Kategoria: Fysiikka
Julkaistu: May 28, 2014
Vastaus tähän kysymykseen on monimutkaisempi kuin useimmat ymmärtävät. Jotkut liekit sisältävät plasmaa ja jotkut liekit eivät. Vastataksemme kunnolla tähän kysymykseen, meidän on todella ensin määriteltävä tarkasti, mitä tarkoitamme ”plasmalla”. Oppikirjamääritelmän mukaan plasma on ionisoitunut kaasu. ”Ionisoitunut kaasu” tarkoittaa, että osa elektroneista on irrotettu kokonaan kaasun muodostavista atomeista. Käytännössä vapaat elektronit ovat negatiivisesti varautuneita, ja näin syntyneet ionisoituneet atomit ovat lopulta positiivisesti varautuneita. ”Ioni” on atomi, jossa on eri määrä elektroneja ja protoneja. Tämä määritelmä on hyvä lähtökohta, mutta se ei ole riittävän tarkka. Jokainen kaasu sisältää muutamia ioneja ja vapautuneita elektroneja, mutta silti kaikki kaasut eivät ole plasmaa. Täytyy olla jokin raja-arvo, jossa kaasussa on tarpeeksi ioneja, jotta se alkaa käyttäytyä plasman tavoin.
Mitä tarkoittaa toimia plasman tavoin? Plasma on ionisoitunut kaasu, joka heijastaa matalataajuisia sähkömagneettisia aaltoja, kuten radioaaltoja. Yksinkertaisemmalla tasolla kuvattuna plasma suojaa sähkökentiltä. Plasma pystyy tähän, koska riittävästi negatiivisesti varattuja elektroneja ja positiivisesti varattuja ioneja on paikallisesti vapaana ja ne pystyvät sitoutumaan toisiinsa pitkän matkan kollektiivisesti. Ionien ja elektronien kollektiivinen käyttäytyminen tarkoittaa, että ne pystyvät reagoimaan voimakkaasti sähkökenttiin ja siirtymään kumoamaan näitä kenttiä. Siksi plasman tiukempi määritelmä on kaasu, jossa on niin paljon vapaita elektroneja ja ioneja, että ne toimivat kollektiivisesti. Etäisyyttä, jonka ulkoinen sähkökenttä voi ulottua varattujen hiukkasten pilveen, kuvaa ”Debyen pituus”. Mitä enemmän atomeja ionisoituu, sitä voimakkaampia ovat varausten kollektiiviset värähtelyt ja sitä pienempi on Debyen pituus. Plasman tiukin määritelmä on siis ionisoitunut kaasu, jossa on niin paljon ionisaatiota, että Debye-pituus on huomattavasti pienempi kuin kaasupilven leveys.
Liekissä ilman atomien ionisoituminen tapahtuu, koska lämpötila on niin korkea, että atomit kolhiintuvat toisiinsa ja repivät irti elektroneja. Siksi liekissä ionisaation määrä riippuu lämpötilasta. (Muutkin mekanismit voivat johtaa ionisaatioon. Esimerkiksi salamaniskussa voimakkaat sähkövirrat aiheuttavat ionisaation. Ionosfäärissä auringonvalo aiheuttaa ionisaation). Lopputulos on, että liekki muuttuu plasmaksi vain, jos se kuumenee tarpeeksi. Matalammissa lämpötiloissa olevat liekit eivät sisällä riittävästi ionisaatiota, jotta niistä tulisi plasmaa. Toisaalta korkeamman lämpötilan liekki sisältää todellakin tarpeeksi vapautuneita elektroneja ja ioneja toimiakseen plasmana.
Esimerkiksi jokapäiväisen vahakynttilän liekki palaa maksimissaan 1 500 celsiusasteen lämpötilassa, joka on liian matala synnyttääkseen kovin paljon ioneja. Kynttilän liekki ei siis ole plasma. Huomaa, että liekissä näkyvät eloisat puna-oranssi-keltaiset värit eivät synny siitä, että liekki on plasma. Pikemminkin nämä värit syntyvät epätäydellisesti palaneista polttoainehiukkasista (”noki”), jotka ovat niin kuumia, että ne hehkuvat kuin sähköpaahtimen elementti. Jos liekkiin pumpataan riittävästi happea, palamisesta tulee täydellistä ja punaisen-oranssin-keltainen liekki häviää. Tämän perusteella pitäisi olla selvää, että kynttilän liekki antaa valoa, vaikka se ei olekaan plasma. Toisin kuin kynttilänliekki, tietyt palavat asetyleeniseokset voivat Coalition for Plasma Science -järjestön mukaan saavuttaa 3100 celsiusasteen lämpötilan ja siihen liittyvän Debye-pituuden ollessa 0,01 millimetriä. Tällaiset liekit ovat siis plasmoja (kunhan liekki on paljon suurempi kuin 0,01 millimetriä, mikä yleensä on tilanne). Muiden liekkien, kuten leiritulien, propaanikeittimien ja savukkeensytyttimien liekkien, lämpötilat ovat jossain näiden kahden ääripään välissä, joten ne voivat olla plasmoja tai eivät. Jokapäiväiset liekit, kuten puun, puuhiilen, bensiinin, propaanin tai maakaasun poltossa syntyvät liekit, eivät yleensä ole niin kuumia, että ne toimisivat plasman tavoin.
Teemat: Debye-pituus, palaminen, tuli, liekki, ionisaatio, plasma, lämpötila