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 数千度から1万度以上の高温になるとどんな物質も「プラズマ」になります。物質の第4の状態と呼ばれているプラズマ。今回の柴田先生のお話にも出てくると思います。このプラズマについての資料です。

プラズマとは
 温度が上昇すると,物質は固体から液体に,液体から気体にと状態が変化します.気体の温度が上昇すると気体の分子は解離して原子になり,さらに温度が上昇すると原子核のまわりを回っていた電子が原子から離れて,正イオンと電子に分かれます.この現象は電離とよばれています.そして電離によって生じた荷電粒子を含む気体をプラズマとよびます.

 一般に気体中で放電することによって生成されます。身近なプラズマの例としては、点灯している蛍光灯の内部も水銀ガスがプラズマになったものです。このことはグロー放電を起こしてそれからクルックス管である蛍光灯内のアルゴンやキセノン等に経路状に電流が流れ発光する事と同じです。なお、このグロー放電は放電プラズマの一種です。

 我々の生活に必要不可欠な火(燃焼炎)もプラズマの一種です。他に強力な磁界をもつ高圧鉄塔の電線の周りには同心円状にプラズマが発生します。地下水脈で水が勢いよく岩盤にぶつかることでその空洞内に発生すると言われています。

 電離層、オーロラ、太陽(恒星の内部)、太陽風(コロナ)、星間物質、科学博物館によく展示されているプラズマボールなどもその例です。


自然界のプラズマ
 自然界には,地球のエネルギーの源である太陽,それから吹き出す太陽風,地球を取り巻く電離層,極地の空を彩るオーロラ,真夏の積乱雲から走る稲妻等,様々な形のプラズマが存在しています.また夜空にちりばめられた数々の恒星に加えて,星と星の間の空間にも希薄なプラズマがひろがっており,宇宙を構成する物質の 99%以上がプラズマであるといわれています.

人間が生み出したプラズマ
 一方,人間の手によって生み出されたプラズマは,放電現象として,蛍光灯をはじめとする照明器具や,溶接,エッチング,薄膜形成等の加工技術に広く利用されています.さらには,核融合反応によるエネルギー生成の実現を目指して, 1 億度以上の超高温プラズマを保持するための研究が先進各国で進められています.

プラズマと中性気体
 プラズマと通常の中性気体との大きな違いは,荷電粒子の間に電気力が働くことです.中性気体では2つの粒子が極めて接近したときだけ,粒子間に力が働くのに対して,電気力ははるかに遠方まで力をおよぼします.そのため,1つの粒子の運動は多くの粒子に影響をおよぼし,中性気体にはみられない様々な現象が現れます.

電気的中性
 プラズマ中の荷電粒子は,原子に束縛されていた電子がエネルギーを得て電離することによって生じたものです.そのため,粒子のもつ運動エネルギーは粒子間に働く電気力のエネルギーよりも大きいのが普通です.また,粒子損失がなければ,プラズマ中の電子のもつ電荷の総和と正イオンのもつ電荷の総和は符号が逆で大きさは等しいので,全体としてほぼ電気的中性です.電子ビームやイオンビームのように電気的中性条件を満たしていない荷電粒子系は,通常プラズマとはよばれません.

さまざまなプラズマ
 通常の気体は常温ではほとんど電離していません.もっとも身近にあるプラズマとしては,ほんのわずかしか電離していないのですが,けい光灯やガスの炎があげられます.
 地球上では粒子密度が高いため電離しにくのですが,高度が増すにつれて電離する割合が増加します.これは太陽からの紫外線やX線により電離が増えることと粒子密度の減少により再結合によって中性原子に戻る機会が減ることとによります.そのため高度 100 km あたりで電子密度が極大となり,電離層とよばれています.高度約 300 km 以上の領域は磁気圏とよばれ,さらに電離しやすくなりますが,粒子密度が減少するため電子密度はゆるやかに減少します.磁気圏の外側の境界は,太陽からのプラズマの流れ(太陽風)と地球磁場との釣り合いで定まっています.太陽風には,太陽から吹き出されたエネルギーの高い荷電粒子が含まれています.太陽風の届かない惑星間のプラズマは密度も温度も低いのですが,その量が非常に多いため,宇宙にある物質の 99.9 % 以上がプラズマであるといわれています.

 高エネルギー荷電粒子の流れである太陽風を生み出す太陽は,それ自身完全に電離したプラズマです.太陽の中心部では 4 つの H 原子から He を生成する核融合反応によってエネルギーが生成されています.地球上で核融合反応によってエネルギーを生成しようとする試みにおいても,非常に高い温度のプラズマを閉じ込める必要があり,プラズマの性質を調べるための実験的あるいは理論的研究が先進各国で進められています.

 もう一つの身近なプラズマの例は固体中の自由電子です.固体中ではイオンは動くことができませんが,自由電子は正イオン背景中の一成分プラズマとして振る舞うことができます.ただし粒子密度が非常に高いため,フェルミ温度が実際の温度よりも高くなり,量子力学的な縮退効果が重要な役割を果たしています.


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