身近なプラズマいろいろ

オーロラ、炎、稲妻、星雲、太陽コロナ、蛍光灯、ネオンサイン、プラズマテレビなど、身近には色々なプラズマがあります。これらにある共通点がありますよね。そう、「光っている」ことです。前回プラズマでは、原子から電子が剥がれる（電離する）と説明しましたが、逆に原子に電子が戻ることもあります。その時に光を発するのです。だから、ガス状のものが光っていると思ったら、それは大抵プラズマです。そういえば「火の玉」もプラズマだという話があります。（実際に火の玉を見たことありませんが）

上の絵に、色々なプラズマを整理してみました。横の軸は、1立方センチメートルの中に何個の電子（またはイオン）が電離して存在するかという数（密度）です。10の右肩に数字を付けたものは、「10のべき乗」といって、すごく大きな数字を表すときに使います。ちなみに、空気（０℃、１気圧）の気体分子の密度は、10の19乗くらいです。ですから、数字自体は大きいですが、空気より密度は小さいということになります。縦の軸は、温度を表しています。

これらの内、比較的温度の低い、オーロラ、炎、稲妻は、気体の全てが原子・分子が電離しているわけではなくて、ごく一部だけです。このようなプラズマを「弱電離プラズマ」と言います。このプラズマは、電子だけが温度が高い（イオンは低い）ので、上の絵では、電子の温度を表しています。絵には載せませんでしたが、蛍光灯の電子は１万度にもなります。どうして蛍光灯を触っても火傷しないのででしょうか。それは、ごく一部の電子が高温なだけで、他のほとんどの気体分子やイオンは温度が低いので、平均すると火傷するような熱さにはならないのです。

一方、比較的温度の高い星雲、太陽コロナなどは、完全に電離してしまっているので、「完全電離プラズマ」と呼ばれます。こちらは、イオンの温度も高くなります。お気付きかもしれませんが、完全に電離していたら、イオン＝原子核です。将来の核融合発電に必要なプラズマを研究している大型ヘリカル装置のプラズマもほぼ完全電離プラズマで、イオンの温度が1億度にもなります。

上の絵に、太陽の中心部がないのですが、これは別格です。粒子の密度が10の26乗もあり、上の絵には入りきらないのです。比重にすると、金属でも重たい鉛の10倍以上で、プラズマにもかかわらず、あたかも固体状態です。ここでははるか昔から自然に核融合反応が持続しています。