بلازما (فيزياء)

بوابة فيزياء

البلازما تعتبر غاز متأين، وهي حالة متميزة من حالات المادة. وعلى النقيض من الغازات فإن لها صفاتها الخاصة. التأين يتسبب لخروج واحد أو أكثر من الإلكترونات عند تسليط حرارة أو طاقة معينة. هذه الشحنة الكهربية تجعل البلازما موصلة للكهرباء ولذلك ستستجيب بقوة للمجال الكهرومغناطيسي والبلازما تأخذ شكل الغاز المحايد اشبه بالغيوم مثال على ذلك النجوم أو يأتي كحزم متأينة ولكنها قد تحتوي على غبار وحبيبات (وتسمى البلازما المغبرة).هذه شكلت بواسطة الحرارة والغاز المتأين. عند قذف الإلكترون بعيدا من النواة سيجعل شحنات الموجبة والسالبة أكثر حرية.

شعلة بلازمية تظهر أكثر الظواهر البلازما تعقيدا. مع الفتيلة الألوان هي نتاج من تراخ الإلكترونات من حالة الاستثارة والهيجان إلى حالة أقل طاقة بعد توحدها مع الأيونات. وهذه العملية تبعث ضوء على شكل طيف مميز من الغاز المثار

فهرس

// تاريخ البلازما
// عموميات البلازما
// خصائص ومعالم البلازما
// الضوء
// من أين تصدر الاشعة فوق البنفسجي؟
// أين تحصل الألكترونات الحرة على الطاقة؟
// البلازما والفضاء
// مراجع

تاريخ البلازما

القوس البلازمي يظهر على جهاز ويمزهيرست

فى عام 1879 اكتشف العالم السير وليام كروكس البلاسما عن طريق انبوب كروكس و اطلق عليها انذاك المادة الإشعاعية").^[1]. واكتشف العالم البريطاني جوزيف طومسون خصائص و طبيعة البلاسما عام 1897^[2], و يرجع الفضل في تسمية البلاسما إلى العالم إيرفينغ لانغموير في عام 1928^[3] ربما لأنه رأى انها تشبه بلازما الدم^[4].

وقد كتب لانجماير:

بجوار الأقطاب يوجد أغطية رقيقة تحتوي الكترونات قليلة, الغاز المتأين يحتوي على أيونات والكترونات بكميات متساوية تقريبا مما يجعل ناتج شحن المكان بسيط جدا. يستحسن أن نستخدم اسم البلازما لتعريف المنطقة المحتوية على شحنات متساوية من الإلكترونات والأيونات^[3]

عموميات البلازما

تشكل البلاسما نسبة 99% من المادة الكونية بين النجوم و المجرات من حيث الكتلة والحجم^[5], بعض الكواكب تشكل البلاسما اغلب مادتها حيث يعتبر كوكب المشتري كتلة هائلة من البلاسما. فقط حوالي 0.1 % من الكتلة و 10−15 % من الحجم يدخل بمدار كوكب البلوتو. عالم البلازما الشهير هانز الفين لاحظ خلال الشحنات الكهربية إن هناك كميات قليلة من التبلر والتحبب تتصرف كأيونات وكشكل من أشكال البلازما (بلازما مغبرة).

أشكال البلازما تتضمن
الصناعية: موجودة بشاشات البلازما مثل التلفزيونات لمبات الفلوريسنت (إنارة ذات طاقة ضعيفة), إشارات النيون^[6] عوادم الصواريخ النطاق الموجود أمام الحاجز الحراري لسفن الفضاء خلال دخولها غلاف الأرض الجوي داخل هالة مولد تفريغ الآزون. أبحاث الاندماج النووي التقوس الكهربي الموجود بالإنارة القوسية, لحام القوس الكهربي أو المصباح (المدفع) البلازمي لمبات البلازما وتسمى كرة البلازما يستخدم البلازما لحفر رقائق الحاسوب لإنتاج الدوائر الكهربية وصنع أشباه الموصلات.	بلازما أرضية البرق و الصواعق كرة اللهب نار سانت إلمو طبقة الأيونوسفير الشفق القطبي	بلازما فيزياء فلكية و فضاء كوني الشمس و النجوم (البلازما تسخن بالاندماج النووي) رياح شمسية المحيط الذي بين الكواكب المحيط الذي بين النجوم المحيط الذي بين المجرات حلقة أحد أقمار المشتري الأقراص الناشئة من تكوين الأجسام النجمية الضخمة سديم المجرات

خصائص ومعالم البلازما

الأرض منبع البلازما حيث نرى أيونات الأكسجين و الهيدروجين و الهليوم تتدفق إلى الفضاء من مناطق قريبة من القطبين. اللون الأصفر الذي فوق القطب الشمالي يرمز إلى ضياع غازات إلى الفضاء الخارجي. المنطقة الخضراء ترمز إلى شفق القطب الشمالي أو طاقة البلازما التي تتدفق عائدة إلى الأرض

تعريف البلازما

يعتبر وصف البلازما على انها وسط متعادل من الجسيمات السالبة و الموجبة الشحنة، هو وصف ضعيف تعوزه الدقة وذلك ان تعريف البلازما لابد ان يتضمن ثلاثة معايير مما يعطى دقة أكثر وهى^[7]^[8]^[9]:-

1.تقارب البلازما: الجسيمات المشحونة يجب أن تكون متقاربة بدرجة أن لكل جسيم له يؤثر على الكثير من الجسيمات القريبة بدلا من مجرد التفاعل مع اقرب الجسيمات (والتأثير الجماعي هي الصفة المميزة للبلازما). تقارب البلازما يكون له تأثير أقوى كلما كانت أعداد الإلكترونات داخل المجال المؤثر (يسمى كرة ديبي) لها نصف قطر من الجسيمات الكبيرة يسمى (طول ديبي). معدل عدد الجسيمات بمجال ديبي هو قيمة أو مقدار البلازما ويرمز على شكل "Λ" وهو حرف لامدا بالأبجدية الإغريقية.

2.حجم التفاعلات في البلازما: حيث ان نصف قطر ديبى Debye صغير بالمقارنة بالحجم الطبيعى للبلاسما الموجودة في الكون. وهذا يعنى ان مقدار التفاعلات الحادثة في قلب كتلة البلاسما لها اهمية كبيرة عنها على حواف البلاسما اخذين في الاعتبار تأثير ما يحيط بالبلاسما من الوسط المحيط بها.

3.تردد البلاسما: تردد الالكترونات في البلاسما هو كبير بالمقارنة بتردد الالكترون في حالته المتعادلة (ويقيس التردد البلازمي للإلكترون ويسمى موجات البلازما أو موجات لانجموير تقيس كثافة الشحنة في محيط موصل مثل البلازما والمعادن. وينتج من الكمية في هذا التردد (البلازمون) وهو شبه جزيء للبلازما)اكبر من تردد الإلكترون بالحالة الطبيعية (بقياس موجات التصادم بين الإلكترونات والجسيمات المحايدة) بهذه الحالة البلازما تتصرف بحماية شحناتها بسرعة (شبه محايد هو تعريف آخر للبلازما).

تسلسل مقادير البلازما

تختلف قيم البلازما حسب القيم الأسية لكن خصائص البلازما قد تكون متقاربة جدا كما هو موجود بجدول مقياس البلازما. الخريطة التالية تبين فقط البلازما الذرية التقليدية وليست الظواهر الغريبة مثل بلازما الكواركات لأن (هذه البلازما ) تتميز بحالة نووية ذات كثافة مادية هائلة:

	تسلسل مقادير البلازما: بالأس العشري
الميزة	البلازما الأرضية	البلازما الكونية
الحجم بالأمتار	10⁻⁶ م (بلازما مختبرات) حتى 10² م (البرق) (~8 مدى بالأس العشري)	10⁻⁶ م (غلاف سفينة الفضاء) حتى 10²⁵ م (سديم المجرات) (~31 أس)
الحياة بالثواني	10⁻¹² ث (البلازما الليزرية) حتى 10⁷ ث (لمبات الفلورسنت) (~19 أس)	10¹ ث (الإنفجارات الشمسية) حتى 10¹⁷ ث ( بلازما المجرات ) (~17 أس)
الكثافة الجسيمات لكل متر مكعب	10⁷ م^-3 حتى 10³² م^-3 (حد الجمود للبلازما)	10⁰ (أي = 1) م^-3 (مابين المجرات) حتى 10³⁰ م^-3 (باطن النجوم)
درجة الحرارة بالكالفن	~0 ك (بلازما متبلورة^[10]) حتى 10⁸ ك (بلازما الاندماج المغناطيسي)	10² ك (الشفق) حتى 10⁷ ك (باطن الشمس)
المجال المغناطيسي بالتسلا	10⁻⁴ ت (بلازما مختبرات) حتى 10³ ت (البلازما النبضية)	10⁻¹² ت (مابين المجرات) حتى 10¹¹ ت (قرب النجوم النيوترونية)

درجة تأين البلازما

التأين ضروري لتكوين البلازما, المقصود ب"كثافة البلازما" تعود إلى كثافة الإلكترون. بمعنى كمية الإلكترونات المتحررة لكل وحدة مساحة. درجة التأين هي كمية الذرات التي خسرت أو كسبت الكترونات وتكون الحرارة هي العامل القوي المتحكم بذلك. لو أن جزئ من الغاز بما يساوي 1% من الجزيء قد تأين فسوف يأخذ صفة شبه البلازما (بمعنى انه متأثر بمجال مغناطيسي ويكون موصل كهربائي قوي). درجة التأين α ويعرف بالمعادلة:

α = n_i/(n_i + n_a) حيث أن:

n_i هو كثافة الأيونات و n_a هو كثافة الذرات غير المتأينة (المحايدة).. كثافة الإلكترون مرتبطة بها عن طريق حالة متوسط الشحنة <Z> للأيون خلال المعادلة التالية n_e=<Z> n_i حيث أن n_e ترمز إلى كثافة الإلكترونات.البلازما مع درجة قليلة من التأين يكون بلازما باردة. ومن الممكن الحصول على بلازما بدرجة قليلة من التأين(أكثر الغازات المحايدة) بمعنى أن الأيونات ذات درجة عالية من التأين تكون الالكترونات قليلة موجودة لكل ايون.

الحرارة

تقاس حرارة البلازما بالكالفن أو إلكترون فولت, وهي قياس للطاقة الحركة الحرارية لكل جزيء, كثيرا من الأحيان الإلكترونات تكون قريبة من حالة التوازن الحراري لأن الحرارة تكون واضحة المعالم. حتى بحالة الانحراف في معادلات ماكسويل لتوزيع الطاقة ومثال على ذلك: أشعة فوق البنفسجية ,الجسيمات النشطة أو مجال كهربائي قوي وبسبب التفاوت الكبير بالحجم الإلكترونات تأتي إلى حالة التوازن ديناميكا الحرارية بأنفسهم أسرع من أن يتحولوا إليها من خلال الأيون أو الذرات الطبيعية. لهذا السبب حرارة الأيونات تكون مختلفة عن حرارة الإلكترون وعادة أبرد. وهذا معتاد ببلازما الأيونات الضعيفة حيث الأيونات تكون قريبة من الحرارة المحيطة.

استنادا بالحرارة المرتبطة بالإلكترونات والأيونات والجسيمات المحايدة فإن البلازما تصنف بالحرارية و اللاحرارية.

البلازما الحرارية: يكون فيها الإلكترونات والأجسام الثقيلة بنفس درجة الحرارة أي أنهم بحالة التوازن الحراري مع بعضهم البعض ..
البلازما اللاحرارية: تكون الأيونات والجسيمات المحايدة بحالة الحرارة المحيطة بها بينما الإلكترونات تكون أكثر حرارة بكثير.

وكما أسلفنا فإن الحرارة تتحكم بدرجة التأين بالبلازما. بالخصوص ان تأين البلازما محدد بدرجة حرارة الإلكترون المتصلة بطاقة التأين (وبدرجة أضعف بالكثافة). البلازما أحيانا يشار إليها بأنها حارة إذا كانت متأينة بدرجة تامة, أو باردة إذا كان جزئ بسيط (كمثال1%) من جزيء الغاز متأين ولكن التعريفات الأخرى للبلازما الحارة والباردة هي معروفة. حتى في حالة البلازما الباردة فإن درجة حرارة الإلكترون المثالية تكون حوالي عدة آلاف من الدرجات المئوية. البلازما المستخدمة في التكنولوجيا البلازمية عادة تكون باردة في هذا الصدد..

البرق هو مثال للبلازما الموجود على سطح الأرض. تفريغ البرق للكهرباء يكون عادة 30,000 امبير، ويصل إلى 100 مليون فولت. يصدر منها الضوء و أشعة الراديو و أشعة سينية وحتى أشعة غاما^[11]. درجة حرارة البلازما بالبرق قد تصل ~28,000 كالفن (~27,700°C) وكثافة الإلكترون قد تتعدى ²⁴10/متر³.

الجهد الكهربي

بما أن البلازما موصل قوي للكهرباء, فمقادير الجهد الكهربية ستأخذ دورا مهما. وبما أن الجهد موجود مابين جسيمين مشحونين بالفضاء. فإذا وضع الكترود أو قطب كهربي بالبلازما فإن الجهد بشكل عام سيتحرك بقوة إلى مادون جهد البلازما بسبب نشوء مايسمى غشاء ديبي. بسبب جودة التوصيل الكهربي فإن المجال الكهربي للبلازما يصبح صغيرا جدا وهذي تفضي إلى مفهوم مهم لشبه الحياد والذي يقول إذا كانت كمية التقارب الحقيقية جيدة فالمفروض أن كثافة الشحنات السالبة تعادل كثافة الشحنات الموجبة خلال مساحة كبيرة من البلازما حيث أن المعادلة تقول: ( $n_e=\langle Z\rangle n_i$ ) على مقياس طول ديبي قد يكون الشحن غير متوازن. بهذه الحالة الخاصة يكون الطبقات المزدوجة متشكلة و توزيع الشحن يمكن أن يمتد إلى عشرات من أطوال ديبي.

مقادير الجهد والمجالات الكهربية يجب أن يكونوا محددين بالوسط المحيط بدلا من إيجاد صافي كثافة الشحنات. المثال العام لنعرف أن الإلكترون بحالة طبيعية معادلة بولتزمان:

$n_e \propto e^{e\Phi/k_BT_e}$ .

ميزة تلك المعادلة تجعل الحالة قادرة على حساب المجال الكهربي من الكثافة:

$\vec{E} = (k_BT_e/e)(\nabla n_e/n_e)$ .

ممكن انتاج بلازما ليست شبه محايدة فمثلا شعاع الإلكترون له شحنة سالبة. كثافة البلازما الغير محايدة يجب أن تكون قليلة أو صغيرة جدا وإلا ستنتشر بطريقة الكهرباء الستاتيكية الغير مرغوب بها. البلازما الكونية, حاجز ديبي يمنع المجال الكهربي من التأثير المباشر على البلازما خلال مسافة كبيرة (أبعد من طول ديبي). لكن ظهور الجزيئات المشحونة يجعل البلازما تولد وتتأثر بالمجال المغناطيسي. وهذا يسبب بالسلوك المعقد مثل النشوء الطبقات المزدوجة التي تفصل الشحنات عن بعضها البعض خلال العشرات من أطوال ديبي. ديناميكية البلازما تتأثر مع المجالات المغناطيسية سواءا الخارجية أو المنتجة ذاتيا..

الضوء

إن الضوء المنبعث من لمبة الفلورسنت يبدو أبيض في معظم الحالات، ذلك اللون الأبيض هو مجموعة (كما هو ضوء الشمس) من كل الوان الطيف المرئي. في حالة اللمبة الفلورسنت، المادة التي تعمل التوهج في الحقيقة هي مسحوق أبيض تغلف الزجاج الداخلي للمبة. هذا المسحوق (عموما يسمى phosphor، بالرغم من أنه لا يوجد أي فسفور فيه) هو الذي يبعث الضوء الأبيض الذي نراه خلال المصباح الفلورسنت ويسمى التالق الاشعاعي. يحدث هذا التألق الاشعاعي عندما تمتص ذرّة (أو جزئ) طاقة من المصدر (مثل فوتون الضوء، أو إصطدام بذرة اخرى) وبعد ذلك تصدر تلك الطاقة على شكل ضوء في خطوتان أو أكثر متتالية. في المصباح الفلورسنت، الضوء فوق البنفسجي الغني بالطاقة ومن خلال الإنبوب المشبع بالفوسفور، ثم يعاد اشعاع الطاقة بإرسال اثنان او ثلاثة موجات إضاءة ذات طاقة اقل. ولكون الطيف المرئي الذي تحسة أعيننا عند مستوى طاقة اقل من الاشعاع فوق البنفسجي، نحن يمكن أن نستعمل الإستشعاع الفوسفوري كمصدر ضوء.

من أين تصدر الاشعة فوق البنفسجي؟

لكي يتوهج بضوئه الأبيض المألوف، نحتاج إلى الفوسفور لكي يقصف بالضوء الفوق بنفسجي خلال المصباح. هذا الضوء الفوق بنفسجي انبعث من ذرات الزئبق الموجودة في الإنبوب المفرغ جزئيا. عندما يمتصّ الزئبق طاقة داخل المصباح (تعمل عادة كنتيجة للتأثر بالألكترونات الحرة السريعة جدا الموجودة في الإنبوب)، ويبعث بكفاءة في المنطقة فوق البنفسجية من الطيف، في الغالب طول موجة من 253.7 nm (وبمعنى آخر: 253.7 بليون متر). جزء صغير جدا من الغاز خلال المصباح هو زئبق؛ ذرات غاز الأرجون تفوق عدد ذرات الزئبق حوالي 300 إلى 1. كلتا النوعين من الذرات مشتركة فقط في أجمالي حوالي 1/100 من الضغط الجوّي خلال المصباح.

أين تحصل الألكترونات الحرة على الطاقة؟

الألكترونات الحرّة التي تصطدم بذرّات الزئبق وتثيرهم كانوا أساسا منزوعين من ذرات الزئبق نفسها. ليستول الطريق للطرف الاخر، وإذا كانت طاقته عالية بما فيه الكفاية، يمكن أن يحرر إلكترون من ذرة اخرى ويخلق إلكترون حر إضافي. اما إذا كانت طاقته ليست عالية بما فيه الكفاية عندما تصطدم بذرة زئبق، يمكن أن يثير الزئبق بطريقة معينة بحيث أن الزئبق سيبعث اشعة فوق بنفسجية عندما يتخلى عن طاقته. تصنف هذه المجموعة من الألكترونات الحرة وآيونات الزئبق المتبقية مزيج الزئبق والأرجون كبلازما.

البلازما والفضاء

يعتقد العديد من الناس الفضاء بين الشمس وكواكبها فارغة لا تحتوي على شئ, فراغ مجرد من الطاقة أو المادة. لكن الفضاء ليس خاليا. تبعث شمسنا البلازما بشكل ثابت, المادة في حالة ساخنة بشدة، التي تنتقل بكل الإتجاهات في سرعات عالية المستوى جدا لتملئ كامل النظام الشمسي وما بعده.

بدراسة العمليات التي تحدث في غلاف الأرض المغناطيسي (حيث حقل الأرض المغناطيسي له تأثير أعظم من حقل الشمس الواسع بين الكواكب)، في الفضاء الواسع بين الكواكب، وحول كواكب أخرى، نحن قادرون بشكل أفضل على تقدير الدور المهم للبلازما في كافة أنحاء الكون البلازمي. يعتبر هذا المختبر الفضائي البلازمي نافذتنا إلى النجوم.

إن الغلاف المغناطيسي للارض مختفي عادة بسبب أن الهيدروجين المسيطر وآيونات الهليوم التي تصل في خلال الريح الشمسية لا تبعثر الضوء إلى أطوال الموجة المرئية. على أية حال، تبعث المذنبات آيونات أثقل تكون مرئية والتي ينشأ عنها ذيل من البلازما الرائع الشكل . صور غلاف الأرض المغناطيسي تظهر كأنها منطقة تفاعل مذنب كبيرة جدا.

إن الشمس هو نجم متغير، خصوصا في نواتجه من الإشعاع فوق البنفسجي والأشعة السينية والجزيئات والحقول المغناطيسية. الإختلافات الكبيرة المرسلة يحدث في كافة الأنحاء التي تقع داخل نطاق تأثير الشمس، وتدعى هيلوسفير Heliosphere والتي تتضمن الرياح الشمسية وكل غلاف النظام الشمسي المغناطيسي. ويعتبر الطقس الفضائي هو دراسة لكيفية ومدى تأثير بيئة الفضاء على رواد الفضاء وعمليات الاقمار الصناعية وأنظمة الإتصال وشبكات الكهرباء الأرضية. على المدى البعيد، الطقس الفضائي يمكن أن يساهم في تغيير مناخ عالمي بصفة أولية من خلال التغير البطئ في الإشعاع الشمسي.

بينما تتدفق الرياح الشمسية أمام غلاف الأرض المغناطيسي، يتفاعل مع الحقل الجيومغناطيسي ويعمل كمولد كوني الذي ينتج ملايين الأمبيرات من التيار الكهربائي. بعض هذا التيار الكهربائي يصب في الغلاف الجوي العلوي للأرض الذي يضيئ مثل إنبوب نيون لخلق الشفق القطبي الجميل. إن الشفق دائما موجودا ذلك لأن مصدر الريح الشمسية متواجد دائما، وهم يشكلون حلقة من الإشعاعات ضمن الأيونوسفير تتمركز على كلا القطبين المغناطيسي في خط عرض عالي. على أية حال، عادة ما يروا ماعدا في الليل وأثناء العواصف الجيومغناطيسية. في منتصف الشتاء، سكّان فيربانكس وهي منطقة في الاسكا، يتمتعون بعرضين للشفق كل ثلاث ليالي.

مراجع

^ Crookes presented a lecture to the British Association for the Advancement of Science, in Sheffield, on Friday, 22 August 1879 [1] [2]
^ Announced in his evening lecture to the Royal Institution on Friday, 30th April 1897, and published in Philosophical Magazine, 44, 293 [3]
^ ^أ ^ب I. Langmuir, "Oscillations in ionized gases," Proc. Nat. Acad. Sci. U.S., vol. 14, p. 628, 1928
^ G. L. Rogoff, Ed., IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 19, p. 989, Dec. 1991. See extract at http://www.plasmacoalition.org/what.htm
^ It is often stated that more than 99% of the universe is plasma. See, for example, D. A. Gurnett, A. Bhattacharjee, Introduction to Plasma Physics: With Space and Laboratory Applications (2005) (Page 2) and also K Scherer, H Fichtner, B Heber, "Space Weather: The Physics Behind a Slogan" (2005) (Page 138). Essentially all of the visible light from space comes from stars, which are plasmas with a temperature such that they radiate strongly at visible wavelengths. Most of the ordinary (or baryonic) matter in the universe, however, is found in the intergalactic medium, which is also a plasma, but much hotter, so that it radiates primarily as x-rays. The current scientific consensus is that about 96% of the total energy density in the universe is not plasma or any other form of ordinary matter, but a combination of cold dark matter and dark energy.
^ IPPEX Glossary of Fusion Terms
^ R. O. Dendy, Plasma Dynamics.
^ Hillary Walter, Michelle Cooper, Illustrated Dictionary of Physics
^ Daniel Hastings, Henry Garrett, Spacecraft-Environment Interactions
^ See The Nonneutral Plasma Group at the University of California, San Diego
^ See Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning

تصنيف الصفحة: فيزياء البلاسما