Plasmazustände

Plasmazustände bezeichnen Zustände der Materie, in denen ein wesentlicher Anteil der Atome ionisiert ist und freie Elektronen sowie Ionen existieren. Plasma wird oft als vierter Aggregatzustand betrachtet und zeichnet sich durch kollektive elektromagnetische Effekte, hohe Leitfähigkeit und die Bildung von Feldern über größere Skalen aus. Typische Eigenschaften sind die Debye-Abschirmung, die Plasmenfrequenz und eine starke Wechselwirkung von Teilchen und Feldern, die zu wellenartigen und gerichteten Phänomenen führt.

Ionisationsgrad und Temperatur bestimmen den Charakter eines Plasmas. Plasmen können von kalten (niedrigen Temperaturen, teils nur teilionisiert) bis zu heißen oder thermischen Plasmen reichen, bei denen Elektronen- und Atomtemperaturen vergleichbar sind. Typische Temperaturen reichen von einigen Tausend Kelvin bis zu mehreren Million Kelvin; Dichten variieren stark je nach System von wenigen Molekülen pro Kubikzentimeter bis hin zu hohen Werten in Sternen.

Klassifikation: Kaltes Plasma, warmes Plasma, heißes (thermisches) Plasma; Nichtgleichgewichtsplasma (Elektronen-Temperatur unterscheidet sich von der schweren Teilchen-Temperatur) versus thermodynamisches Gleichgewicht. Vollständig ionisiertes Plasma vs. teilweise ionisiertes Plasma.

Entstehung und Vorkommen: Plasmen entstehen durch elektrische Entladungen, Laser- oder Mikrowellenanregung, oder in astrophysikalischen Umgebungen wie dem interstellaren Medium oder Sternen. In der Technik werden Plasmen in der Halbleiterfertigung, beim Plasmaschneiden, in Beschichtungsverfahren, der Sterilisation sowie in Lichtquellen genutzt.

Für die Beschreibung von Plasmen kommen Konzepte wie Modelle (Boltzmann- oder Vlasov-Gleichungen), Debye-Länge, Plasmafrequenz und Nichtgleichgewichtsprozesse zum Einsatz.