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Vortragszyklus Das Dunkle Universum 19.9. / 17.10. / 21.11. / 12.12.2018
10:40-12:10 Uhr in E06
Max Camenzind – Heidelberg 2018
Inhalt • Die vier Aggregatszustände der Materie.
• Wo finden wir Plasmen?
• Plasmen im Labor und Fusion.
• Plasmen im Weltraum.
• Wie entstehen Plasmen?
• Phasendiagramme der Plasmen.
• Die Abschirm-Länge – sog. Debye-Radius.
• Plasma-Schwingungen und Plasma-Frequenz.
• Das magnetisierte Plasma.
Vom Festkörper zum Plasma In Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen (hauptsächlich Druck und Temperatur) kommt Materie in verschiedenen Aggregatzuständen vor. Bei hinreichend niedriger Temperatur sind nahezu alle Materialien im festen Zustand. Ihre kleinsten Bausteine (Atome, Moleküle) bilden ein festes Gefüge, das bei einem kristallinen Festkörper als regelmäßiges (Kristall-)Gitter erscheint (siehe Bild unten, linke Seite: Hexagonales Gitter). Bei steigender Temperatur nimmt die Bewegung der Bausteine kontinuierlich zu, bis diese ihre festen Plätze verlassen und sich umeinander bewegen können. Nun haben wir eine Flüssigkeit. Bei weiterer Temperaturerhöhung verlassen die Bausteine den gemeinsamen Verband und bewegen sich frei umher. Wir haben es nun mit einem Gas, dem dritten Aggregatzustand oder der 'gasförmigen Phase' zu tun. Wird die Temperatur der Materie weiter gesteigert, so bewegen sich die Teilchen so schnell, dass sie bei Zusammenstößen Ladungsträger (Elektronen), die in den Teilchen vorhanden sind, verlieren. Das Gas wird 'ionisiert' und durch die vorhandenen freien Ladungsträger elektrisch leitfähig, womit es sein Verhalten komplett ändern kann. Wir sprechen nun von einem neuen, dem vierten Aggregatzustand, dem Plasma.
Wie entstehen Plasmen ?
Thermische Anregung: Ein Gas wird durch Erhöhung der Temperatur in den Plasmazustand überführt. Dies geschieht ab etwa 1200°C, wie z.B. in einer Flamme (schwach ionisiertes Plasma). Das Gas der Sonne ist bei einer Oberflächentemperatur von ca. 5500°C vollständig ionisiert. Diese Plasmen senden ein thermisches Leuchten (Glühen) aus. Elektrische Anregung: Legt man eine Hochspannung an ein Gas, so kann man daraus ein Plasma erzeugen. Freie Ladungsträger werden durch die elektrische Spannung so stark beschleunigt, dass sie weitere Ladungsträger aus den Atomen herausschlagen und das Gas weiter ionisieren. Bei der Rekombination der Ladungsträger wird Licht ganz bestimmter Farben ausgesandt. Dies macht man sich z.B. in Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen zu Nutze. Hier wird hauptsächlich Licht und nur wenig Wärme erzeugt. Das Leuchten ist also nicht-thermisch. Ionisation durch Strahlung: Wird Materie einer energiereichen Strahlung ausgesetzt, z.B. radioaktiver Strahlung oder dem UV-Licht der Sonne, so werden ebenfalls Ladungsträger herausgelöst, die ein Plasma bilden können. Dieser Vorgang der Photoionisation kommt oft in der Nähe von Sternen (Sonne) vor und bestimmt dort das Vorhandensein von Plasma, z.B. den Sonnenwind oder die Ionosphäre (äußerste Luftschicht der Erde).
Ein Blitz ist eine Funkenentladung oder ein kurzzeitiger Lichtbogen zwischen Wolken oder
zwischen Wolken und der Erde
Fusion in Deuterium-Tritium Plasma
Visualization courtesy of Jamison Daniel, Oak Ridge Leadership Computing Facility
Die Materie im frühen Universum Plasma: Am Anfang nur Quarks, Leptonen, Photonen, …
Bei Temperaturen
kT > 200 MeV
besteht das
primordiale
Plasma nur
aus Quarks,
Leptonen,
Gluonen, W & Z,
Photonen etc.
Protonen und
Neutronen
entstehen erst
bei Abkühlung
unter 200 MeV
10 µs nach dem
Urknall.
Universum
Baryonen-Dichte
Quark-Gluon Plasma im LHC Für kurze Zeit das frühe Universum simuliert, zu einer Zeit von Picosekunden nach Urknall
Nicht-thermische Plasmen in Jets
Schwarzes Loch
Jet Plasma
Magnetfeldlinien
Akkretionsscheibe
Jets werden von Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher erzeugt
Die Abschirmlänge – Debye-Radius
In der Plasmaphysik ist die Abschirmlänge λD , nach Peter Debye Debye-Länge oder Debye-Radius genannt, die charakteristische Länge, auf welcher das elektrische Potential einer lokalen Überschuss-ladung auf das 1/e-fache abfällt ( e: Eulersche Zahl).
Peter Debye Peter Debye (Taufname Petrus Josephus Wilhelmus, * 24. März 1884 in Maastricht, Niederlande; † 2. November 1966 in Ithaca, New York) war ein niederländischer Physiker, theoretischer Chemiker und Nobelpreisträger für Chemie. Debye leistete herausragende Beiträge in mindestens fünf Gebieten: im Bereich Quantenphysik: Debye-Theorie der spezifischen Wärmekapazität von Materie bei tiefen Temperaturen. in der Elektrochemie: Debye-Radius. in der Röntgenstrukturanalyse. in der Chemie elektrolytischer Lösungen: Debye-Hückel-Theorie.
Debye-Kugel
Je mehr Teilchen in der Debye-Kugel, desto stärker werden die elektrischen Felder der Elektronen und Ionen im Plasma abgeschirmt, was zur Quasineutralität führt.
Magnetisierte Plasmen
Geladene Teilchen – Ionen und Elektronen – werden in einem Magnetfeld auf Kreis- und Schraubenbahnen um die Feldlinien gezwungen. Die Teilchen sind auf diese Weise an die Feldlinien angebunden. In Längsrichtung der Magnetfeldlinien können sie sich dagegen unbeeinflusst bewegen. In einem geeignet geformten Magnetfeldkäfig kann ein Plasma daher eingeschlossen und von materiellen Wänden ferngehalten werden.
Änderung im Erdmagnetfeld
Daten: SWARM/ESA
The magnetic field changes in a chaotic manner, and we do not know why it changes in the way it does nor how it will evolve in the future.