בכל יום בחיינו אנחנו נתקלים בחומרים שנמצאים בשלושה מצבי צבירה, המתארים את תכונותיהם הבסיסיות: מוצק, נוזל וגז. לפעמים אפשר לשמוע מדענים מדברים גם על מצבי צבירה נדירים ומוזרים יותר. הרשימה ארוכה, ואפשר למצוא בה שמות משונים כמו מעובה בוז-איינשטיין, מוליכי-על ועוד כהנה וכהנה.
אחד ממצבי הצבירה הללו נקרא פלזמה, ואולי חלקנו זוכרים ששמענו עליו פעם בשיעור מדעים בתור "מצב הצבירה הרביעי". הפלזמה היא מצב צבירה הדומה לגז מיונן, ולמעשה היא אינה מוזרה כלל. אדרבה - זהו מצב הצבירה הנפוץ ביותר ביקום.
אנרגיה גבוהה
לכל מצב צבירה יש תכונות בסיסיות שמאפיינות אותו. לדוגמה, חומרים מוצקים וגבישיים מוגדרים על ידי המבנה המסודר והמחזורי של האטומים שמרכיבים אותם. הסידור הזה, בתורו, הוא מה שנותן להם את היכולת לשמור על צורה קבועה ולהתנגד לכוחות הפועלים עליהם. לעומת זאת, גזים מתאפיינים בצפיפות נמוכה של חלקיקים - אטומים או מולקולות - שאינם קשורים זה לזה, וההשפעה ההדדית בין כל חלקיק לשכניו מעטה מאוד ומסתכמת בהתנגשויות מקריות ביניהם. לכן גז מתפזר במרחב בקלות, ונוטה להיות מבודד חשמלית.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
פרסי נובל 2024: שנת הבינה המלאכותית
מה עושים מיטוכונדריה בגרעין התא?
מחלות ללא גבולות – מחלה מסתורית בקונגו
החלקיקים בגז הם ניטרליים מבחינה חשמלית, כי יש להם כמות שווה של פרוטונים, שמטענם חיובי, ואלקטרונים בעלי מטען חשמלי שלילי. אך אם ניקח גז ונוסיף לו הרבה מאוד אנרגיה, למשל על ידי חימומו לטמפרטורה גבוהה מאוד, האלקטרונים ייפרדו מהפרוטונים, ונקבל אוסף של חלקיקים טעונים חשמלית שנקראים יוֹנים, חלקם בעלי מטען חיובי וחלקם בעלי מטען שלילי. המטענים החיובים והשליליים מושכים אלה את אלה ורוצים להתחבר בחזרה, אבל כל עוד האנרגיה נשארת גבוהה מספיק, החלקיקים לא יצליחו להתחבר שוב. המצב היציב הזה נקרא פלזמה.
לפלזמה יש כמה תכונות מיוחדות מאוד. שלא כמו גז, היא דווקא מוליכה חשמלית מצוינת, אף על פי שהצפיפות שלה דומה לזו של גז. היא מסוגלת למסך שדות חשמליים באופן מעולה, כלומר לחסום אותם מלהתפשט בה. בנוסף, אף על פי שפלזמה מורכבת מאוסף של חלקיקים טעונים, היא למעשה ניטרלית כמעט לגמרי מבחינה חשמלית, כלומר כמות החלקיקים בעלי המטען החיובי והשלילי בה היא זהה, והם מפוזרים במרחב בצורה אחידה.
לכאורה נדמה שהתכונות הללו סותרות את השכל הישר שלנו לגבי מטענים חשמליים ומוליכים. למעשה הם התוצאה של העובדה שהפלזמה היא מוליך כמעט מושלם: המטענים בה חופשיים לנוע, וכשנקרה בדרכם שדה חשמלי כלשהו הם מסתדרים מחדש בצורה שמנטרלת את השפעתו עליהם. שילוב התכונות האלה גורם לפלזמה כולה לנוע בצורה שמזכירה יותר נוזל סמיך מאשר גז. זאת גם הסיבה לכך שאירווינג לנגמיור (Langmuir), שהיה מחלוצי חקר הפלזמה, נתן לה את שמה: היא הזכירה לו את נוזל הפלזמה שבדם.
סוד גלוי
הפלזמה התגלתה לראשונה רק בסוף המאה ה-19, אבל כיום אנו יודעים שמצב הצבירה הזה נפוץ מאוד ברחבי היקום. פלזמה היא התופעה הנמצאת ביסודם של ברקים, היא יוצרת את זוהר הקוטב ומאפשרת לשלטי נאון ולנורות פלואורסצנטיות להאיר. בכל אלה, שדות חשמליים חזקים מייננים גז, כלומר מפרידים בו בין האלקטרונים והפרוטונים שלו ויוצרים פלזמה בוהקת. בנוסף, החלל החיצון שופע פלזמה, שפזורה בו בשלל ענני ענק של חלקיקים טעונים.
יתר על כן, כל הכוכבים שאנחנו רואים בשמיים, ובהם גם השמש שלנו, מורכבים בעיקר מפלזמה, כתוצאה מהטמפרטורות הגבוהות מאוד השוררות בליבתם. היות שכמות החומר בכל כוכב היא גדולה מאוד, וכמות הכוכבים ביקום גדולה מאוד אף היא, מדענים סבורים שפלזמה היא מצב הצבירה הנפוץ ביותר ביקום.
יש לשים לב כי לא כל גז מיונן הוא פלזמה: למשל, גז שמורכב כל כולו מיונים חיוביים בלבד, או שליליים בלבד, אינו פלזמה, ויתנהג אחרת מאוד ממנה. ייחודה של הפלזמה הוא בכך שכמות המטענים החופשיים בה, כלומר היונים החיובים והשליליים, או היונים החיוביים והאלקטרונים החופשיים, היא פחות או יותר שווה, והם אלה שנותנים לה את התכונות האופיינית לה.
מעבר לעניין התיאורטי בה, פלזמה תופסת מקום חשוב בפעולתם של יישומים טכנולוגיים רבים. נוסף על התאורה הפלואורסצנטית שכבר הזכרנו, פלזמה קשורה באופן עמוק לתהליכים המתרחשים בכורי היתוך גרעיני. נוכחותה בולטת מאוד גם ברוחות הסולריות, המגיעות אלינו מהשמש ועלולות לשבש את פעולתן של תשתיות חשמליות, ולסכן חלליות בזמן החזרה לאטמוספרה.
עמית פנדו, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
