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Wie man den vierten Materiezustand herstellt

Vom Gas zum Plasma

Schon in der Schule lernen wir, dass es drei Aggregatzustände gibt: fest, flüssig und gasförmig. Die Atome oder Moleküle eines Stoffs verändern dabei je nach Druck und Temperatur ihr Verhalten. Doch bereits 1927 entdeckte der US-Chemiker Irving Langmuir, dass es jenseits dieser drei Phasen der Materie noch eine weitere gibt – das Plasma.

Phasenübergänge
Phasenübergänge der Aggregatzustände fest, flüssig, gasförmig und Plasma. © Flanker/ gemeinfrei

„Befreite“ Elektronen

Die Bildung von Plasma beruht auf einem Phasenübergang – einem Zustandswechsel der Materie. Ein solcher Übergang findet auch beim Auftauen von Wassereis oder dem Verdampfen von flüssigem Wasser statt. Der Grund ist die Reaktion der Wassermoleküle auf die Energiezufuhr: Je mehr Energie zugeführt wird, desto stärker bewegen sich die Wassermoleküle – und desto loser werden die Bindungen zwischen ihnen. In Eis sind sie noch relativ eng und fest durch Wasserstoffbrücken miteinander verknüpft, doch im flüssigen Wasser werden diese Bindungen länger und weniger. Führt man nun noch mehr Hitze zu, entsteht Wasserdampf. In ihm besitzen die H2O-Moleküle so viel Energie, dass sie stark vibrieren und durcheinanderrasen – sie werden zum Gas.

Doch was passiert, wenn man einem Gas noch mehr Energie hinzufügt? Die Atome bewegen sich zunächst noch stärker und kollidieren häufiger miteinander. An einem bestimmten Punkt jedoch wirkt sich die zunehmende Energie auch auf die Atome selbst aus: Die Elektronen werden auf weiter außen liegende und damit energiereichere Orbits um den Kern angehoben. Hält nun die Energiezufuhr weiter an, kommt es zur Ionisation: Durch die Kollisionen werden Elektronen von ihren Atomen wegkatapultiert und fliegen frei im Gas umher. Es entsteht ein Gemisch aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Ionen – ein Plasma.

Blitz
Beim Blitz entsteht durch die enorme Spannung ein Plasma im Blitzkanal. © Flanker/ gemeinfrei

Hitze und elektrische Felder

Eine extreme Variante der Plasmabildung durch Hitze können wir in der Sonne und anderen Sternen beobachten. Temperaturen von mehreren Millionen Grad und ein Druck von Milliarden Atmosphäre komprimieren den Wasserstoff im Sonneninneren und trennen die Elektronen von den Protonen. Ein Teil der Protonen verschmilzt in der Kernfusion zu schwereren Elementen. Der Rest bildet ein heißes, dichtes und vollständig ionisierte Plasma – das Grundmaterial unseres Sterns.

Doch Hitze ist nicht der einzige Weg, um Plasma zu erzeugen: Auch durch starke elektrische Felder kann ein Gas in den Plasmazustand gebracht werden. Beobachten können wir dies unter anderem beim Blitzschlag, durch den sich die in Gewitterwolken angereicherte Spannung in Sekundenbruchteilen entlädt. Mit mehreren zehntausend Volt rast dabei der Blitz durch die Luft und verwandelt dabei die Luftmoleküle im Blitzkanal in ein heißes Plasma.

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Weniger dramatisch, aber dafür alltäglicher, findet die Plasmabildung durch elektrische Felder in Leuchtstoffröhren statt. Auch hier sorgt elektrische Spannung für die nötige Energie, um Neon oder ein anderes Edelgas in Plasma zu verwandeln. Durch Kollisionen mit Elektronen werden die Gasatome ionisiert – allerdings nicht vollständig: Nur ein Teil der Neonatome hat ein Elektron verloren, andere Atome sind dagegen nur angeregt.

Polarlicht
Auch das Polarlicht beruht auf Plasma. Sein Leuchten entsteht durch die Anregung und Ionisierung von Gasmolekülen. © NASA/Jack Fischer

Was das Plasma zum Leuchten bringt

Das typische Leuchten vieler Plasmen kommt zustande, wenn sich die freien Elektronen wieder mit den Gasionen vereinen oder aber von einem höheren Orbit in den Grundzustand zurückfallen. Denn wie die klassischen drei Aggregatzustände ist auch der Plasmazustand weitgehend reversibel: Sinkt der Energiegehalt, rekombinieren sich Ionen und Elektronen und werden wieder zum neutralen Gas. Gerade bei Plasmen, die aus molekularen Gasen entstehen, kann es dabei allerdings auch zu chemischen Veränderungen kommen. Bei einem Blitz beispielsweise rekombinieren sich die Sauerstoffatome teilweise zu Ozon (O3) statt zu zweiatomigem Sauerstoff.

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Plasma – der vierte Zustand der Materie
Ein physikalisches Phänomen als Werkzeug der Zukunft

Am Anfang war das Plasma
Das Wesen des vierten Zustands

Vom Gas zum Plasma
Wie man den vierten Materiezustand herstellt

Zwischen kalt und extrem heiß
Plasma ist nicht gleich Plasma

Von Feldern verformt
Die Wirkung von Magnetfeldern auf Plasma

Keimkiller und Wundheiler
Kaltes Plasma in der Medizin

Antriebsdüsen und feine Schnitte
Plasma-Anwendungen in Technik und Raumfahrt

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