedik halmazállapotban levő anyagban hozhatók létre. Mindez jól mutatja, hogy milyen fontos szerepet játszik a hőmérséklet a termofúziós folyamatokban. A hidrogén héliummá történő felépülése 20 millió fok alatt gyakorlatilag még az olyan sűrű plazmában sem megy végbe, amilyen a Nap középponti vidékein található. Ennél alacsonyabb hőmérsékleten csak a hidrogén két izotópja, a tricium és a deutérium képes héliummá egyesülni. A deutérium-hélium, illetve a triciumhélium reakciók létrejöttéhez 1— 2 millió fokos hőmérsékletek is elegendők. A fúzióhoz szükséges hőmérsékleteken az anyag nem is lehet, csak plazmaállapotban. A hőmérséklet szerepe abban áll, hogy a reakciókban résztvevő pozitív atom- Plazmasugaras rakétahajtómű, tolóereje 45 deka. A világűrben való manőverezéshez ez a tolóerő teljesen elegendő Vékony bevonatok készítése anyagszórós plazmasugárral 12 □