プラズマ

プラズマは、荷電粒子がかなりの割合で存在することを特徴とする、固体・液体・気体と並ぶ物質の4つの基本的な状態の1つ。狭義のプラズマとは、気体を構成する分子が電離し陽イオンと電子に分かれて運動している状態であり、電離した気体に相当する。プラズマは、中性ガスを加熱するか、強い電磁場にさらすことによって人工的に生成することができる。 主に恒星に存在する、宇宙で最も豊富な通常の物質の形態であるが、希薄な銀河間ガスや、銀河団ガスも支配している。

1. 概要
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プラズマは荷電粒子群と電磁場が相互作用する複合系である。粒子の運動は電磁場を変化させ、電磁場の変化は粒子の運動にフィードバックされる。プラズマは固体、液体、気体のいずれとも異なる特有の性質を持つため、物質の第4の状態ともいわれる。狭義のプラズマとは、気体を構成する分子が電離し陽イオンと電子に分かれて運動している状態であり、電離した気体に相当する。狭義のプラズマは、プラズマの3要件

その物質系の大きさ L がデバイの長さ λD より十分大きくなければならない。すなわち L ≫ λD。
考えている現象の時間スケール t がプラズマ振動の周期よりも長くなければならない。すなわち t ≧ 1/ωpe。
半径が λD の球の中の粒子数 Λ が充分大きくなければならない。すなわち Λ ≫ 1。Λ をプラズマ・パラメタという。をみたす。
電離層、太陽風、星間ガスなどがプラズマ状態であり、宇宙の質量の99%以上はプラズマ状態である。人工的には、レーザーやマイクロ波の照射により気体を電離させることで生成され、プラズマプロセスや原子核融合など、多様な工学的応用がなされている。広義のプラズマは、プラズマの3要件の一部をみたさず、非中性プラズマ、強結合プラズマなどを含んでいる。強結合プラズマは、プラズマ粒子が自由に動けず液体や固体に似た振る舞いをする。プラズマ中では、電流や磁場に沿ってフィラメント状の発光領域が観測できるなど、特有の構造が形成される。また、プラズマ中では、プラズマ波動、プラズマ不安定性、発光現象などの特有な物理現象が見られる。

プラズマの3要件や、物理現象の詳細な記述はプラズマ物理を参照のこと。

2. 歴史
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プラズマはクルックス管の中で初めて認識され、1879年、クルックスの著書でradiant matterと記述されている。続いて、1897年、クルックス管で発生した陰極線の正体を電子の流れと特定したのはトムソンである。ラングミュアは、1920年代、デバイ遮蔽やプラズマ振動などのプラズマの基本的性質を明らかにし、1928年、この物質を初めてプラズマと呼んだ。以降、プラズマに対する研究は宇宙物理学や、原子核融合などの工学的応用において進展している。

プラズマ物理#歴史も参照のこと。

3. プラズマの種類
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ここでは、プラズマの種類を区別するための基準をいくつか示す。

電離度電離度が低く、電気的に中性な分子が大部分を占めるプラズマを弱電離プラズマ  、もしくは低温プラズマ  と呼ぶ。一方、電離度が1となり、イオンと電子だけで構成されるプラズマを完全電離プラズマ  、もしくは高温プラズマ  と呼ぶ。電離度はサハの電離公式から計算できる。

圧力や粒子密度大気圧下で発生させたプラズマを大気圧プラズマ、真空中で発生させたプラズマを真空プラズマ、もしくは低圧プラズマと呼ぶ。

大域的な磁場の有無大域的な磁場がある系を磁化プラズマ  、大域的な磁場がない系を非磁化プラズマと呼ぶ。磁化プラズマでは、プラズマ粒子は磁力線の周りをサイクロトロン運動し、磁力線に垂直な方向の移動は制限される。このため、磁力線に対して平行方向の温度と、垂直方向の温度は異なることがあるほか、誘電率はテンソルとなる。

近似の程度プラズマを荷電粒子からなる多体系と捉える場合をプラズマの粒子モデルと呼ぶ。プラズマ粒子のクーロン衝突やサイクロトロン運動が粒子モデルによる記述である。また、プラズマ粒子の速度を分布関数によって近似する場合を運動論的モデルと呼ぶ。さらに、プラズマの速度分布関数がマクスウェル分布であると仮定できる場合を流体モデルと呼ぶ。最後に、イオン流体と電子流体を結合して一体の流体として扱う場合を磁気流体力学  モデルと呼ぶ。

電気的中性の有無等量の正電荷と負電荷から構成され電気的に中性なプラズマを中性プラズマ、正または負どちらか一方のみの荷電粒子から構成されたプラズマを非中性プラズマと呼ぶ。ソレノイドコイルによる一様磁場と、複数のリング電極による静電場から構成される電磁場配位を用いれば、電子プラズマの閉じ込めができる。このようにして集めた電子プラズマを減速材として用いて、陽電子を捕獲して蓄積することで、反物質プラズマを大量に生成できる可能性がある。

熱エネルギーとクーロンエネルギーの比粒子間のクーロンエネルギーに比べて熱エネルギーの大きいプラズマを弱結合プラズマ、そうでない場合を強結合プラズマと呼ぶ。強結合プラズマは、プラズマが自由に動くことができない状態であり液体状態に相当する。宇宙空間では白色矮星の内部などに存在し、プラズマ密度は固体密度を大きく越える。実験室内においては、固体中の伝導電子、電解質、微粒子プラズマが強結合プラズマに含まれる。微粒子プラズマのクーロン結晶化の研究が進められており、産業への応用も期待されている。

量子化の有無プラズマ振動を量子化したものはプラズモンと呼ばれる。

4. 自然界における例
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4.1. 地球
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地球上では、雷や電離層などが代表的であり、地球電磁気学や超高層大気物理学によって研究される。

マーチソン広視野電波干渉計を用いた観測によって、高度約600kmの電離層上部からその上のプラズマ圏に向かって地磁気に沿って伸びるチューブ状のプラズマ構造物の存在が確認されている。

我々の生活に必要不可欠な火もプラズマの一種である。

炎火は燃料の酸化によって高温となり、燃料の一部が電離してプラズマ状態になっている。ろうそくの炎が高電圧をかけた電極に引き寄せられるといった簡単な実験を通して、プラズマの存在を身近なものとして理解できる。炎の中に金属化合物などを入れると、炎色反応により元素特有のスペクトルを放射する。ただし、有機物を燃焼させた際の炎の色は原子スペクトルではなく、主に炭素の黒体放射に由来する。

雷雷は帯電した雲と大地の間で生じる火花放電である。火花放電では、高電圧により加速された電子によって大気が電離しプラズマ状態となる。また、イオンが大地に衝突したときに2次電子がプラズマ内に供給される。

電離層太陽からの紫外線により、地上から100km付近の大気が電離しプラズマ状態となったものである。電離層は中性大気とプラズマが混在する弱電離プラズマである。電子密度分布は、紫外線による電子生成率と、電子とイオンの再結合などの電子減少率との釣り合いから求まる。

オーロラオーロラは太陽風から供給された電子線が地磁気に沿って降下し、電子線によって励起された大気中の酸素や窒素が発光する現象である。

//その他の地球におけるプラズマに、中間圏発光現象、セントエルモの火、球電、地震などがある。//

4.2. 宇宙
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宇宙空間においては全宇宙の質量の99%以上がプラズマであり、プラズマは最もありふれた物質の状態である。地球と太陽の近傍の宇宙の物理現象を扱う太陽地球系物理学、宇宙スケールの現象をプラズマと関連付けて探究するプラズマ宇宙論、天体における物理現象を扱う天体物理学などの研究領域がある。

太陽太陽はプラズマ状態である。2006年9月に打ち上げられた太陽観測衛星「ひので」によって、太陽を取り巻くプラズマ化した大気の中で起こっている活発な現象を、より詳細に観測・研究できるようになった。

クォークグルーオンプラズマクォークグルーオンプラズマ  とは、高温・高密度状態において存在すると予想されているクォークおよびグルーオンからなるプラズマ状態である。

//その他の宇宙におけるプラズマに、ヴァン・アレン帯、磁気圏、太陽風、彗星の尾、星間物質、降着円盤、星雲などがある。//

5. 工学的な応用例
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気体中の放電や、気体をレーザーやマイクロ波などで加熱することで生成される。種々な特性のプラズマが工学的に応用されており、以下ではいくつかの工学的応用例を示す。

蛍光灯、ネオンサイン蛍光灯はクルックス管の一種であり、グロー放電により水銀をプラズマ状態とし、紫外線を発光することを利用している。ネオンサインは、アルゴンやキセノンなどをグロー放電によりプラズマ状態とし、封入気体固有の波長で発光することを利用している。グロー放電によるプラズマは放電プラズマに分類される。

プラズマプロセスドライエッチングは、プラズマにより生成したイオンやラジカルを利用して半導体材料の微細加工を行う技術である。

アルカリ金属を内包したナノチューブなどの超分子材料の作成にも利用される。プラズマを利用したダイヤモンドライクカーボン  の生成法として、プラズマイオン注入成膜