Степень ионизации плазмы
Итак, при сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т.е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана ударной ионизацией заряженными частицами (например, при электрическом разряде в газе), взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация).
Как было уже сказано свыше, 90 % вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы, т.е. в виде ионизованного газа, в котором атомы и молекулы диссоциированы на положительные и отрицательные ионы и отрицательные электроны. Эта оценка, возможно, и не является точной, но она, конечно, вполне обоснована, если учесть тот факт, что звезды и их атмосфера, газовые туманности и значительная часть межзвездного газа представляют собой плазму. Что касается непосредственно нашей Земли, то мы сталкиваемся с плазмой, как только выходим за пределы земной атмосферы, - это радиационные пояса и солнечный ветер. Однако в повседневной жизни наши встречи с плазмой ограничиваются всего лишь несколькими примерами: вспышки молнии, мягкое свечение северного сияния, проводящий газ внутри флуоресцентной трубки пли неоновой рекламы и слабоионизованная плазма ракетных факелов. Причину этого можно понять с помощью уравнения Саха, которое позволяет вычислить степень ионизации газа, находящегося в тепловом равновесии.
Степенью
ионизации плазмы называют отношение
числа ионизованных атомов к полному их
числу в единице объема плазмы: 
.
В условиях теплового равновесия она определяется формулой Саха:
.
(2.1)
Здесь 
,
и 
-
концентрация (число частиц в 1 м3)
ионизованных и нейтральных атомов
соответственно, Г-температура газа в К,
k - постоянная Больцмана, 
-
энергия ионизации газа, т.е. энергия,
необходимая для удаления электрона с
внешней электронной оболочки атома.
Обычно 
выражается
в процентах, тогда результат, полученный
из формулы Саха, необходимо умножить
на 100 %. В воздухе при нормальных условиях
для азота 
и 
эВ
Относительная
ионизация ничтожно мала: 
С ростом температуры степень ионизации остается низкой до тех пор, пока средняя кинетическая энергия молекул газа не станет всего лишь в несколько раз меньше энергии ионизации . После этого, резко возрастает и газ переходит в плазменное состояние. При дальнейшем возрастании температуры концентрация нейтральных частиц становится меньше концентрации ионизованных атомов, и плазма, в конечном счете, оказывается полностью ионизованной. Именно поэтому полностью ионизованная плазма составляет астрономические тела температурой несколько миллионов градусов и отсутствует на Земле.
Термоионизация
газа происходит в тех случаях, когда
средняя кинетическая энергия молекул
газа превышает энергию ионизации: 
,
где
.
(2.2)
Нетрудно
убедиться, что ионизация газа при
тепловых соударениях молекул возможна
лишь при очень высоких температурах 
.
Вычисления показывают:
(положим
эВ),
что 
.
В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную ( составляет доли процента), частично ионизованную ( около нескольких процентов) и полностью ионизированную ( близка к 100 %). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях является ионосфера Земли, тлеющий разряд. Во Вселенной слабоионизованная плазма - это солнечный ветер, атмосферы холодных звезд, холодные облака межзвездного газа. Горячие звезды, туманности, солнечная корона и некоторые межзвездные облака - это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре.