پلاسما, حالت ۹۹ درصد مواد طبیعت

جامد, مایع , گاز و پلاسما

کلمه پلاسما از یک لغت یونانی آمده است که هر چیز به قالب ریخته شده یا ساخته شده را می گویند.

می دانیم برای ماده سه حالت در نظر گرفته می شود؛ مایع ، جامد و گاز، اما در مباحث علمی معمولاً یک حالت چهارم نیز معرفی و برای ماده فرض می شود. اگر پلاسما تا دمای زیاد حرارت داده شود نظم موجود در پلاسما از بین می رود و ماده به توده درهم و برهم و کاملاً نامنظم ذرات منفرد تبدیل می شود، بنابراین پلاسما گاهی نظیر سیالات رفتار جمعی و گاهی نظیر ذرات منفرد به صورت کاملاً فردی عمل می کند. به علت همین رفتارهای عجیب و غریب است که اغلب پلاسما در کنار گازها، مایعات و جامدات چهارمین حالت ماده معرفی می شود. پس عموماً پلاسما را می توان مخلوطی از سه جزء در نظر گرفت:

۱) الکترونهای آزاد

۲) یون های مثبت

۳) اتم های خنثی

در حقیقت پلاسما گاز شبه خنثی ای از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه می دهد و به علت رفتار جمعی که از خود نشان می دهد، گرایشی به متأثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد و اغلب طوری عمل می کند که گویا دارای رفتار مخصوص به خودش است. پلاسمای فضایی می تواند تحت عوامل مختلفی فشرده شود و ستارگان فضا را ایجاد کند مثل کوتوله های سفید و ستارگان نوترونی که از نوع ستارگان بسیار چگال هستند. به علت چگالی فوق العاده زیاد نورهای اطراف خود را می بلعند و به صورت یک حفره سیاه در می آیند.

یکی از خواص پلاسما این است که می کوشد از نظر الکتریکی خنثی بماند به عبارت دیگر پلاسما می کوشد که بارهای مثبت و منفی فضایی را در هر جزء حجم ماکروسکوپی متوازن کند و خواص دیگر پلاسما، توانایی آن در نوسانات و انتشار امواج است. اغلب گفته می شودکه ۹۹% مواد موجود در طبیعت در حالت پلاسماست. مثل خورشید، آتش، ستارگان، اتمسفر ستارگان، جرقه رعد و برق، بخش خارجی جو زمین، کمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی. بسیاری از مواد موجود در فضای سحابی و بخشی از دم ستاره دنباله دار، تابش ملایم شفق قطبی و حتی در زندگی روزمره خود با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه می شویم مثل : گازهای داخل یک لامپ فلوئورسان یا چراغ نئون و یونش مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده می شود. به نظر می رسد که ما در یک درصدی (۱%) از عالم زندگی می کنیم که در آن پلاسما به طور طبیعی یافت نمی شود. جالب است بدانید که پلاسما ممکن است در عین حال دارای چندین دما باشد.

● نمونه های پلاسماها

▪ شفق قطبی: این پدیده نوعی پلاسماست که تحت اثر یونیزاسیون ایجاد می شود. یونسفری پلاسمایی با جذب پرتوهای ایکس، فرابنفش، تابش خورشیدی، انعکاس امواج کوتاه و رادیویی اهمیت اساسی در ارتباط رادیویی در سرتاسر جهان دارد. با همه این احوال نه تنها زمین بلکه زهره و مریخ نیز فضای یونسفری دارند. پژوهش ها نشان می دهد که در سایر سیاره های منظومه شمسی نظیر مشتری، مریخ، اورانوس و نپتون نیز باید یونسفرهای قابل مشاهده وجود داشته باشد. فضای بین سیاره ای نیز از پلاسمای بین سیاره ای درحال انبساط پرشده که محتوی میدان مغناطیسی ضعیف می باشد.

▪ پلاسمای جو: نزدیک ترین پلاسما به ما یونسفر است که از صد و پنجاه کیلومتری سطح زمین شروع و به طرف بالا ادامه می یابد. لایه های بالاتر یونسفر نیز یک سیستم ها به فرم پلاسما است که توسط تابش موج کوتاه در حوزه وسیعی از طیف اشعه فرابنفش گرفته یا پرتوهای ایکس و همچنین به وسیله پرتوهای کیهانی یونیزه می شوند.

▪ باد خورشیدی: خورشید پلاسمایی با رسانش بالا در سرعت های فراصوتی حدود km‎/s ۵۰۰ به درون فضای بین سیاره ای گسیل می کند. این پلاسما باد خورشیدی نام دارد و عمدتاً شامل الکترون ها و پروتون ها با آمیزه ای در ۵درصد یون های هلیوم است. بادخورشیدی در برخوردش با میدان دوقطبی مغناطیسی زمین نمی تواند به سادگی در آن نفوذ کند ولی کند شده و به مقدار زیادی حول آن منحرف می شود.

● کاربرد فیزیک پلاسما

▪ تخلیه های گازی (الکترونیک گازی)

برای توسعه لوله های خلأیی که بتواند جریان های قوی را حمل کنند و در نتیجه می بایست از گازهای یونیزه پر شوند.

▪ هم جوشی گرما هسته ای کنترل شده

فیزیک پلاسمای جدید از حدود ۱۹۵۲ که در آن ساختن راکتوری براساس کنترل واکنش هم جوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد شد آغاز می شود و اکثر تحقیقات فعال در فیزیک پلاسما در جهت این مسئله است.

▪ فیزیک فضا

کاربرد فهم دیگر فیزیک پلاسما مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوسته ای از ذرات باردار که باد خورشیدی خوانده می شود به مگنتو سفر زمین برمی خورد. مگنتو سفر حفاظی در مقابل این تابش شده و در طول فرآیند توسط آن تغییر شکل می یابد. کمربندهای تشعشعی وان آلن از ذرات بارداری تشکیل می شوند که توسط میدان مغناطیسی زمین محبوس شده اند. درون و جو ستارگان آنقدر داغ هستند که می توانند در حالت پلاسما باشند مثلاً دما در هسته خورشید حدود ۲۰۰۰ الکترون ولت تخمین زده می شود.

▪ تبدیل انرژی مگنتو هیدرودینامیک MHD و پیشرانش یونی

در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک MHD، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک میدان مغناطیسی پیش رانده می شود برای تولید جریان الکتریکی استفاده می شود.

▪ پلاسمای حالت جامد

الکترون های آزاد و حفره ها در نیمه رساناها پلاسماهایی را تشکیل می دهند که همان نوع نوسانات و ناپایداری یک پلاسمای گازی را عرضه می کند. اخیراً معلوم شده است که بعضی از مایعات مانند محلولات سدیم در آمونیاک نیز همانند پلاسما عمل می کنند.

▪ لیرزهای گازی و لیرزهای حالت جامد

عادی ترین روش «پمپاژ» (تلمبه کردن) یک لیرز گازی، یعنی وارونه کردن جمعیت حالاتی که منجر به تقویت نور می شود استفاده از تخلیه گازی است. حتی لیرزهای حالت جامد مثل لیرز شیشه-nd نیز به پلاسما وابسته است، زیرا لوله های جرقه زن (فلاش) که برای تلمبه کردن آنها به کار برده می شود حاوی تخلیه های الکتریکی گازی است.

▪ کاربردهای دیگر پلاسما

چاقوی پلاسما، تفنگ الکترونی، لامپ پلاسما، تولید برق و تولید صفحه نمایش پلاسمای گازی در صنعت رایانه و تلویزیون، تحقیقات صنایع فضایی، تحقیقات بنیادی ژئوفیزیک و فیزیک نجومی نسبیتی تولید انرژی از کاربردهای دیگر پلاسما هستند.

▪ آیینه های مغناطیسی

با توجه به تأثیرات میدان مغناطیسی زمین بر روی پلاسما، ذراتی که در میدان مغناطیسی زمین گیر می افتد به واسطه داشتن میدان مغناطیسی قوی و ضعیف در قطبین زمین حرکتی انجام می دهند که به مثابه یک آیینه طبیعی است. بنابراین آیینه مغناطیسی که قبلاً برای اولین بار توسط انریکوفرمی به عنوان مکانیسمی برای شتابدار ساختن پرتوهای کیهانی استفاده شده بود در ژئوفیزیک نیز به کار گرفته شد.

محمد عشقی یارعزیز

کارشناس فیزیک هسته ای