Plasma - a patra stare de agregare a materiei

În fizică, plasma reprezintă o stare a materiei, fiind constituită din ioni, electroni și particule neutre (atomi sau molecule). Poate fi considerată ca fiind un gaz total sau parțial ionizat, pe ansamblu neutru din punct de vedere electric. Totuși, este văzută ca o stare de agregare distinctă, având proprietăți specifice. Temperatura plasmei obținute în laborator poate lua valori diferite pentru fiecare tip de particulă constituentă. De asemenea, aprinderea plasmei depinde de numeroși parametri (concentrație, câmp electric extern), fiind imposibilă stabilirea unei temperaturi la care are loc trecerea materiei din stare gazoasă în plasmă.

Datorită sarcinilor electrice libere plasma conduce curentul electric și este puternic influențată de prezența câmpurilor magnetice externe. În urma ciocnirilor dintre electroni și atomi pot apărea fenomene de excitare a atomilor, urmate de emisii de radiație electromagnetică. Dacă frecvența radiației emise are valori în domeniul vizibil, se pot observa fenomene luminoase. Atunci când energia electronilor este suficient de mare, atomii sunt ionizați, creându-se noi sarcini, pozitive și negative.

Cu toate ca plasma este o stare de agregare prea puțin cunoscută, se estimează că ar constitui 99% din materia Universului. Stelele sunt alcătuite din plasme dense, fierbinți, în timp ce materia interstelară este o plasmă rarefiată și rece. Temperaturile ridicate din interiorul stelelor permit formarea reacțiilor de fuziune nucleară ce asigură eliberarea unor cantități imense de energie. Fenomenele care au loc în plasmă determină emisia de radiație electromagnetică în domeniul vizibil, de aici și strălucirea caracteristică stelelor.

Tipul de plasmă	Concentrație (cm−3)	Temperatură (K)	Temperatură (eV)	Lungime Debye (cm)
Interiorul stelelor	1023-1026	108	104	10−6
Plasma fierbinte, densă	1012	106	102	10−2
Plasma fierbinte, rarefiată	1014-1016	106	102	10−4
Coroana solară	106-108	106	102	10
Gaz interstelar	1-102	104	1	103-104
Gaz interplanetar	102-103	104	1	10-100
Ionosfera, strat F	106	103	10−1	10−1
Ionosfera, strat D	103	103	10−1	1-10

1 eV = 1.6×10⁻¹⁹  J

Printre aplicațiile plasmei în natură, una dintre cea mai cunoscută este televizorul sau monitorul cu plasmă. Pixelii sunt redați cu ajutorul unei rețele de mici incinte în care se formează plasma. Pentru fiecare pixel există câte trei astfel de incinte. Pereții lor sunt acoperiți cu substanțe fluorescente care emit cele trei culori principale, roșu, albastru și verde. Intensitatea lor este controlată prin intermediul curentului electric aplicat fiecărei celule în parte. O altă ”aplicație” arhicunoscută este focul, care produce plasmă doar la temperaturi foarte ridicate, moment în care gazele se pot ioniza.

În imagine, heliul, kriptonul și neonul sunt ionizate în tuburi de sticlă. Câmpul electromagnetic al globului de plasmă desprinde electronii de pe atomi, iar în timp ce se întorc pe orbitalii lor emană lumina caracteristică spectrului propriu.

Întrebarea zilei: Ce este un pulsar?

Pulsarul este o stea foarte mică (cu o rază de 10-15 km), dar foarte densă, ce emite energie sub forma unui flux de particule electromagnetice concentrat la polii magnetici ai stelei. Ținând cont că axa magnetică a stelei nu coincide cu axa sa de rotație, radiația, privită dintr-un punct din spațiu, este văzută așa cum ar fi observată lumina unui far. Pulsarul poate fi detectat (cu ajutorul unui radiotelescop) doar când fluxul e îndreptat spre Pământ.

Primul pulsar a fost observat la 28 noiembrie 1967, de către Jocelyn Bell Burnell și Antony Hewish. Ei au observat impulsuri separate de 1.33 secunde, care proveneau de la aceeași locație de pe cer. Când au fost realizate observații cu un alt telescop și s-a confirmat emisia, au fost eliminate orice fel de suspiciuni ce spuneau ca ar fi vorba de efecte instrumentale. În acel moment, Burnell notează "nu am crezut cu adevarat că am surprins semnale de la o altă civilizație, dar, evident, ideea a trecut prin mințile noastre și nici nu am avut nicio dovadă că aceasta ar fi fost o emisie radio în întregime naturală."Chiar și așa, ei au poreclit semnalul LGM-1 "omulețul verde".

Descoperirea pulsarilor a permis astronomilor să studieze un obiect ce nu a mai fost observat înainte, steaua neutron. Acest tip de obiect este singurul loc în care comportamentul materiei la densitatea aproximativă pe care o are și în nucleu se poate observa (deși nu în mod direct). 

O stea neutron este un obiect cu o masă extrem de mare dar cu dimensiuni atât de mici are o densitate de-a dreptul enormă: de aproximativ de 400 de trilioane de ori mai mare decât densitatea apei. Această densitate este apropiată de cea din interiorul nucleului atomilor, în condițiile în care stelele neutronice sunt incomparabil mai mari decât atomii.

Forța gravitațională a unei astfel de stele este suficient de mare pentru a genera reacții la nivel atomic, unde electronii se combină cu protonii pentru a forma neutroni. De aici vine și numele acestei categorii de obiecte, stele neutronice, deși nu sunt alcătuite doar din neutroni și nu mai au mai nimic în comun cu stelele obișnuite (obiecte care strălucesc din cauza reacțiilor de fuziune nucleară ce au loc în nucleul lor, pe când stele neutronice nu emit lumină).

Această îmbinare a unor elemente precum un câmp gravitațional foarte puternic, o uriașă densitate, o compoziție chimică stranie, câmpuri magnetice foarte puternice și temperaturi înalte fac din stelele neutronice unele dintre cele mai ciudate obiecte din Univers. Momentan știința nu dispune de un model fizic complet al interiorului unei stele neutronice, ci doar de aproximări enunțate cu instrumentele din prezent ale fizicii cuantice

Din 1967 și până în prezent astronomii au identificat numeroși pulsari. Unii dintre aceștia sunt niște adevărate ceasuri de mare precizie ale Universului, rotindu-se și emițând pulsații de energie în mod regulat. Cei mai rapizi pulsari se pot roti de sute sau chiar de mii de ori pe secundă.

Și, chiar dacă toate stelele neutronice au un câmp magnetic extrem de intens, cele cunoscute drept "magnetari" depășesc chiar orice imaginație. Magnetarii sunt o categorie de stele neutronice relativ rare. Deocamdată astronomii au descoperit doar 21 de astfel de stele. Aceste stele au câmpuri magnetice mai mari decât orice obiect cunoscut — de peste 100 de trilioane de ori mai puternice decât câmpul magnetic al Pământului.

Un astfel de magnetar se află la aproximativ 1 an lumină de gaura neagră supergigantică aflată în centrul galaxiei noastre, Calea Lactee. Lumina și radiațiile emise din discul fierbinte din jurul acestei găuri negre, trece pe lângă acest magnetar înainte de a ajunge la noi. Cu această ocazie, câmpul magnetic extrem de intens al magnetarului deviază traiectoria luminii. Prin măsurarea acestei deviații, astronomii au reușit să cartografieze caracteristicile mediului magnetic din apropierea centrului galactic — acțiune care ar fi fost imposibilă dacă acest magnetar nu s-ar afla acolo unde se află.

Ca aplicabilitate a acestor stele neutronice, hărțile cu pulsari au fost incluse în proiectul de pe nava Voyager. Acestea arată poziția Soarelui în relație cu 14 pulsari, care sunt identificați în funcție de perioada unică de timp a pulsului electromagnetic, astfel încât poziția noastră în spațiu să poată fi calculată și de presupune ființe extraterestre.

https://www.youtube.com/watch?v=gjLk_72V9Bw

NANOTEHNOLOGII

Nanotehnologie este un termen colectiv pentru dezvoltăriile tehnologice la scară nanometrică. În sens larg, nanotehnologia reprezintă orice tehnologie al cărei rezultat finit e de ordin nanometric: particule fine, sinteză chimică, microlitografie avansată, ş.a.m.d. Într-un sens restrâns, nanotehnologia reprezintă orice tehnologie ce se bazează pe abilitatea de a construi structuri complexe respectând specificaţii la nivel atomic folosindu-se de sinteza mecanică. Structurile nanometrice nu numai că sunt foarte mici, ajungându-se chiar până la scara atomică, dar ele posedă unele proprietăţi total deosebite şi neaşteptate, în comparaţie cu aceeaşi substanţă luată la nivel macroscopic.

Aplicatii :

1. ENERGIE ŞI MEDIU ÎNCONJURĂTOR

• panouri solare noi pentru colectarea unei cantităţi mai mari de energie solară şi pentru mai multă eficienţă energetică în cazul conversiei energiei solare în energie electrică

• nanoparticule pentru eliminarea agenţilor poluanţi din apă şi sol

• materiale noi pentru utilizarea hidrogenului şi apei drept combustibil pentru automobile

• surse noi de lumină care utilizează mai puţină energie

2. MEDICINĂ

• medicamente mai eficiente specifice diferitelor boli

• dispozitive portabile mici, purtate în interiorul hainelor, utile în monitorizarea stării de sănătate a unei persoane

• materiale moderne pentru fabricarea unor dispozitive prostetice care să fie mai uşor suportate de corp

• nanoparticule care să îmbunătăţească generarea imaginii ţesuturilor şi celulelor afectate de o boală

3. Tehnologia informaţiei şi comunicaţiilor (TIC)

• hârtia electronică
• microprocesoarele computerelor care pot stoca mai multe informaţii şi care sunt mai rapide
• dispozitive mici din interiorului materialelor textile, care pot stoca energia pe care o persoană o produce când merge
• acumulatoarele de la computere care au durata de viaţă mai lungă şi sunt mult mai uşoare.

Exemplul 1: Geacă

O geacă care conţine un sistem de poziţionare globală, integrat în materialul textile, care nu poate fi interrupt şi care este util deoarece face posibilă localizarea persoanelor, oriunde s-ar afla acestea. Acest dispozitiv este alimentat de un nanomaterial care se află în interiorul gecii şi, de asemenea, colectează energia.

Exemplul 2: Ochelari de soare
Aceşti ochelari de soare protejează ochii de razele UV. Lentilele ochelarilor au celule solare care reacţionează repede la culoare, realizate din nanomateriale. Acestea colectează energia solară şi o convertesc în energie electrică utilă dispozitivelor de dimensiuni mici, precum telefoane mobile şi playere mp3.

Exemplul 3: Lab-on-a-Chip

Un lab-on-a-chip este mai mic decât un card de credit, dar poate efectua o analiză a sângelui. În loc să ducă mostre la laborator, medicii vor putea să le utilizeze în cabinetul de consultaţie. În acest dispozitiv se află sute de locuri de detectare de mărimea unui nano, care pot recunoaşte “semnele” unei boli, de exemplu un anumit tip de virus. Locurile de detectare pot fi toate utilizate concomitant şi pot asigura diferite analize într-o perioadă scurtă de timp.

Premiul Nobel pentru Fizica- 2009

Premiul Nobel pentru Fizica 2009 a fost atribu.it americanilor Charles K. Kao, Willard S. Boyle si George E. Smith pentru descoperiri exceptionale in domeniul transmiterii luminii prin fibra optica si inventarea unui nou tip de circuit semiconductor.

         Nobelul pentru fizică recompensează realizările fizicienilor care au contribuit la definirea fundamentelor societăţilor interconectate de astăzi, cei trei realizând inovaţii practice pentru viaţa de zi cu zi şi noi instrumente de explorare ştiinţifică, se arată în comunicatul Comitetului Nobel.

Charles K. Kao (China, Marea Britanie), Willard S. Boyle (SUA) si George E. Smith (SUA) au fost recompensati cu premiul Nobel pentru descoperirea mecanismului de rupere spontană a simetriei în fizica subatomică ("broken symmetry"), respectiv pentru descoperirea originii acestui fenomen, care poate prezice existenţa a cel puţin trei familii de particule (quark) ce intră în componenţa nucleonilor, pentru descoperirile uimitoare in domeniul transmiterii luminii prin fibre optice, pentru inventarea senzorului CCD (charge coupled device). Această tehnologie utilizează efectul fotoelectric, teoretizat de Albert Einstein. Prin acest efect, lumina este transformată în semnale electrice. CCD este "ochiul electronic al camerei digitale", care revoluţionează fotografia, acum lumina putând fi captată electronic, nu printr-un film.

         Astăzi fibrele optice alcătuiesc sistemul de comunicaţii al societăţii noastre. Aceste fibre optice de densitate mare asigură comunicaţiile în bandă largă, la nivel mondial, cum ar fi Internetul. Fluxul de lumină circulă dintr-o parte în alta şi asigură funcţionarea aproape totală a telefoniei şi a traficul de date. Şi astfel, text, muzică, imagini şi video pot fi transferate din întreaga lume într-o fracţiune de secundă.

MiniPHI 2006