プラズマの密度は単一の値ではなく、あらゆる物質の状態の中で最も広い範囲にわたります。プラズマの密度は、最も希薄なガスよりもはるかに低い場合もあれば、最も高密度の固体金属よりも著しく高い場合もあります。例えば、星間空間のプラズマは1立方センチメートルあたり1個未満の粒子しか持たないかもしれませんが、星の核のプラズマは水の150倍以上の密度に達することがあります。
プラズマを定義する特徴は、その密度ではなく、イオン化の状態、つまり自由に動き回る荷電粒子（イオンと電子）の存在です。ほぼ真空から超圧縮された固体まで、あらゆる密度で物質をイオン化できるため、プラズマには固定された、あるいは典型的な密度というものはありません。
プラズマを定義するものとは？（ヒント：密度ではありません）
プラズマの特性を理解するためには、密度からその生成過程と電気的性質へと焦点を移す必要があります。
ガスからプラズマへ：エネルギーの役割
プラズマは、通常、熱の形で莫大なエネルギーをガスに加えることによって最も一般的に形成されます。このエネルギーが非常に大きくなると、電子を原子核に保持する力を克服します。
電子が剥ぎ取られると、以前は中性だった原子は正に帯電したイオンになります。その結果、自由電子とイオンが混沌とした超高温のスープとなります。この電気的に帯電した状態こそがプラズマを定義するものです。
重要な指標：イオン化度
物質の「プラズマ性」は、そのイオン化度によって測定されます。これは、1つ以上の電子を剥ぎ取られた原子の割合です。
蛍光灯のような弱イオン化プラズマでは、原子のわずか1%しかイオン化されておらず、残りは中性ガスとして残っている場合があります。太陽の核のような完全イオン化プラズマでは、中性原子は実質的に残っていません。
なぜ密度が二次的な特性なのか
密度は単に単位体積あたりの質量を測定するものです。プラズマでは、これは特定の空間内のすべてのイオン、電子、および残っている中性原子の質量を数えることを意味します。
非常に希薄な低密度ガスから、非常に圧縮された高密度物質まで、プラズマを生成できるため、結果として生じるプラズマの密度は、その開始条件を反映したものであり、プラズマ状態そのものの基本的な特性ではありません。
プラズマ密度の宇宙を巡る旅
プラズマ密度の広大な範囲は、宇宙のほぼ空っぽの状態から星の内部の圧倒的な圧力まで、例を通じて理解するのが最も良いでしょう。
低密度プラズマ（ほぼ真空状態）
- 星間物質：星と星の間の「空っぽ」の空間は、1立方センチメートルあたり1粒子未満の密度の超希薄プラズマです。
- 太陽風：太陽から流れ出る粒子の流れは、1立方センチメートルあたり約5～10粒子の密度です。
- 地球の電離層：オーロラの原因となるこの上層大気層は、ピーク時で約100万（10⁶）粒子/立方センチメートルの密度を持ちます。これは、私たちが呼吸する空気よりもはるかに密度が低い状態です。
中密度プラズマ（身近な例）
- 蛍光灯とネオンサイン：これらの管内のプラズマは、低圧ガスから生成され、大気中の空気よりも数千倍低い密度になります。
- 雷：雷は、高温にイオン化された空気の一時的な経路です。局所的には非常にエネルギーが高いですが、極端な熱膨張のため、全体の密度は周囲の大気と同程度か、わずかに低い程度です。
高密度プラズマ（天体物理学および実験）
- 太陽の核：巨大な重力圧力の下で、太陽の中心部のプラズマは、水の約150倍、固体の金の7倍以上の密度である約150 g/cm³に達します。
- 核融合炉（トカマク）：実験的な核融合炉内のプラズマは信じられないほど高温（1億5千万℃以上）ですが、意図的に非常に低い密度—空気の約100万分の1の密度—に保たれています。
超高密度プラズマ（エキゾチックな状態）
- 白色矮星：死んだ星の核は、縮退物質と呼ばれるエキゾチックな形態のプラズマです。ここでは、原子構造が完全に崩壊し、100万 g/cm³以上の密度に達します。この物質のティースプーン1杯で数トンもの重さになります。
重要なトレードオフ：密度と温度
よくある混乱の原因は、温度と密度の関係です。私たちの日常経験では、ガスを加熱すると膨張して密度が低くなります。プラズマ物理学では、この関係はより複雑で、環境に依存します。
核融合炉の問題
トカマク核融合装置では、原子核を融合させるために、太陽の核よりもさらに高温を達成することが目標です。しかし、プラズマが及ぼす圧力は、その密度と温度の積です。
1億5千万度の温度では、わずかな密度でも、磁場が閉じ込めるにはあまりにも強力な外向きの圧力を生み出してしまいます。したがって、これらの原子炉は、総圧力を管理可能な範囲に保つために、極めて低密度のプラズマを使用する必要があります。
恒星の解決策：重力の圧縮
恒星は、その巨大な重力によって圧力問題を解決します。重力はほぼ破ることのできない閉じ込め力を提供し、星の核が想像を絶する高温と極めて高い密度の両方を同時に維持することを可能にします。この独自の組み合わせが、恒星核融合を可能にしています。
プラズマ密度について考える方法
プラズマの特性を正確に評価するには、その文脈を考慮する必要があります。常に、プラズマがどこで、どのように存在するかを問いかけてください。
- 天体物理学が主な焦点の場合：重力が主要なイネーブラーであり、星が核融合に必要な極限の密度を核で達成することを可能にしていることを思い出してください。
- 産業応用（エッチングや照明など）が主な焦点の場合：これらはほとんどの場合、密閉された環境内で生成および制御される低圧、低密度プラズマであることを知っておいてください。
- 核融合エネルギー研究が主な焦点の場合：極限の温度を達成するためには、磁気閉じ込めが機能するために非常に低い密度を維持する必要があるという重要なトレードオフを理解してください。
最終的に、プラズマは、与えられた空間にどれだけ詰め込まれているかではなく、その電荷とエネルギーレベルによって定義されるべきです。
概要表：
| プラズマの種類 | 例 | おおよその密度 |
|---|---|---|
| 低密度 | 星間物質 | <1 粒子/cm³ |
| 中密度 | 蛍光灯 | 空気より低い |
| 高密度 | 太陽の核 | 約150 g/cm³ |
| 超高密度 | 白色矮星 | >1,000,000 g/cm³ |
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