プラズマ（電離した物質と関連概念）

主な特性

プラズマを記述する重要な概念には、準中性（大域的には電荷がおおむね釣り合うこと）、デバイ遮蔽（電場が局所的に遮蔽されること）、プラズマ振動（電荷の集団運動）がある。プラズマは、粒子が同じ温度を共有する熱的プラズマと、電子集団とイオン集団が異なる状態にある非熱的プラズマに分けられる。また、部分電離した低温のプロセス用プラズマから、恒星中心部にある完全電離した高温プラズマまで、幅広い状態をとる。

分類と現象

プラズマは、電離度、温度、衝突性、磁化の程度によって分類される。磁化プラズマは外部から加えられた磁場と強く相互作用し、磁気リコネクション、サイクロトロン運動、電磁流体力学的波動などの現象を支えうる。このほか、乱流、不安定性、粒子加速も一般的な過程である。

存在する場所

• 天体物理学的環境：恒星、恒星大気、星間物質、降着円盤。
• 宇宙空間と地球近傍：太陽風、惑星磁気圏、オーロラ。
• 地上および実験室：雷、蛍光灯とネオン灯、プラズマディスプレイ、実験室用核融合装置。

応用と技術

低温プラズマは、半導体製造、薄膜堆積、表面処理、滅菌に広く利用されている。高温プラズマは、制御核融合の研究、たとえばトカマクやステラレーターにおいて中心的な対象であり、イオンスラスターやホール効果スラスターなどの宇宙推進の概念にも関わる。分光法、プローブ、マイクロ波法などのプラズマ診断は、これらの系を理解し制御するために不可欠である。

歴史と関連概念

物理学における「プラズマ」という用語は、20世紀初頭に広く用いられるようになった。粒子衝突型加速器で生成されるクォーク・グルーオン・プラズマなど、これとは別個ながら関連する高エネルギー状態も、閉じ込められていない構成要素を含むことから同じ名称を共有している。プラズマ科学は実験室、産業、宇宙、天体物理学の領域にまたがり、その複雑さと技術的重要性のため、現在も活発な研究分野である。