Kategória: Május 28, 2014
A válasz erre a kérdésre bonyolultabb, mint azt a legtöbben gondolnák. Néhány láng valóban tartalmaz plazmát, néhány láng pedig nem. Ahhoz, hogy megfelelően megválaszoljuk ezt a kérdést, először valóban szigorúan meg kell határoznunk, hogy mit értünk “plazma” alatt. A plazma tankönyvi definíciója szerint egy ionizált gáz. Az “ionizált gáz” azt jelenti, hogy néhány elektron teljesen leszakadt a gázt alkotó atomokról. A ténylegesen szabaddá vált elektronok negatív töltésűek, és a keletkező ionizált atomok pozitív töltésűek. Az “ion” olyan atom, amelyben az elektronok és a protonok száma nem egyenlő. Ez a definíció jó kiindulópont, de nem elég pontos. Minden gáz tartalmaz néhány iont és felszabadult elektronokat, mégsem minden gáz plazma. Kell lennie valamilyen határpontnak, ahol a gázban elég sok ion van ahhoz, hogy plazmaként kezdjen viselkedni.
Mit jelent az, hogy plazmaként viselkedik? A plazma olyan ionizált gáz, amely visszaverődik az alacsony frekvenciájú elektromágneses hullámokra, például a rádióhullámokra. Egyszerűbb szinten leírva, a plazma árnyékolja az elektromos mezőket. A plazma azért képes erre, mert elegendő negatív töltésű elektron és pozitív töltésű ion van helyileg szabadon, és képes hosszú távú, kollektív módon egymáshoz kötődni. Az ionok és elektronok kollektív viselkedése azt jelenti, hogy képesek erősen reagálni a beeső elektromos mezőkre, és úgy mozognak, hogy kioltják ezeket a mezőket. Ezért a plazma szűkebb meghatározása szerint a plazma olyan gáz, amelyben elég sok szabad elektron és ion van ahhoz, hogy kollektívan viselkedjenek. Azt a távolságot, amelyet egy külső elektromos mező a töltött részecskék felhőjébe elérhet, a “Debye-hossz” jellemzi. Minél több atom van ionizálva, annál erősebb a töltések kollektív rezgése, és annál kisebb a Debye-hossz. A plazma legszigorúbb definíciója tehát olyan ionizált gáz, amely eléggé ionizált ahhoz, hogy a Debye-hossz jelentősen kisebb legyen, mint a gázfelhő szélessége.
A lángban a levegő atomjainak ionizációja azért következik be, mert a hőmérséklet elég magas ahhoz, hogy az atomok egymásnak ütközzenek és elektronokat szakítsanak le. Ezért a lángban az ionizáció mértéke a hőmérséklettől függ. (Más mechanizmusok is vezethetnek ionizációhoz. Például a villámlásban erős elektromos áram okozza az ionizációt. Az ionoszférában a napfény okozza az ionizációt). A lényeg az, hogy a láng csak akkor válik plazmává, ha eléggé felforrósodik. Az alacsonyabb hőmérsékletű lángok nem tartalmaznak elég ionizációt ahhoz, hogy plazmává váljanak. Másrészt egy magasabb hőmérsékletű láng valóban tartalmaz elég felszabadult elektront és iont ahhoz, hogy plazmaként viselkedjen.
Egy mindennapi viaszgyertya lángja például legfeljebb 1500 Celsius-fokos hőmérsékleten ég, ami túl alacsony ahhoz, hogy nagyon sok ion keletkezzen. A gyertyaláng tehát nem plazma. Vegyük észre, hogy a lángban látható élénk piros-narancs-sárga színek nem azért jönnek létre, mert a láng plazma. Ezeket a színeket inkább a nem teljesen elégett tüzelőanyag-részecskék (“korom”) bocsátják ki, amelyek olyan forróak, hogy úgy izzanak, mint egy elektromos kenyérpirító elem. Ha elég oxigént pumpálunk a lángba, az égés befejeződik, és a vörös-narancs-sárga láng megszűnik. Ezt szem előtt tartva világosnak kell lennie, hogy a gyertyaláng akkor is fényt bocsát ki, ha nem plazma. A gyertyalánggal ellentétben az acetilén bizonyos égő keverékei a Coalition for Plasma Science szerint elérhetik a 3100 Celsius-fokot, amihez 0,01 milliméteres Debye-hossz társul. Az ilyen lángok tehát plazmák (amennyiben a láng jóval nagyobb, mint 0,01 milliméter, ami általában így van). Más lángok, beleértve a tábortüzek, propán kályhák és öngyújtók lángjait, hőmérséklete valahol e két szélsőérték között van, és ezért lehet, hogy plazma, de lehet, hogy nem. A mindennapi lángok, például a fa, faszén, benzin, propán vagy földgáz égéséből származó lángok általában nem elég forróak ahhoz, hogy plazmaként viselkedjenek.
Témák: Debye-hossz, égés, tűz, láng, ionizáció, plazma, hőmérséklet