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Plasma

Physik

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Basiswissen｜ Definition｜ Beispiele｜ Eigenschaften｜ Stöße｜ Wärmekapazität｜ Etymologie｜ Fußnoten


Basiswissen


Ein Plasma ist ein Teilchengemisch mit geladenen Teilchen: in der Physik versteht man unter einem Plasma ein Gemisch von Teilchen auf der atomaren oder molekularen Ebene. In dem Gemisch befinden sich dabei viele oder nur positiv und negative geladene Teilchen. [1] Doch nicht jedes Gas mit elektrisch geladenen Teilchen gilt als Plasma.



Bildbeschreibung und Urheberrecht
Man sieht die Sonne hinter schnell vorzeiziehenden Wolken.☛


Definition


DEFINITION:

Spektrum Lexikon: Als Plasma bezeichnet man "ein Gemisch aus freien Elektronen, positiven Ionen und neutralen Teilchen eines Gases, welche sich durch ständige Wechselwirkung untereinander und mit Photonen in verschiedenen Energie- bzw. Anregungszuständen befinden. Der Plasmazustand wird auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet." [1]

Das wird oft noch präzisiert:

DEFINITION:

Francis Chen: "Nicht jedes ionisierte Gas gilt als Plasma. Denn natürlicherweie gibt es in jedem Gas immer einen kleinen Anteil von Ionen. Eine nützliche Definition ist: ein Plasma ist ein quasi-neutrales Gas von geladenen und neutralen Teilchen, die als Ganzes ein kollektives Verhalten zeigen." [16]

Unter quasi-neutral ist dabei zu verstehen, dass von einer größeren Entfernung aus gesehen das Gas als Ganzes elektrisch neutral erscheint. Die elektrische oder elektromagnetische Wirkung der geladenen Teilchen beschränkt sich auf vergleichsweise kurze Abstände im Inneren des Gases oder am Rand.

Beispiele



Eigenschaften


Stöße


In einem Plasma stoßen die beteiligten Teilchen ständig aneinander. Dabei kommt es auch ständig zu neuen Ionisationen und Rekombinationen. Bei einer Ionisation in einem Plasma wird einem neutralen Atom eines oder mehrere Elektronen entrissen. Das Atom ist dann ein positiv geladenes Ion, ein sogenanntes Kation. Bei einer Rekombination werden die fehlenden Elektronen in der Hülle eines Kations durch vorher freie Elektronen wieder aufgefüllt. Das Atom ist dann wieder elektrisch neutral. Die Stöße zwischen den Atomen sind daher weniger elastisch (klassisches Billardkugelmodell) sondern meist inelastisch. Bei einem inelastischen Stoß wird vormals kinetische Energie in eine andere Energieform überführt oder umgekehrt. In einem Plasma ist diese andere Energieform die bei Ionisierung- und Rekombinationsprozessen benötigte der wieder frei werdende Energie. [2]

Wärmekapazität


Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie, bezogen auf eine bestimmte Masse, man benötigt, um die Temperatur eines Stoffes um einen bestimmten Betrag zu erhöhen. Die typische Einheit ist Joule pro Kilogramm und Kelvin (J/(kg·K)). Bei einem Plasma steigt die spezifische Wärmekapazität stark mit der Temperatur an. Je heißer ein Plasma ist, desto mehr Energie muss man zuführen, um es noch einen weiteren Kelvin heißer zu machen. Der Grund ist, dass "ein großer Teil der zugeführten Energie in Ionisationsprozessen verbraucht wird". Und damit ist die so verbrauchte zugeführte Energie nicht mehr in der Lage, die mittlere kinetische Energie der Teilchen, und damit ihre Temperatur, zu erhöhen. Da mit steigender Temperatur die ursprünglichen Moleküle und Atome immer stärker aufgespalten werden, zeigt der "Verlauf der spezifischen Wärmekapazität eines Plasmas [] deshalb eine Folge von Maxima, die das Auftreten einfacher, doppelter, dreifacher usw. Ionisation". [3]

Etymologie


Das Wort Plasma stammt aus dem Altgriechischen (πλάσμα) und bedeutete ursprünglich so viel wie etwas, das aus weichem Material [4], speziell aus Wachs, Ton [5] oder Gips Körperformen schafft. Spätestens im 19. und frühen 20. Jahrhundert stand Plasma im deutschen Sprachraum dann auch für die Blutflüssigkeit [5] [8] [9] sowie ein Ausprägung des Minerals Chalcedon. [5] [7] [8] [9] Ob bei der Benennung des Blutserums die ursprüngliche Bedeutung des Weichen eine Rolle gespielt haben, bleibt unklar. Bei der Benennung des Minerals verweist die rötliche Färbung von Punkten im benannten Mineral auf eine Assoziation zu roten Blutteilchen hin. [10] Die anfängliche Bedeutung von Weichheit und formhaftiger Körperlichkeit wurde damit aufgelöst.

Die erste Erwähnung von Plasma im heutigen physikalischen Sinn geht wahrscheinlich auf einen wissenschaftlichen Artikel aus dem Jahr 1928 zurück. Es geht um den Effekt, dass die beobachteten Geschwindigkeiten von Elektronen in einem ionisierten Gas (elektrisch geladene Teilchen) anders ist, als zunächst erwartet:


ZITAT:

Irving Langmuir, 1928: "In stark ionisierten Gasen bei niedrigen Drücken, beispielsweise in einer Quecksilberdampflampe, weisen die freien Elektronen eine Maxwell-Geschwindigkeitsverteilung auf, die Temperaturen von 5000 °C bis 60.000 °C entspricht. Die mittlere freie Weglänge der Elektronen kann jedoch so groß sein, dass gewöhnliche Stöße keine solche Geschwindigkeitsverteilung hervorrufen können. Elektronen, die von einer heißen Kathode beschleunigt werden (Primärelektronen) und ursprünglich einen Kathodenstrahl mit gleichförmiger Translationsbewegung bilden, nehmen rasch eine zufällige oder temperaturabhängige Bewegung an, die durch Impulse in zufälligen Richtungen verursacht wird." [11]


Der Autor bezeichnet nun mehr oder minder ad hoch ein solches Gas als Plasma:


ZITAT:

Irving Langmuir, 1928: "Wir verwenden den Namen Plasma, um diese Region mit ausgeglichenen Ladungen von Ionen und Elektronen zu beschreiben. Für Berechnungszwecke können wir das Plasma als ein Kontinuum positiver Elektrizität mit der Ladungsdichte ρ betrachten, in dem freie Elektronen verteilt sind, wobei die mittlere Raumladung der Elektronen -ρ beträgt. Und: „Bei niedrigen Temperaturen oder hohen Elektronendichten […] ist das Plasma somit eine Art kristallines Gas.“" [12]


Langmuir gab nirgends einen Hinweis für den Grund für seine Wortwahl. Wenig wahrscheinlich ist ein Rückgriff auf die altgriechische Bedeutung eines aus weichem Material geformten Körpers. Nichts an einem Plasma erinnert an eine körperhafte Form. Sehr viel wahrscheinlicher ist die Analogie zum Serum des Blutes, welches auch Plasma genannt wird. Denn so wie das Blutplasma als Trägerstoff von Zellen angesehen werden kann, könnte man das quasi-neutrale Plasma als Trägerstoff von Elektronen und Ionen betrachten. Lewi Tonks und Harold Mott-Smith hatten in den 1920er Jahren zusammen mit Langmuir gearbeitet. Sie erinnern sich daran, dass Langmuir auf die Analogie mit dem Blutplasma abzielte. [13] [14] Langmuir, so Smith, hatte dabei "the way blood plasma carries red and white corpuscles and germs" im Sinn. [15]

Fußnoten


  • [1] Als Plasma bezeichnet man "ein Gemisch aus freien Elektronen, positiven Ionen und neutralen Teilchen eines Gases, welche sich durch ständige Wechselwirkung untereinander und mit Photonen in verschiedenen Energie- bzw. Anregungszuständen befinden. Der Plasmazustand wird auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet." In: der Artikel "Plasma". Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 2. Mai 2026. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/plasma/11335
  • [4] Weicher Stoff für Bildgebung: "Plasma, griech., Bildwerk (s. Blut); Plastik, die Kunst aus harten oder weichen Massen Gestalten zu bilden, begreift die Bildhauerkunst, Holzschneidekunst, Bildgießerei und bezeichnet speziell die Formkunst, welche weichere Stoffe, wie Thon, Wachs, Gyps etc. gebraucht. Plastisch ist ursprünglich, was Körperformen schafft, z. B. das Blut, sodann jedes Erzeugniß der Plastik, endlich in Poesie u. Prosa derjenige Ausdruck, welcher eine durchaus klare und bestimmte Anschauung erweckt. Plasticität, Bildsamkeit; Plastograph, Schriftfälscher; Plastographie, Schriftfälschung; Plastolog, Lügner." In: Herders Conversations-Lexikon. Freiburg im Breisgau 1856, Band 4, S. 558. Online: http://www.zeno.org/nid/20003472612
  • [5] Auch als Schmuckstein: "Plasma (gr.), 1) das Bild, Bildwerk; 2) so v.w. Serum, s. u. Blut I. A) c); 3) ein lauchgrüner, derber Chalcedon, wird als Schmuckstein gebraucht, findet sich bei Gunzenbach bei Baden, Oppenau im Schwarzwald, bei Semil in Böhmen u. am Olymp." In: Pierer's Universal-Lexikon, Band 13. Altenburg 1861, S. 185. Online: http://www.zeno.org/nid/20010649115
  • [6] Aus Ton oder Wachs geformt: "πλάσμα, τό, das Gebildete, Geformte, bes. aus Thon od. Wachs, Bildwerk; πηλοῦ, Ar. Av. 686; κήρινον, Plat. Theaet. 197 d; ἐὰν ἐν κατόπτροις ἢ πλάσμασι λέγῃς τι, Soph. 239 e, u. A., bes. im Ggstz des Natürlichen u. Wahren, Erdichtung, Dem. 45, 29. – In der Musik das Verkünstelte u. Gezierte beim Vortrage, bes. die Neigung zu weichlichen Modulationen, u. von ähnlichem erkünsteltem Vortrage des Redners und Deklamators, Plut. Dem. 11 Pericl. 9; vgl. Pers. 1, 17 u. Quint. 1, 8, 2." In: Wilhelm Pape: Handwörterbuch der griechischen Sprache. Braunschweig 31914, Band 2, S. 625. Online: http://www.zeno.org/nid/20008747776
  • [7] Als Quarzmineral: "Plasma, gleichmäßig grün, durch winzig kleine Schüppchen von Chlorit oder sein verteilter Grünerde gefärbt. Heliotrop, ein Plasma mit blutroten Punkten und Flecken; zu Ring- und Nadelsteinen, Broschen u.s.w. verwendet." In: Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 7 Stuttgart, Leipzig 1909., S. 313-315. Online: http://www.zeno.org/nid/20006108083
  • [8] Blut und Mineral: " Plasma (griech.), Gebilde, Bildwerk; die von Blutkörperchen freie Flüssigkeit des Blutes (s. Blut, S. 80); in den Zellen soviel wie Protoplasma. – P. ist ferner Name eines lauchgrünen Chalcedons von Gunzenbach bei Baden-Baden, Oppenau im Schwarzwald, namentlich aber aus Ostindien, der in Idar und Oberstein verschlissen wird." In: Meyers Großes Konversations-Lexikon, Band 16. Leipzig 1908, S. 15. Online: http://www.zeno.org/nid/20007261047
  • [9] Blut und Mineral: "Plasma (grch.), Gebilde, Bildwerk; die Blutflüssigkeit (s. Blut); der lauchgrüne Chalzedon (s.d.); auch s.v.w. Protoplasma". In: Brockhaus' Kleines Konversations-Lexikon, fünfte Auflage, Band 2. Leipzig 1911., S. 418. Online: http://www.zeno.org/nid/20001450646
  • [10] "Heliotrope is a green variety of chalcedony, containing red inclusions of iron oxide that resemble drops of blood, giving heliotrope its alternative name of bloodstone. In a similar variety known as plasma, the spots are yellow instead." In: englische Wikipedia zum Mineral Chalcedon. Abgerufen am 2. Mai 2026. Online: https://en.wikipedia.org/wiki/Chalcedony
  • [11] Die Fragestellung, die zur Einführung von Plasma in die Physik führte, war die Geschwindigkeitsverteilung von Elektronen in einem ionisierten Gas: "In strongly ionized gases at low pressures, for example in the mercury arc, the free electrons have a Maxwellian velocity distribution corresponding to temperatures that may range from 5000° to 60,0000°, although the mean free path of the electrons may be so great that ordinary collisions cannot bring about such a velocity distribution. Electrons accelerated from a hot cathode (primary electrons), which originally form a beam of cathode rays with uniform translational motion, rapidly acquire a random or temperature motion which must result from impulses delivered to the electrons in random directions." In: Irving Langmuir: Oscillations in Ionized Gases, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 14 (8) 627-637, (1928). Online: https://doi.org/10.1073/pnas.14.8.627
  • [12] "We shall use the name plasma to describe this region containing balanced charges of ions and electrons. For purposes of calculation we may consider the plasma to consist of a continuum of positive electricity having a charge density p with free electrons distributed within it, the average electron space charge being - p." Und: "At low temperatures or high electron densities […] the plasma is thus a kind of crystalline gas." In: Irving Langmuir: Oscillations in Ionized Gases, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 14 (8) 627-637, (1928). Online: https://doi.org/10.1073/pnas.14.8.627
  • [13] Tonks, Lewi (1967). "The birth of "plasma"". American Journal of Physics. 35 (9): 857–858. Bibcode:1967AmJPh..35..857T. doi:10.1119/1.1974266.
  • [14] Brown, Sanborn C. (1978). "Chapter 1: A Short History of Gaseous Electronics". In Hirsh, Merle N.; Oskam, H. J. (eds.). Gaseous Electronics. Vol. 1. Academic Press. ISBN 978-0-12-349701-7.
  • [15] Mott-Smith, Harold M. (1971). "History of "plasmas"". Nature. 233 (5316): 219. Bibcode:1971Natur.233..219M. doi:10.1038/233219a0. PMID 16063290.
  • [16] Kerzen-Plasma: "Plasma refers to a gas consisting of charged particles. Due to the high temperature of the flame, a neutral gas molecule (e.g., O2) can rupture into a free electron and a positive O2 ion and a candle flame can contain plasma. Indeed, such plasma is very sparse". Theoretisch müsste das Plasma von elektrischen und magnetischen Feldern beeinflusst werden können. Doch das das Plasma in einer Kerzenflamme sehr schwach ist, benötigt man für sichtbare Effekte, so der Autor, sehr starke Felder. In: Jaroslav Kores: Real plasma in flame. Energy Encyclopedia der Tschechischen Firma Simopt. Abgerufen am 2. Mai 2026. Online: energyencyclopedia.com/en/physics-mysteries/36-real-plasma-in-flam
  • [16] "Any ionized gas cannot be called a plasma, of course; there is always a small degree of ionization in any gas. A useful definition is as follows: A plasma is a quasineutral gas, of charged a neutral particles, which exhibit collective behavior." In: Francis F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion (1984) Springer, 421 pages, ISBN 0306413329.
  • [17] Chen definiert Plasma über "Three parameters that need to be satisfied in order to identify a plasma. These include (1) the plasma approximation (2) Bulk interactions (3) Plasma frequency. In his book, Chen goes on to assess whether certain phenomena are indeed plasma, based on the three parameters, and concludes that a typical flame does indeed meet the criteria of being a plasma." In: Francis F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion (1984) Springer, 421 pages, ISBN 0306413329. Dort auf Seite 12.



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