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ここにはプラズマに関連した色々な話題が掲げてあるが、中で「プラズマの物理」に関しては別項目プラズマ物理をたてて記載したので、そちらを参照のこと。

◆ 総説

プラズマ (plasma) は一般には電離した気体のことを指す。通常の気体を構成する中性分子が電離し、正の電荷をもつイオンと負の電荷をもつ電子とに別れて自由に飛び回っている、全体として電気的に中性な物質である。しかし、構成粒子が電荷をもつため、粒子運動がそれ自身のつくり出す電磁場と相互作用を及ぼしあうことにより、通常の分子からなる気体とは大きく異なった性質をもつ。そのためプラズマは物質の三態、すなわち固体・液体・気体とは異なった、物質の第四態といわれることもある。物質の四態は、古代ギリシャで考えられていた世界を形成する4つの根源であり、『地』は固体、『水』は液体、『空気』は気体、『火』はプラズマ(炎はプラズマの一種)に対応するとして、William Crookesが、放電現象に対して第4の物質の状態という言葉を最初に用いたと言われている。

物質の第四態と言われることもあるプラズマは、必ずしも物質の第三態である気体の必要はない。また、プラズマを定義する場に、本来は無関係な相の概念を持ち出してきて、物質の第●態といった記述によって、認識に混乱を招くことは好ましくない。「ほぼ同数の正負の電荷が混在する気体」といった回答では、試験などで点数が取れないことがある。これからプラズマについて学ぶ人は、この点に十分な注意が必要である。より正確な定義は、「電荷群が不規則な熱運動をする力学系のなかで、2つの荷電粒子間の相互作用の及ぶ平均距離(デバイ(Debye)の遮蔽距離)よりも十分に大きな体積部分の呼称」となる。産業分野で用いられている、半導体のような固体や、イオン化された液体なども、電荷の状態によっては一般的な従来からのプラズマの範疇に含まれることがある。

プラズマは身近にも存在し、実験室内でも古くから真空放電の研究に伴って観察されていた。そこにある電離した気体自体を対象とした研究は1920年代のアーヴィング・ラングミュアに始まり、そこでシースやプラズマ振動の存在など、プラズマの基本的性質が次々と明らかにされた。そしてラングミュアは、1928年にこの物質状態に「プラズマ」という名前を与えた。さらに1950年代以降、エネルギー源としての熱核融合研究や宇宙空間でのプラズマの役割探求、さらには広く応用を進める上での基礎学問として、その研究が進展していった。

プラズマの特徴として、中に多数の自由電子があるため電流が極めて流れやすいという点が挙げられる。電流が流れればその近辺に電磁場を生じ、それがまたプラズマ自身の行動に大きく影響する。そのためプラズマ中では粒子は集団行動をとりやすく、全体として有機的な挙動が観測される。外部から電磁場を掛ければそれに強く反応する。こうした有機的挙動の1つの現れとして、プラズマ中には通常の気体中には存在しない、電場を復元力とする縦波であるプラズマ振動が存在する。

医学分野では血漿 (blood plasma) のことを、生物学では原形質 (protoplasm) をプラズマと呼んでいる。

◆ 身近なプラズマ

一般に気体中で放電することによって生成される。身近なプラズマの例としては、点灯している蛍光灯の内部も水銀ガスがプラズマになったものである。このことはグロー放電を起こしてそれからクルックス管である蛍光灯内のアルゴンやキセノン等に経路状に電流が流れ発光する事と同じである。なお、このグロー放電は放電プラズマの一種である。

我々の生活に必要不可欠な火(燃焼炎)もプラズマの一種である。他に強力な磁界をもつ高圧鉄塔の電線の周りには同心円状にプラズマが発生する。地下水脈で水が勢いよく岩盤にぶつかることでその空洞内に発生すると言われている。

電離層、オーロラ、太陽(恒星の内部)、太陽風(コロナ)、星間物質、科学博物館によく展示されているプラズマボールなどもその例である。

2006年9月に打ち上げられた太陽観測衛星「ひので (人工衛星)」によって、恒星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。

◆ プラズマの種類と産業への応用

プラズマには高温プラズマ(プラズマを構成する粒子すべての温度が高い状態、熱プラズマ)と、低温プラズマ(電子温度のみが高い)があり、金属の内部や蛍光灯の内部は低温プラズマと見なされる。高温な熱プラズマは数万ケルビンにも及び、地球上のあらゆる物質を溶かしてしまうため、高融点の材料の開発が求められている。

なお、種々のプラズマにより、核融合、プラズマディスプレイ、溶接、プラズマロケット、カーボンナノチューブをはじめとする立体構造を持つ様々な機能・特性を備えたハイテク新素材の生成技術など、その応用分野は広い。

プラズマは原子レベルで制御ができるため、人間の目では見えない非常に細かい穴を掘る(エッチング)作業を行うことができる。レーザーアブレーションは、固体材料に強力なレーザーを照射することで、固体材料を気化し高密度プラズマを得る技術である。薄膜作成、クラスター生成、材料加工、医療、エネルギーなどの広範な分野で応用されている、最も発展的な分野のひとつである。シリコンなどの半導体にイオンを注入する手法は以前からあったが、近年制御性に優れたプラズマイオンを照射する技術が確立されたことにより、さまざまな原子や分子を直接ターゲットに注入し、アルカリ金属内包ナノチューブをはじめとする新機能超分子構造物質の創製が可能になった。磁化プラズマを用いる分野では、スパッタの技術によってさまざまな機能性薄膜の形成が試みられている。高精度でプラズマを生成して制御する技術が確立した結果、従来よりもはるかに高品質のダイヤモンドを生成することにも成功している。

液中プラズマは、液体中でプラズマを発生させる技術である。液体に超音波で気泡を発生させて、その気泡に電磁波を照射することでプラズマを発生させる。周りが液体であるため、非常にたくさんの原料を溶液から供給することができ、さらに材料が高温に晒されて燃えるといったことなどがない利点を持つ。そのためプラスチックや紙などの母材にも、さまざまな物質をメッキすることが可能になる。

レーザープラズマ加速器は非常にコンパクトで高出力が得られる特徴を持つ。キャピラリー放電型プラズマチャンネルによって数十億電子ボルトのビーム加速に成功している。

核融合のプラズマから電力を得るには、猛烈な勢いを持つ荷電粒子を減速させるための逆電界を印加するだけでよい。粒子の運動エネルギーを直接電気エネルギーに変えることが出来るため、80%を超える極めて高い変換効率が実現可能である。従来の原子力のタービンを用いた熱-電気変換効率が30%程度であることを考えると、プラズマの直接発電は画期的と言える。

プラズマボールが放電によって電界と磁界を生み出す性質や、発生している電磁波を視覚的に捉えやすいことなどもあって、次世代型の健康的な電化生活環境を構築するための基礎研究用の実験装置として用いられている例もある。

半導体内での電子と正孔や、金属内の電子の振る舞いはプラズマと酷似しているため、固体プラズマと呼ばれる。

◆ 実験装置で作り出される特殊なプラズマ

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