پلاسما



مقاله:
پلاسما

فهرست:
پلاسما چیست؟
آشنایی با پلاسما
پروژه مطالعاتی فیزیک معاصر
ساختار پلاسما
انواع پلاسما
کاربرد پلاسمای یونسفر
چهارمین حالت ماده کدام است؟
فشردگی پلاسما در فضا
آینه های مغناطیسی
منبع

منبع:
www.daneshnameh.com

پلاسما چیست؟
پلاسما حالت چهارم ماده پس از حالت های جامد، مایع و گاز است.
پلاسما یک گاز یونی شده ی بسیار سوزان است، گازی چنان سوزان که برخوردهای شدید گرمایی، همه یا بسیاری از اتم های آن را به یون های مثبت و الکترون ها تجزیه کرده است.
پلاسما در واقع همان آتش خالص است زیرا بخشی از یک شعله ی عادی پلاسما و بخش دیگر آن گاز سوزان است.
بیش تر مواد در جهان به صورت پلاسما هستند.
خورشید و همه ی ستارگان کرات عظیمی از پلاسما هستند در حدود 99% جرم کل جهان در این کرات پلاسمایی قرار دارد.
صاعقه، آتش سنت المو ، شفق شمالی و یونوسفر خود نوعی پلاسما هستند.
گاز داخل لوله های مهتابی و تابلوهای نئونی پلاسما است، قوس درخشان دستگاه جوش الکتریکی پلاسما است، آتش خروجی از موشک پلاسما است و کره ی آتشین بمب هسته ای نیز پلاسما است.
پلاسما شامل مخلوطی از یون های مثبت، الکترون ها و اتم های خنثی است.
میزان یون شدگی یک گاز به دما بستگی دارد: اگر دما کم باشد، پلاسما شامل تعداد نسبتا زیادی اتم خنثی است و اگر دما زیاد باشد تقریبا تمامی اتم ها به صورت یون در می آیند.
گاز معمولی نیز مقداری یون و الکترون دارد اما نه به اندازه ای که آن را به پلاسما تبدیل کند. اگر گازی را تا دماهای زیادتر و زیادتر گرم کنیم آن گاز به تدریج به پلاسما تبدیل می گردد.
آشنایی با پلاسما
ما روی جزیره ای از مواد معمولی زندگی می کنیم. جایی که حالت های مختلف ماده در آن، عبارتند از جامد، مایع و گاز. ما یادگرفته ایم که با استفاده از شکل های شناخته شده ماده کارکنیم، بازی کنیم و استراحت کنیم. آقای ویلیام کروکس، فیزیکدان انگلیسی، در سال 1879 میلادی چهارمین حالت ماده را نیز معرفی نمود.

پروژه مطالعاتی فیزیک معاصر
چگالی و دمای پلاسما در محدوده ای از نسبتا سرد و رقیق ( مانند شفق ) تا خیلی داغ و متراکم ( نظیر هسته یک ستاره ). از لحاظ الکتریکی همه شکل های متداول یک ماده یعنی جامد، مایع و گاز خنثی هستند و خیلی سرد یا چگالتر از آنکه به حالت پلاسما درآیند.
واژه پلاسما اولین بار توسط دکتر ایروینگ لانگ مایر فیزیک شیمیدان امریکایی در سال 1929 میلادی به گازهای یونیزه شده اتلاق شد.
در این شکل شما چهار حالت H2O را مشاهده می فرمایید. در تصویر سمت چپ یعنی حالت جامد، دمای ترکیب کمتر از صفر درجه سلسیوس است و مولکول هایش در آرایش شبکه ای در جایشان مستقر می شوند.
در تصویر دوم حالت مایع را با گرمایی بین صفر تا 100 درجه سلسیوس، مشاهده می فرمایید. مولکولها در این حالت آزادانه حرکت می کنند.
در تصویر سوم، حالت گازی آب یا همان بخار آب با دمای بیش از 100درجه سلسیوس، مولکولهایی دارد که همه فضای ظرف را می تواند اشغال نماید.
اما در شکل چهارم، پلاسما یا گاز یونیزه شده که شامل دو یون H+ و دو الکترون با بار منفی است، دمایی بیش از یکصدهزار درجه سلسیوس دارد . جریان الکتریکی بیش از ده الکترون ولت را پدید می آورد. یون ها و الکترون ها به صورتی کاملاً آزادانه در فضایی بزرگ پراکنده می شود.
پلاسما شامل مجموعه ای از الکترون های آزاد و اتم های یونیزه شده ای که الکترونهایشان را از دست داده اند، می شود. برای ساخت پلاسما و گرفتن الکترون از اتم ها، انرژی مورد نیاز است. این انرژی می تواند از منابع گوناگونی تامین گردد: منابع گرمایی، الکتریکی، یا نور ( نور ماوراء بنفش یا نور شدید لیزر مرئی ). با توان ناکافی، پلاسما مجدداً به حالت گاز طبیعی باز می گردد.
پلاسما توسط میدان های الکتریکی و مغناطیسی می تواند شتاب بگیرد و هدایت شود، به این ترتیب هدایت شده و کنترل می گردد. تحقیقات در باره پلاسما، فهم بیشتری در باره جهان هستی به ما می دهد. کاربردهای عملی تحقیقات پلاسمایی عبارتند از: تکنیک های ساخت جدید، محصولات قابل تجزیه و بازیافت پذیر، کشف منابع انرژی عظیم، روشنایی موثرتر، تمیزکردن سطوح، حذف تلفات و …
ساختار پلاسما
عموما پلاسما را مجموعه ای از یونها ، الکترونها و اتمهای خنثی جدا از هم و تقریبا در حال تعادل مکانیکی ـ الکتریکی می گویند. حالتهای خاصی را در مقابل مغناطیس نشان می دهد. این رفتارها کاملا برعکس رفتار گازها در مقابل میدان مغناطیسی است. زیرا گازها به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.

در کنار این رفتار پلاسما می تواند تحت تاثیر میدان مغناطیسی درونی که از حرکت یونهای داخلی به عمل می آید قرار گیرد. همچنین پلاسما به علت رفتار جمعیتی که از خود نشان می دهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد و اغلب طوری رفتار می کند که گویی دارای رفتار مخصوص به خودش است. معیار دیگر برای پلاسما آن است که فراوانی بارهای مثبت و منفی باید چندان زیاد نباشد که هر گونه عدم توازن موضعی بین غلظتهای این بارها غیر ممکن باشد.
مثلا بار مثبت به سرعت بارهای منفی را بسوی خود می کشد تا توازن بار از نو برقرار سازد. بنابراین اگر چه پلاسما به مقدار زیادی بار آزاد دارد، ولی از لحاظ بار الکتریکی خنثی است. ماده در حالت پلاسما نسبت به حالتهای جامد ، مایع و گاز نظم کمتری دارد. با این حال خنثی بودن الکتریکی پلاسما بطور متوسط انرژی از نظم را نشان می دهد.
چهارمین حالت ماده کدام است؟
اگر پلاسما تا دمای زیاد حرارت داده شود، نظم موجود در پلاسما از بین می رود و ماده به توده درهم و برهم و کاملا نامنظم ذرات منفرد تبدیل می شود. بنابراین پلاسما گاهی نظیر سیالات ، رفتاری جمعی و گاهی نظیر ذرات منفرد ، بصورت کاملا تکی عمل می کند. به دلیل همین رفتارهای عجیب و غریب است که غالبا پلاسما در کنار گازها و مایعات و جامدات ، چهارمین حالت ماده معرفی می شود. بنابراین با توجه به اینکه چگالی پلاسما قابل توجه می باشد. مدولانک در تک ذرات منفرد به مشکلات رفتار پلاسما افزوده می شود.
ضرورت بررسی پلاسمای طبیعی
با وجود این پیچیدگیها با عنایت به اینکه 99 درصد ماده موجود در طبیعت و جهان در حالت پلاسما است. علاقمندی ما به پلاسما جدا از بسیاری کاربردها نظیر تولید انرژی ، عدسی پلاسمایی برای کانونش انرژی و … معتدل می باشد، چرا که از ترک زمین ، با انواع پلاسماها مانند (یونوسفر ، کمربندها و بادهای خورشیدی) مواجه می شویم. بنابراین فیزیک پلاسما نیز در کنار سایر شاخه های علوم فیزیکی ، در شناخت محیط زندگی ما در قالب رشته ژئوفیزیک از یک اهمیت زیادی برخوردار است.
انواع پلاسما
* پلاسمای جو: نزدیکترین پلاسما به ما (کره زمین) ، یونوسفر (Ionosphere) می باشد که از صد و پنجاه کیلومتری سطح زمین شروع و به طرف بالا ادامه می یابد. لایه های بالاتر یونسفر ، فیزیک سیستمها به فرم پلاسما می باشند که توسط تابش موج کوتاه در حوزه وسیعی ، از طیف اشعه فرابنفش گرفته تا پرتوهای ایکس و همچنین بوسیله پرتوهای کیهانی و الکترونهایی که به گلنونسفر اصابت می کنند یونیزه می شوند.
* شفق قطبی: پدیده شفق نیز نوعی پلاسما است که تحت اثر یونیزاسیون ایجاد می شود. یونسفر 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 فضایی یونسفری دارند.

ملاحظات نظری نشان می دهد که در سایر سیاره های منظومه شمسی نظیر مشتری ، زحل ، سیاره اورانوس ، نپتون نیز باید یونسفرهای قابل مشاهده وجود داشته باشد. فضای بین سیاره ای نیز از پلاسمای بین سیاره ای در حال انبساط پر شده که محتوای یک میدان مغناطیسی) ضعیف (حدود -510 تسلا) است.
* هسته های ستارگان دنباله دار نیز به فضای بین پلاسمایی پرتاب می کند. از طرف دیگر ، خورشید منظومه شمسی مانند یک کره پلاسمایی است. درخشندگی شدید خورشید ، معمولا عین یک درخشندگی پلاسمایی می باشد. خورشید به سه قشر گازی فتوسفر ـ کروموسفر و کورونا (که کرونای آن بیش از یک میلیون درجه ، حرارت دارد) احاطه شده است و انتظار می رود که هزاران سال به درخشندگی خود ادامه بدهد.
کاربرد پلاسمای یونسفر
یونوسفر زمین در ارتباطات رادیویی اهمیت زیادی دارد. توضیح این نکته لازم است که یونوسفر ، امواج رادیویی با فرکانسهای بیش از 30 مگاهرتز (بین امواج رادار و تلویزیون) را عبور می دهد. ولی امواج با فرکانسهای کمتر (کوتاه ، متوسط و بلند رادیویی) را منعکس می کند. همچنین شایان ذکر است که ضخامت یونسفر زمین که از چند لایه منعکس کننده تشکیل شده است با عواملی نظیر شب و روز آشفتگی پلاسمایی سطح خورشید در ارتباط نزدیک می باشد.
مگنتوسفر و کمربندهای تشعشعی زمین
می دانیم زمین ما دارای میدان مغناطیسی است که می تواند بر یونها و بطور خلاصه پلاسمای فضای اطرافش اثر بگذراد. بر طبق نظرات دینامو ، میدان مغناطیسی زمین از القای مغناطیس حاصل از حرکات ذرات داخل پلاسمای فضا به درون زمین متاثر می شود. که دوباره نقش فیزیک پلاسما را در ژئوفیزیک یادآوری می کند. به هرحال بطور نظری باید میدان مغناطیسی به شکل متقارن باشد لیکن فشار باد خورشیدی ، میدان ژئومغناطیس زمین را به صورت ستارگان دنباله دار یا دکلی شکل در می آورد. که در اصطلاح به آن مگنتوسفر زمین گفته می شود. ساختمان این لایه پلاسمایی نیز خود از چند لایه تشکیل شده است.

ژئوفیزیکدانان با مطالعه اساسی این لایه ها ، حد بالای آن را که حدودا 10 برابر شعاع زمین و در جهت خورشید می باشد، مغناطیس سکون می نامند. خارج از مغناطیس سکون ، ناحیه متلاطمی است که غلاف مغناطیس نام دارد و آن باد خورشیدی در نتیجه فشار مگنتوسفر جهت و سرعت خود را تغییر می دهد. مگنتوسفر زمین ، کمربند ایمنی زمین در مقابل ذرات خطرناک کم انرژی و حتی متوسط انرژی می باشد. به این کمربند حافظ امنیت زمین در مقابل اشعه های خطرناک و ذرات ساتع از خورشید ، اصطلاحا کمربندهای وان آلن (به افتخار کاشف این کمربندها) گفته می شود.
آینه های مغناطیسی
با توجه به تاثیرات میدان مغناطیسی زمین بر روی پلاسما ، ذراتی که در میدان مغناطیسی زمین (کمربند وان آلن) گیر می اندازد. بواسطه داشتن میدان مغناطیسی قوی و ضعیف و در قطبین زمین حرکتی انجام می دهند که به مثابه یک آینه طبیعی می باشد. بنابراین آینه مغناطیسی که قبلا برای اولین بار توسط انریکو فرمی به عنوان مکانیسمی برای شتابدار ساختن پرتوی کیهانی استفاده شده بود، در ژئوفیزیک نیز بکار رفت.

بادهای خورشیدی
خورشید منظومه شمسی منبع نیرومندی از جریان مداوم پلاسما بصورت باد خورشیدی است. باد خورشیدی اصطلاحی برای ذرات تشعشع یافته نظیر بادهایی در حدود 100 هزار درجه کلوین است. باد خورشیدی پدیده پیچیده ای است که سرعت و چگالی) آن متغیر می باشد. متغیر بودن پلاسمای بادی به فعالیت خورشید بستگی دارد. گفتنی است که به دلیل 100 برابر بودن انرژی جنبشی پلاسما نسبت به انرژی مغناطیسی اش ، اصطلاح باد مغناطیسی به آن داده اند.
فشردگی پلاسما در فضا
پلاسمای فضایی می تواند تحت عوامل مختلفی فشرده شود و ستارگان فضا را ایجاد کند (به عنوان مثال کوتوله های سفید). پلاسمای فضایی با چگالی حدود 100 هزار تا 10 میلیارد گرم بر سانتیمتر مکعب ، محصول نهایی تکامل ستارگان سبک وزن می باشد. این نوع ستارگان بسیار چگالتر از خورشید می باشند. چرا که اگر کل ماده خورشید با چگالی 1.4 گرم بر سانتیمتر مکعب می خواست متراکم و به اندازه مثلا زمین ما شود، چگالی آن به تقریبا یک میلیون گرم بر سانتیمتر مکعب می رسید.
ستارگان نوترونی نیز از نوع ستارگان بسیار چگال می باشند که محصول تکامل ستارگان همان وزن می باشند. اینها آخرین نوع ستارگان قابل مشاهده در جهان هستند که به سبب داشتن چگالی فوق العاده زیاد ، نورهای اطراف خود را می بلعند و به صورت یک حفره سیاه در می آیند. بر طبق مدلهای محاسبه شده ، ستارگان نوترونی از لایه های مختلفی تشکیل شده اند که با حرکت از سطح به طرف داخل ، چگالی به سرعت بالا می رود.

11