mini|Plasma in einer Plasmalampe mini|Magnetisch verformtes Plasma mini|Plasma der Sonnenatmosphäre mini|Blitze mini|Polarlicht mini|Atmosphärischer Plasmajet zum Plasmaschneiden mittels GHz-Plasma mini|Beim Wiedereintritt der Discovery während STS-42 entsteht vor den Fenstern rötliches Plasma Plasma (von ) ist in der Physik ein Teilchengemisch aus Ionen, freien Elektronen und meist auch neutralen Atomen oder Molekülen. Ein Plasma enthält also freie Ladungsträger. Der Ionisationsgrad eines Plasmas kann weniger als 1 % betragen, aber auch 100 % (vollständige Ionisation). Eine wesentliche Eigenschaft von Plasmen ist ihre elektrische Leitfähigkeit.
1879 beschrieb William Crookes dieses physikalische System,David A. Gates, Plasma: An International Open Access Journal for All of Plasma Science, 2018, abgerufen am 21. September 2024. die Bezeichnung Plasma geht auf Irving Langmuir (1928) zurück.I. Langmuir: Oscillations in Ionized Gases. In: Proceedings of the National Academy of Science. Band 14, 1928, S. 627–637 (PDF). Da der Plasmazustand durch weitere Energiezufuhr aus dem gasförmigen Aggregatzustand erzeugt werden kann, wird er oft als vierter Aggregatzustand bezeichnet. Die im Internet kursierende Zuschreibung, Fritz Winkler habe das Plasma 1921 entdeckt, trifft nicht zu; er hat 1922 die Wirbelschicht patentiert, die als neuer, mitunter auch als „vierter Aggregatszustand“ bezeichnet wird.
Eigenschaften Die Eigenschaften eines Plasmas hängen ab von den vorhandenen Spezies (Elektronen, positive und negative Ionen, neutrale Atome, neutrale und geladene Moleküle), deren Dichten und Temperaturen (die nicht gleich sein müssen) und seiner räumlichen Struktur, insbesondere Ladung und Strömen, elektrischen und magnetischen Feldern. In speziellen Fällen liegen nur geladene Teilchen, Elektronen und Ionen oder geladene Moleküle vor (vollständig ionisiertes Plasma).
Es gibt drei verschiedene Formen von Plasma:
normales ideales Plasma: Gleichgewicht zwischen Neutralteilchen und ionisierten positiven Ionen und gleichzeitig negativen Ionen grenzwertiges Plasma: Gleichgewicht zwischen Neutralteilchen, positiv ionisierten Teilchen und energetisch angehobenen Elektronen entartetes Plasma: Plasma, bei dem thermische Wellenlängen und weniger Compton-Wellenlängen (wie bei der Leitfähigkeit erforderlich) hierbei überwiegen
Je nach den Teilchendichten, Temperaturen und von der relativen Stärke wirkender Felder (z. B. elektrische, magnetische oder auch gravitative Felder und Kombinationen davon) können sich Plasmen wie Gase, aber auch völlig anders verhalten. In bestimmten Fällen kann ein Plasma einfach mit Hilfe der Magnetohydrodynamik als elektrisch leitendes Gas beschrieben werden. Im Allgemeinen müssen aber auch Transportprozesse (Strahlungstransport, Transport thermischer Energie, Teilchentransport, Impulstransport) berücksichtigt werden, ebenso weitere, die Plasmazusammensetzung bestimmende Prozesse (also unter anderem Ionisation, Rekombination, Dissoziation, Molekül- und/oder Exzitonbildung und chemische Reaktionen der vorhandenen Spezies, Anregungs- und Absorptionsprozesse), so dass eine vollständige Beschreibung weit komplexer werden kann.
Plasmen können unter anderem durch folgende drei Eigenschaften gekennzeichnet werden: Die Debye-Länge ist klein gegenüber den Abmessungen. Der Plasmaparameter (Anzahl von Teilchen in einer Kugel mit Radius gleich der Debye-Länge) ist groß. Die Zeit zwischen Stößen ist lang gegenüber der Periode der Plasmaoszillationen.
Plasmen sind normalerweise quasineutral, d. h., die Ladungen der Ionen und Elektronen sind ungefähr im Gleichgewicht. Die Netto-Ladungsdichte ist sehr klein im Vergleich zur Elektronendichte. Ausnahmen beschränken sich auf Regionen von der Größe der Debye-Länge, z. B. in der Randschicht.
Das Verhältnis zwischen Ionenmasse und Elektronenmasse ist groß, mindestens 1836 (bei einem Wasserstoffplasma). Viele Eigenschaften von Plasmen lassen sich daraus ableiten.
Charakteristisch für Plasmen ist ihr typisches Leuchten, das durch Strahlungsemission angeregter Gasatome, Ionen oder Moleküle verursacht wird. Ausnahmen sind Plasmen, die sehr kalt sind (wie oft im Weltraum) oder die so heiß sind, dass die Atome vollständig ionisiert sind (wie im Zentrum von Sternen).
Benennungen Sofern eine neutrale Teilchenkomponente existiert, deren kinetische Energie klein ist gegenüber der kinetischen Energie der freien Ladungsträger, wird diese oft als Hintergrundgas oder auch Neutralgas bezeichnet.
Entsprechend vorliegender bzw. vorherrschender Eigenschaften erhalten Plasmen häufig spezifischere Bezeichnungen. So spricht man z. B. von Hochdruck- oder Niederdruckplasmen, kalten oder heißen Plasmen, nichtidealen Plasmen oder dichten Plasmen. Ebenso können die Bestandteile eines Plasmas zur Bezeichnung herangezogen werden, wie z. B. Quecksilber-Hochdruckplasma. Daneben spielt auch der Erzeugungsmechanismus in der Charakterisierung von Plasmen eine Rolle: So meint man beispielsweise mit Edelgas-Niederdruckentladung ein auf elektrischem Weg erzeugtes Edelgas-Plasma mit niedrigem Plasmadruck.
In der Teilchenphysik wird der quasi-freie Zustand von Quarks und Gluonen in Analogie als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet.
Vorkommen Mehr als 99 % der gesamten sichtbaren Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand.Mit „sichtbarer Materie“ ist hier die Materie gemeint, die nicht dunkle Materie ist. Über die dunkle Materie ist noch keine Aussage möglich. Dazu gehören die Sonne und alle leuchtenden Sterne, ebenso die dünne Materie im Weltraum zwischen den Himmelskörpern wie Sonnenwind oder die interstellare Materie.
Auf der Erde findet man in der Ionosphäre und in Blitzen natürliche Plasmen. Flammen haben trotz nur schwacher Ionisierung (abhängig von der Temperatur) auch teilweise Eigenschaften eines Plasmas.
In der Biosphäre gibt es keine praktisch nutzbaren natürlichen Plasmen. Daher muss ein Plasma erzeugt werden, um es technisch anwenden zu können. Dies geschieht meist mit Hilfe einer Gasentladung.
Anwendungen mini|Heißes Plasma in einem Tokamak-Kernfusionsreaktor mini|Ionen-Triebwerk Verschiedene im Plasma ablaufende chemische oder physikalische Prozesse können ausgenutzt werden.
Die Anwendung von Plasmen lässt sich folgendermaßen gliedern: Gasentladungslampen: unter anderem Energiesparlampen, Leuchtstofflampen und Bogenlampen enthalten Materie im Plasmazustand Oberflächentechnik: Plasmen werden in der Halbleitertechnologie zum Plasmaätzen und zur plasmainduzierten Materialabscheidung (PECVD) bzw. zur Kathodenzerstäubung verwendet. In der Beschichtungstechnik werden Funktionsschichten wie Verspiegelungen oder Anti-Haft-Schichten aufgebracht. In der Werkstofftechnik werden Plasmen zur Oberflächenmodifizierung (Aufrauen), zur plasmainduzierten Materialabscheidung (PECVD und Plasmapolymerisation), zur Oberflächenhärtung, Reinigung, Aktivierung oder Plasmaoxidation eingesetzt. Analysentechnik: zum Aufschließen von Probenmaterialien (Plasmaveraschung) und in Messgeräten zum Spurennachweis von Metallen (Inductively Coupled Plasma (ICP), ICP-MS; , LIBS; , siehe Atomspektroskopie) Werkstoffverarbeitung: Plasmaschweißen, Funkenerodieren, Plasmaspritzen und Plasmaschneiden Plasmabildschirm Kernfusionsreaktor: Plasmazustand ist notwendig für jede thermonukleare Reaktion Plasmamedizin: Plasma-Desinfektion: Desinfektion von Gegenständen, Körperteilen, Wunden Coblation: Die energiereichen Ionen im Plasma können menschliches Gewebe bei relativ geringen Temperaturen unter 70 °C trennen. Dies wird für chirurgische Maßnahmen an Bandscheiben, Gaumenmandeln oder Nasenmuscheln genutzt.
Beleuchtungstechnik Das für Plasmen typische Leuchten wird genutzt. Im Plasma führen Stoßprozesse schneller Elektronen mit Gasatomen oder Molekülen dazu, dass Elektronen aus der Hülle der getroffenen Partikel Energie zugeführt wird. Diese Energie wird dann zu einem späteren Zeitpunkt als abgestrahltes Licht freigesetzt. Das entstehende Spektrum hängt stark von den vorhandenen Gasen, dem Druck und der mittleren Energie der Elektronen ab.
In einigen Fällen kann das emittierte Licht direkt genutzt werden, so in einigen Metalldampf-Hochdrucklampen (beispielsweise Natriumdampflampen – an dem stark gelben Licht zu erkennen), die in der Straßenbeleuchtung verbreitet zum Einsatz kommen oder bei bestimmten Edelgas-Hochdruckentladungen (z. B. Xenon). In anderen Fällen, wenn die Emission eher im UV-Bereich erfolgt (im Wesentlichen Quecksilberdampflampen), muss die elektromagnetische Strahlung in für Menschen sichtbares Licht umgewandelt werden. Dies erreicht man mit Leuchtstoffen, die auf der Wand der Entladungsgefäße aufgebracht sind. Dabei wird die ultraviolette Strahlung im Leuchtstoff absorbiert und als Strahlung im Sichtbaren wieder abgegeben. Beispiele hierfür sind die bei der Innenraumbeleuchtung eingesetzten Leuchtstoff- und Energiesparlampen und die in Projektoren und im Außenbereich verwendeten Quecksilberhochdrucklampen.
Plasmachemische Anwendungen Der Einsatz von Plasmen für chemische Reaktionen beruht auf der durch sie gelieferten hohen Konzentrationen chemisch reaktiver Molekülbruchstücke. In der Vergangenheit gab es Versuche, plasmachemische Verfahren industriell zur Synthese einzusetzen. Die komplexe Plasmazusammensetzung macht derartige Umsetzungen jedoch sehr aufwändig und wenig effizient. Plasmachemische Verfahren werden deshalb heute in der chemischen Synthese praktisch nicht mehr eingesetzt, sondern nur noch bei der Entsorgung giftiger Gase.
Die erste bekannte Anwendung von Plasma in der chemischen Industrie ist das Birkeland-Eyde-Verfahren der Stickstoffoxidation zur Herstellung von Salpetersäure. Obwohl dieses Verfahren aufgrund der schlechten Energieausbeute aufgegeben wurde, ist die Forschung auf diesem Gebiet immer noch aktiv, insbesondere durch die Suche nach einer nicht-thermischen Plasmaanwendung anstelle der ursprünglich verwendeten thermischen.
Ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung ist die Synthese von Diamanten. Dabei wird ein Diamant aus dem Plasma auf eine Oberfläche abgeschieden. Diese Diamantschicht ist polykristallin und hat nicht die Qualität von Schmuckdiamanten. Die Wachstumsraten dieser Schicht sind sehr klein (ca. 1 µm/h). Daher sind dickere Schichten sehr teuer.
In großem Umfang wird Plasmachemie weiterhin in der Halbleiterindustrie betrieben. Hier werden Plasmen zum (Trocken-)Ätzen (Plasmaätzen) und zur Schichtabscheidung PECVD verwendet. Bei Ätzprozessen wird im Gegensatz zur Beleuchtungstechnik der direkte Kontakt des Plasmas mit der Oberfläche ausgenutzt, um gezielten Materialabtrag zu erreichen. Eine Schlüsselrolle spielen hierbei die in Wandnähe herrschenden elektrischen Felder, welche charakteristisch für Randschichten sind. Ein weiterer großer Anteil zum Ätzabtrag bilden die im Plasma enthaltenen Ionen. Diese können mit Hilfe von Magnetfeldern beschleunigt werden und so zusätzlichen, gerichteten Ätzabtrag erreichen. Das Plasmaätzen muss nicht mit chemisch-reaktiven Vorgängen verbunden sein und ist insofern eine physikalische Anwendung.
Physikalische Anwendungen Plasmen werden zum Plasmaschneiden, Plasmaschweißen und Löten mit Plasmabrennern eingesetzt. Das Plasma wird meistens mittels eines Lichtbogens erzeugt. Neue Verfahren verwenden Plasmen, die bei 2,45 GHz erzeugt werden, mit verschleißfreien Kupferelektroden arbeiten und auch für feinste Schnitte bis hin zum Skalpell eingesetzt werden können.