3. PLASMA

3.1 EINFÜHRUNG IN DIE PLASMA-PHYSIK

Es   ist   bekannt,   dass   der   Weltraum   mit   Plasma   gefüllt   ist.   Plasma   ist   tatsächlich der   im   Universum   am   weitesten   verbreitete   Aggregatzustand.   Es   ist   zu   finden   in einem   breiten   Bereich   von   Feuer,   Neonlichtern   und   Blitzen   auf   der   Erde   ebenso   wie in   galaktischen   und   intergalaktischen   Räumen.   Der   einzige   Grund   dafür,   dass   wir   mit Plasma    nicht    besser    vertraut    sind,    besteht    darin,    dass    die    Menschheit    in    einer dünnen   Biosphäre   aus   Feststoffen,   Flüssigkeiten   und   Gasen   lebt,   auf   die   unsere Sinne   abgestimmt   sind.   So   nehmen   wir   beispielsweise   Feuer   nicht   als   Plasma   wahr; wir   sehen   eine   helle   Flamme   und   fühlen   Hitze.   Nur   wissenschaftliche   Experimente können uns zeigen, dass Plasma in der Flamme anwesend ist.

3.2 IONISATION

Wir   wissen,   dass   der   Weltraum   gefüllt   ist   mit   Feldern,   einer   Vielfalt   von   Teilchen,   von   denen   viele   elektrisch geladen   sind,   und   Ansammlungen   von   Teilchen   in   der   Größenordnung   von   Atomen   über   Planeten   bis   hin   zu   Sternen und   Galaxien.   Neutrale   Teilchen   –   das   sind   Atome   und   Moleküle,   die   dieselbe   Zahl   von   Protonen   und   Elektronen haben,   wir   vernachlässigen Antimaterie   hier   –   bestehen   aus   entgegengesetzt   geladenen   Teilchen.   Umgekehrt   können geladene Teilchen von Atomen und Molekülen durch einen als Ionisation bekannten Prozess gebildet werden. Wenn   ein   Elektron   –   eine   negative   Ladung   –   von   seinem   Atom   getrennt   wird,   dann   trägt   der   verbleibende   Teil des Atoms   eine   positive   Ladung.   Das   abgetrennte   Elektron   und   der   Rest   des Atoms   werden   von   einander   frei.   Dieser Prozess   wird   Ionisation   genannt.   Der   positiv   geladene   Rest   des   Atoms   wird   Ion   genannt.   Das   einfachste   Atom, Wasserstoff,   besteht   aus   einem   Proton   (seinem   Kern)   und   einem   Elektron.   Wenn   Wasserstoff   ionisiert   wird,   dann   ist das Ergebnis ein freies Elektron und ein freies Proton. Ein einzelnes Proton ist der einfachste Typ eines Ions. Wen   ein Atom   ionisiert   wird,   das   schwerer   als   Wasserstoff   ist,   dann   kann   es   mehr   als   ein   Elektron   verlieren.   Die positive   Ladung   dieses   Ions   gleicht   dann   der   Zahl   der   Elektronen,   die   bei   der   Ionisation   verloren   wurden.   Ionisation kann   auch   bei   Molekülen   vorkommen.   Es   kann   auch   durch   die   Zufuhr   eines   Elektrons   zu   einem   neutralen Atom   oder Molekül   ein   negativ   geladenes   Ion   werden.   Staubteilchen   im   Weltraum   sind   oft   geladen   und   das   Studium   der   Physik staubigen   Plasmas   ist   heute   Gegenstand   der   Forschung   an   vielen   Universitäten.   Um   Atome   in   Elektronen   und   Ionen zu trennen – siehe die Übersicht unten – wird Energie benötigt.

Ionisationsenergie von Elementen mit unterschiedlicher Atomzahl.

Bildquelle: Wikimedia Commons, ergänzt durch Temperaturen an der rechten Achse

Man   beachte   das   wiederkehrende   Muster   in   der   Darstellung:   ein   Alkalimetall   benötigt eine   relativ   geringe   Ionisationsenergie   oder   Temperaturzufuhr   (ist   einfach   zu   ionisieren).

Wenn   man   sich   nach   rechts   bewegt,   wobei   die Atomzahl   steigt   –   die   Zahl   der   Protonen   im   Kern   des Atoms   –   ist   mehr Energie   erforderlich,   um   die   “schweren”   Atome   zu   ionisieren.   Den   Gipfel   bilden   die   Atome   von   “Edelgasen”,   gefolgt von einem Abfall zu den nächst höheren Atomzahlen, die wieder Metalle sind. Dann wiederholt sich das Muster. Es    ist    interessant    festzustellen,    dass    Wasserstoff,    das    leichteste    Element,    in    diesem    elektrischen    und chemischen   Zusammenhang   als   “Metall”   zu   betrachten   ist,   weil   es   nur   ein   einzelnes   Elektron   auf   seiner   äußeren (und   einzigen)   Umlaufbahn   besitzt,   welches   es   bereitwillig   “abgibt”.   Die   allgemeine   Terminologie   der   Astronomie bezüglich   der   in   Sternen   vorkommenden   Elemente      ist   die,   dass   Wasserstoff   und   Helium   “Gase”   sind   und   alle anderen anwesenden Elemente zusammen als “Metalle” bezeichnet werden. Es    ist    interessant    festzustellen,    dass    Wasserstoff,    das    leichteste    Element,    in    diesem    elektrischen    und chemischen   Zusammenhang   als   “Metall”   zu   betrachten   ist,   weil   es   nur   ein   einzelnes   Elektron   auf   seiner   äußeren (und   einzigen)   Umlaufbahn   besitzt,   welches   es   bereitwillig   “abgibt”.   Die   allgemeine   Terminologie   der   Astronomie bezüglich   der   in   Sternen   vorkommenden   Elemente      ist   die,   dass   Wasserstoff   und   Helium   “Gase”   sind   und   alle anderen anwesenden Elemente zusammen als “Metalle” bezeichnet werden.

3.3 ENTSTEHUNG UND AUFRECHTERHALTUNG DER IONISATION

Die    für    die    Entstehung    und    Aufrechterhaltung    notwendige    Energie    kann    die    kinetische    Energie    aus Zusammenstößen    zwischen    energetischen    Teilchen    (mit    genügend    hoher    Temperatur)    sein    oder    aus    genügend starker   Strahlung   stammen.   Die   durchschnittliche   zufällige   Bewegungsenergie   von   Teilchen   wird   gewöhnlich   als Temperatur   bezeichnet   und   in   einigen   Hochgeschwindigkeitsanwendungen   in   Elektronenvolt   (eV)   gemessen.   Um Temperatur   in   Kelvin   (K)   in   eV   umzurechnen,   wird   durch   11604,5   dividiert.   Umgekehrt   multipliziert   man   den   Wert   in   eV mit dieser Zahl, um das Wärmeäquivalent als Temperatur in K zu erhalten. Die   Darstellung   oben   repräsentiert   die   Ionisationsenergie,   die   erforderlich   ist,   um   das   erste,   äußerste   Elektron aus    einem   Atom    oder    Molekül    frei    zu    setzen.    Weitere    Elektronen    sind    enger    an    den    Kern    gebunden    und    ihre Ionisation    erfordert    noch    höhere    Energien.    Mehrere    Schichten    von    Elektronen    aus    Atomen    können    in    extrem energiereichen   Umgebungen   frei   gesetzt   werden,   wenn   sie   sich   in   und   nahe   von   Sternen   und   galaktischen   Jets befinden.   Wichtig:   Diese   energiereichen   Plasmen   sind   bedeutende   Quellen   von   Elektronen   und   Ionen,   die   auf   extrem hohe     Geschwindigkeiten     beschleunigt     werden     können.     Sie     sind     Quellen     von     kosmischer     Strahlung     und Synchrotronstrahlung   auf   vielen   verschiedenen   Wellenlängen.   Über   den   Zusammenhang   kosmischer   Strahlung   mit Wolkenmustern,    die    unser    globales    Klima    beeinflussen,    wird    in    Henrik    Svensmarks    Buch    The    Chilling    Stars berichtet. Temperatur   ist   der   Maßstab   dafür,   wie   viel   zufällige   kinetische   Energie   Teilchen   haben,   was   wiederum   von   der Rate   der   Teilchenkollisionen   abhängt   und   davon   wie   schnell   sie   sich   bewegen.   Die   Temperatur   beeinflusst   den   Grad der   Plasma-Ionisation.   Im   Plasma   können   sich   (parallel)   ausgerichtete   elektrische   Felder   mit   lokalen   Magnetfeldern [(“force-free”-Bedingung)]   formen.   Teilchen,   die   in   Feldern   ausgerichtet   werden,   tendieren   dazu,   sich   parallel   und nicht   zufällig   zu   bewegen   und   unterliegen   daher   relativ   wenigen   Zusammenstößen.   Der   Übergang   der   Flugbahnen von   Teilchen   von   zufälligen   zu   parallelen   wird   “Dethermalisierung”   genannt.   Sie   haben   danach   eine   niedrigere “Temperatur”.     Analogie:     man     stelle     sich     den     Verkehrsfluss     in     einem     “Zerstörungsrennen”     als     “heißen”, kollisionsanfälligen,      zufälligen      Verkehr      und      freien      Fahrzeugverkehr      auf      Bahnen      als      “kühlen”,      wenig kollisionsreichen, parallel ausgerichteten Verkehr vor. Bei   einem   Zusammenstoß   zwischen   einem   Elektron   und   einem   Atom   wird   Ionisation   dann   vorkommen,   wenn die   Energie   des   Elektrons   (die   Elektronentemperatur)   größer   ist   als die   Ionisationsenergie   des   Atoms.   Gleiches   gilt,   wenn   ein   Elektron mit   einem   Ion      kollidiert.   Sie   werden   sich   nicht   wieder   vereinen, wenn    das    Elektron    genug    Energie    hat.    Man    kann    sich    das    so vorstellen,   dass   die   Elektronen   eine   Geschwindigkeit   haben,   die größer   ist   als   die   Fluchtgeschwindigkeit   des   Ions,   weshalb   sie   nicht wieder in eine Umlaufbahn um das Ion gezwungen werden. Elektronentemperaturen   in   Weltraumplasmen   können   sich   im Bereich   von   Hunderten   Millionen   Kelvin   bewegen.   Plasmen   können sich   ihren   Ionisationszustand   sehr   wirksam   aufrechterhalten.   Eine Ladungstrennung ist in Weltraumplasmen normal.   Andere     Quellen     von     Ionisationsenergie     umfassen     aus anderen      Regionen      kommende,      hochenergetische      kosmische Strahlen,     hochenergetische     oder     “Ionisations”-Strahlung     wie intensives   ultraviolettes   Licht,   das   auf   eine   neutral   geladene   Region mit   Gas   oder   schwach   ionisiertem   Plasma   nahe   der   Sterne   fällt.   Das ist    eine    Begegnung    bei    der    die    relative    Geschwindigkeit    die kritische    Ionisationsgeschwindigkeit    (CIV)    überschreitet    (Hannes Alfén,     Collission     between     a     nonionized     gas     and     magnetized plasma ,   Rev.   Mod.   Phys.,   vol.   32,   p.   710,   1960)   oder   energetische   Strahlungsprozesse,   die   im   Plasma   selbst   erzeugt werden.

Einfache Darstellung der Freisetzung eines

Elektrons bei der Ionisation eines Atoms