Пла́зма (, «[щось] сформоване») — у фізиці та хімії іонізований, електрично-квазінейтральний стан речовини.

Загальний опис Плазма вважається четвертим (після твердого, рідкого й газоподібного) агрегатним станом речовини. Слово «іонізований» означає, що від значної частини молекул відокремлений принаймні один електрон. Слово «квазінейтральний» означає, що, незважаючи на наявність вільних зарядів (електронів і іонів), сумарний електричний заряд плазми дорівнює нулю. Присутність вільних електричних зарядів робить плазму провідним середовищем, що зумовлює її значно більшу (в порівнянні з іншими агрегатними станами речовини) взаємодію з магнітним і електричним полями. «Четвертий стан речовини» відкрив Вільям Крукс у 1879, а назву «плазма» запропонував Ірвінг Ленгмюр у 1928.

Як і речовина в будь-якому іншому агрегатному стані, плазма є зовні нейтральною, оскільки є сумішшю позитивних і негативних іонів у такій кількості та концентрації, що їх заряди компенсують один одного. Плазма має властивості схожі як на газоподібний стан речовини (частинки рухаються вільно та відстань між частинками значно більша за розмір частинок), так і на рідкий (велика в'язкість) і твердий (електрони рухаються вільно від ядер атомів).

Властивості плазми досліджує фізика плазми. Теоретично плазма описується рівняннями магнітогідродинаміки.

Плазма — стан речовини, в якому її атоми іонізовані, тобто електрони відірвані від ядер. Завдяки цьому речовина стає не тільки електропровідною, але й надзвичайно чутливою до електромагнітних полів. Плазму називають четвертим агрегатним станом речовини на відміну від твердого, рідкого та газоподібного.

Плазма — високоіонізоване квазінейтральне суцільне середовище. На відміну від газу або рідини, в плазмі має місце далекосяжна кулонівська взаємодія між частинками, що і визначає її різноманітні властивості. Плазмові об'єкти у природі — зорі, планетарні туманності, верхні шари атмосфери — іоносфера. Штучно плазма створюється у тліючому газовому розряді, газорозрядних лампах, мас-спектрометрах, термоядерному синтезі, при роботі іонних двигунів, генераторів і т. д. Зокрема, плазму застосовують у термоелектронних і магнітоплазмодинамічних (МПД) генераторах — перетворювачах тепла безпосередньо в електричну енергію (минаючи перетворення в механічну).

Форми плазми

За сьогоднішніми уявленнями, фазовим станом більшої частини речовини (за масою близько 99,9 %) у Всесвіті є плазма. Всі зорі складаються з плазми, і навіть простір між ними заповнений плазмою, хоча і дуже розрідженою (див. міжзоряний простір). Наприклад, планета Юпітер зосередила в собі переважну більшість речовини Сонячної системи, що перебуває в «неплазмовому» стані (рідкому, твердому та газоподібному). При цьому маса Юпітера становить всього лише близько 0,1 % маси Сонячної системи, а об'єм ще менший: всього 10−15%. При цьому дрібні частки пилу, що заповнюють космічний простір і несуть на собі певний електричний заряд, в сукупності можуть бути розглянуті як плазма, що складається з надважких заряджених іонів (див. пилова плазма).

Найтиповіші форми плазми Плазмова панель (телевізор, монітор) Речовина всередині люмінесцентних (у тому числі компактних) і неонових ламп Плазмові ракетні двигуни Газорозрядна корона озонового генератора Дослідження керованого термоядерного синтезу Електрична дуга у дуговій лампі і у дуговому зварюванні Плазмова лампа Дуговий розряд від трансформатора Тесли Вплив на речовину лазерним випромінюванням Яскрава сфера ядерного вибуху Блискавка Вогні святого Ельма Іоносфера Язики полум'я (низькотемпературна плазма) Сонце та інші зірки (ті, які існують за рахунок термоядерних реакцій) Сонячний вітер Космічний простір (простір між планета ми, зорями і галактиками) Міжзоряні туманності

Властивості і параметри плазми

Визначення плазми Плазма — частково або повністю іонізований газ, в якому густини позитивних і негативних зарядів практично однакові.Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред. кол. Д. М. Алексеев, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов и др. М.: Сов. Энциклопедия, 1984. — с. 536 Не всяку систему заряджених частинок можна назвати плазмою. Плазма має такі властивості:R. O. Dendy, Plasma Dynamics.Hillary Walter, Michelle Cooper, Illustrated Dictionary of PhysicsDaniel Hastings, Henry Garrett, Spacecraft-Environment Interactions

Достатня густина: заряджені частинки повинні знаходитися досить близько одна до одної, щоб кожна з них взаємодіяла з цілою системою близько розташованих заряджених частинок. Умова вважається виконаною, якщо число заряджених частинок в сфері впливу (сфера радіусом Дебая) достатнє для виникнення колективних ефектів (подібні прояви — типова властивість плазми). Математично ця умова можна висловити так: , де  — концентрація заряджених частинок.

Пріоритет внутрішніх взаємодій: радіус дебаєвського екранування повинен бути малий у порівнянні з характерним розміром плазми. Цей критерій означає, що взаємодії, що відбуваються всередині плазми значніші в порівнянні з ефектами на її поверхні, якими можна знехтувати. Якщо ця умова виконана, плазму можна вважати квазінейтральною. Математично ця умова описується наступним чином:

Плазмова частота: середній час між зіткненнями частинок має бути великий в порівнянні з періодом плазмових коливань. Ці коливання викликаються дією на заряд електричного поля, що виникає через порушення квазінейтральності плазми. Це поле прагне відновити порушену рівновагу. Повертаючись в положення рівноваги, заряд проходить по інерції це положення, що знову призводить до появи сильного поля, виникають типові механічні коливання. Коли ця умова дотримана, електродинамічні властивості плазми переважають над молекулярно-кінетичними. Мовою математики ця умова має вигляд:

Класифікація Плазма зазвичай поділяється на ідеальну і неідеальну, низькотемпературну і високотемпературну, рівноважну і нерівноважну, при цьому досить часто холодна плазма буває нерівноважною, а гаряча рівноважною.

Температура При читанні науково-популярної літератури читач часто бачить значення температури плазми порядку десятків, сотень тисяч або навіть мільйонів градусів Цельсія (°С) або Кельвіна (К). Для опису плазми у фізиці зручно вимірювати температуру не в градусах Цельсія, а в одиницях вимірювання, близьких до енергії руху частинок, наприклад, в електрон-вольтах (еВ). Для переведення температури у еВ можна скористатися наступним співвідношенням: 1 еВ = 11600 K (Кельвінів). Таким чином стає зрозуміло, що температура в «десятки тисяч градусів Цельсія» досить легко досяжна.

У нерівноважній плазмі електронна температура істотно перевищує температуру іонів. Це відбувається через відмінність в масах іона й електрона, яка ускладнює процес обміну енергією. Така ситуація зустрічається в газових розрядах, коли іони мають температуру близько сотень, а електрони близько десятків тисяч Кельвін.

У рівноважній плазмі обидві температури рівні. Оскільки для здійснення процесу іонізації необхідні температури, порівнянні з потенціалом іонізації, рівноважна плазма зазвичай є гарячою (з температурою більше кількох тисяч Кельвін).

Поняття високотемпературна плазма вживається звичайно для плазми термоядерного синтезу, який вимагає температур в мільйони Кельвін.

На початку 2025 року, як повідомив ресурс LiveScience, в експерименті на установці Wendelstein 7-X вперше вдалося стабільно утримувати плазму при температурі 100 млн °C упродовж 8 хв. Це найдовший безперервний сеанс такого типу в історії досліджень термоядерної енергетикиNuclear fusion record smashed as German scientists take 'a significant step forward' to near-limitless clean energy. // By Victoria Atkinson published June 5, 2025Німецькі науковці досягли рекорду термоядерного синтезу при температурі 100 мільйонів градусів Цельсія. 02.07.2025, 5:50 pm.

Ступінь іонізації Для того, щоб газ перейшов у стан плазми, його необхідно іонізувати. Ступінь іонізації пропорційна числу атомів, які віддали або поглинули електрони, і найбільше залежить від температури. Навіть слабо іонізований газ, в якому менше 1 % часток знаходяться в іонізованому стані, може проявляти деякі типові властивості плазми (взаємодія з зовнішнім електромагнітним полем і висока електропровідність). Ступінь іонізації α визначається як α = ni/(ni+ na), де n i — концентрація іонів, а na — концентрація нейтральних атомів. Концентрація вільних електронів в незарядженій плазмі ne визначається очевидним співвідношенням: ne=<Z>ni, де <Z> — середнє значення заряду іонів плазми.

Для низькотемпературної плазми характерна мала ступінь іонізації (до 1 %). Так як такі плазми досить часто вживаються в технологічних процесах, їх іноді називають технологічними плазмами. Найчастіше їх створюють за допомогою електричних полів, які прискорюють електрони, які в свою чергу іонізують атоми. Електричні поля вводяться у газ за допомогою індуктивного або ємнісного зв'язку (див. індуктивно-пов'язана плазма). Типові застосування низькотемпературної плазми включають плазмову модифікацію властивостей поверхні (алмазні плівки, нітридування металів, зміна змочуваності), плазмове травлення поверхонь (напівпровідникова промисловість), очищення газів і рідин (озонування води і спалювання частинок сажі в дизельних двигунах).

Гаряча плазма майже завжди повністю іонізована (ступінь іонізації ~100 %). Зазвичай саме вона розуміється під «четвертим агрегатним станом речовини». Прикладом може служити Сонце.

Густина Крім температури, яка має фундаментальну важливість для самого існування плазми, другою найважливішою властивістю плазми є густина. Словосполучення густина плазми зазвичай позначає густину електронів, тобто число вільних електронів в одиниці об'єму (строго кажучи, тут, густиною називають концентрацію — не масу одиниці об'єму, а число часток в одиниці об'єму). У квазінейтральній плазмі густина іонів пов'язана з нею за допомогою середнього зарядового числа іонів : . Наступною важливою величиною є густина нейтральних атомів . У гарячій плазмі величина мала, але може проте бути важливою для фізики процесів в плазмі. При розгляді процесів в густій, неідеальній плазмі характерним параметром густини стає , який визначається як відношення середньої відстані між частинками до борівського радіусу.

Квазінейтральність Оскільки плазма є дуже хорошим провідником, електричні властивості мають важливе значення. Потенціалом плазми або потенціалом простору називають середнє значення електричного потенціалу у даній точці простору. У разі якщо в плазму внесено будь-яке тіло, його потенціал в загальному випадку буде менший за потенціал плазми внаслідок виникнення дебаєвського шару. Такий потенціал називають плаваючим потенціалом. Через гарну електричну провідність плазма прагне екранувати всі електричні поля. Це призводить до явища квазінейтральності — густина негативних зарядів з хорошою точністю дорівнює густині позитивних зарядів (). У зв'язку з хорошою електричною провідністю плазми поділ позитивних і негативних зарядів неможливий на відстанях більших за дебаївську довжину і часу більшого за період плазмових коливань.

Прикладом неквазінейтральної плазми є пучок електронів. Проте густина не-нейтральних плазм повинна бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулонівського відштовхування.

Фізичні властивості Характерною особливістю плазми, на відміну від інших агрегатних станів, є екранування електростатичної взаємодії. В газі, твердому тілі чи рідині поляризація атомів і молекул призводить до зменшення взаємодії між зарядами на величину, яка визначається діелектричною сталою. В плазмі взаємодія не просто зменшується, вона дуже швидко, експоненційно, затухає із збільшенням віддалі між зарядами. Це екранування зумовлене перебудовою густини зарядів протилежного знаку навколо будь-якого заряду. Завдяки екрануванню електрони і іони в плазмі рухаються наче в усередненому полі, і їх можна трактувати як вільні частинки.