ماذا تعرف عن البلازما

ما هو مفهوم البلازما؟

البلازما في الفيزياء، هي وسيط موصل كهربائيًا يوجد فيه عدد متساوٍ تقريبًا من الجسيمات المشحونة سالبًا وإيجابيًا، وينتج عندما تتأين ذرات الغاز، يشار إليها أحيانًا بالحالة الرابعة للمادة، وهي متميزة عن الحالات الصلبة والسائلة والغازية.
عادة ما تحمل الإلكترونات الشحنة السالبة، ولكل منها وحدة واحدة من الشحنة السالبة، تحمل الشحنة الموجبة عادةً الذرات أو الجزيئات التي تفتقد نفس الإلكترونات، في بعض الحالات النادرة والمثيرة للاهتمام، ترتبط الإلكترونات المفقودة من نوع واحد من الذرات أو الجزيئات بمكون آخر، مما ينتج عنه بلازما تحتوي على أيونات موجبة وسالبة.
تحدث الحالة الأكثر تطرفًا من هذا النوع عندما تصبح جزيئات الغبار الصغيرة ولكن العيانية مشحونة في حالة يشار إليها بالبلازما المتربة (المغبرة)، يعود تفرد حالة البلازما إلى أهمية القوى الكهربائية والمغناطيسية التي تعمل على البلازما بالإضافة إلى قوى مثل الجاذبية التي تؤثر على جميع أشكال المادة.
نظرًا لأن هذه القوى الكهرومغناطيسية يمكن أن تعمل على مسافات كبيرة، فإن البلازما ستعمل بشكل جماعي مثل السوائل حتى عندما تكون نادراً ما تصطدم الجسيمات ببعضها البعض، توجد كل المادة المرئية في الكون تقريبًا في حالة البلازما، وتحدث غالبًا في هذا الشكل في الشمس والنجوم وفي الفضاء بين الكواكب وبين النجوم.
الشفق القطبي والبرق وأقواس اللحام هي أيضا بلازما، توجد البلازما في أنابيب النيون والفلوريسنت، وفي التركيب البلوري للمواد الصلبة المعدنية، وفي العديد من الظواهر والأجسام الأخرى، الأرض نفسها مغمورة في بلازما ضعيفة تسمى الرياح الشمسية وتحيط بها بلازما كثيفة تسمى الأيونوسفير.

كيفية إنتاج البلازما:

يمكن إنتاج البلازما في المختبر عن طريق تسخين الغاز إلى درجة حرارة عالية للغاية، مما يتسبب في حدوث تصادمات قوية بين ذراته وجزيئاته، مما يؤدي إلى تمزق الإلكترونات، مما ينتج عنه الإلكترونات والأيونات المطلوبة.
تحدث عملية مماثلة داخل النجوم، وفي الفضاء، تكون عملية تكوين البلازما السائدة هي التأين الضوئي، حيث يتم امتصاص الفوتونات من ضوء الشمس أو ضوء النجوم بواسطة غاز موجود، مما يتسبب في انبعاث الإلكترونات، نظرًا لأن الشمس والنجوم تتألق باستمرار، فإن كل المادة تقريبًا تتأين في مثل هذه الحالات، ويقال إن البلازما مؤينة بالكامل.
لا يجب أن يكون هذا هو الحال، على الرغم من ذلك، قد تتأين البلازما جزئيًا فقط، إن بلازما الهيدروجين المتأينة بالكامل، والتي تتكون فقط من الإلكترونات والبروتونات (نوى الهيدروجين)، هي أكثر البلازما الأولية.

تطور فيزياء البلازما:

يرجع أصل المفهوم الحديث لحالة البلازما إلى أوائل الخمسينيات فقط من القرن الماضي، يتشابك تاريخها مع العديد من التخصصات، قدمت ثلاثة مجالات أساسية للدراسة مساهمات مبكرة فريدة لتطوير فيزياء البلازما كتخصص: التفريغ الكهربائي، الديناميكا المائية المغناطيسية (حيث يتم دراسة السوائل الموصلة مثل الزئبق) والنظرية الحركية.
يمكن إرجاع الاهتمام بظاهرة التفريغ الكهربائي إلى بداية القرن الثامن عشر، مع وجود ثلاثة فيزيائيين إنجليز – مايكل فاراداي في ثلاثينيات القرن التاسع عشر وجوزيف جون طومسون وجون سيلي إدوارد تاونسند في مطلع القرن التاسع عشر، حيث وضعوا أسس الفهم الحالي للظواهر.
قدم إيرفينغ لانجموير مصطلح البلازما في عام 1923 أثناء التحقيق في التفريغ الكهربائي، في عام 1929 استخدم هو ولوي تونكس، وهو فيزيائي آخر يعمل في الولايات المتحدة، المصطلح لتعيين مناطق التفريغ التي يمكن أن تحدث فيها اختلافات دورية معينة للإلكترونات سالبة الشحنة، وأطلقوا على هذه التذبذبات تذبذبات البلازما، ويشير سلوكهم إلى سلوك مادة تشبه الهلام.
ومع ذلك، لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1952، عندما اعتبر اثنان من علماء الفيزياء الأمريكيين؛ ديفيد بوم وديفيد باينز أن السلوك الجماعي للإلكترونات في المعادن يختلف عن ذلك في الغازات المتأينة، حيث كان التطبيق العام لمفهوم البلازما موضع تقدير كامل.
إن السلوك الجماعي للجسيمات المشحونة في المجالات المغناطيسية ومفهوم المائع الموصّل متضمنان في الدراسات الديناميكية المغناطيسية المائية، التي وضع أسسها في أوائل ومنتصف القرن التاسع عشر من قبل فاراداي وأندريه ماري أمبير من فرنسا.
لم يتم النظر في العديد من المشاكل الأساسية للتفاعل المتبادل بين الغازات المتأينة والمجالات المغناطيسية حتى ثلاثينيات القرن الماضي، عندما تم اكتشاف ظواهر شمسية وجيوفيزيائية جديدة.
في عام 1942 قدم الفيزيائي السويدي Hannes Alfvén مفهوم الموجات المغناطيسية الديناميكية، أدت هذه المساهمة، إلى جانب دراساته الإضافية للبلازما الفضائية، إلى حصول ألفين على جائزة نوبل في الفيزياء.

تعرف الى النظرية الحركية للبلازما:

تم توحيد النهجين المنفصلين؛ دراسة التفريغ الكهربائي ودراسة سلوك السوائل الموصلة في المجالات المغناطيسية – من خلال إدخال النظرية الحركية لحالة البلازما، تنص هذه النظرية على أن البلازما مثل الغاز تتكون من جزيئات في حركة عشوائية، يمكن أن تكوّن تفاعلاتها من خلال قوى كهرومغناطيسية بعيدة المدى وكذلك عن طريق الاصطدامات.
في عام 1905 طبق الفيزيائي الهولندي هندريك أنطون لورنتز المعادلة الحركية للذرات (الصيغة التي وضعها الفيزيائي النمساوي لودفيج إدوارد بولتزمان) على سلوك الإلكترونات في المعادن، طور العديد من الفيزيائيين والرياضيين في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين نظرية حركية البلازما بدرجة عالية من التطور، منذ أوائل الخمسينيات من القرن الماضي تركز الاهتمام بشكل متزايد على حالة البلازما نفسها.
إن استكشاف الفضاء وتطوير الأجهزة الإلكترونية والوعي المتزايد بأهمية المجالات المغناطيسية في الظواهر الفيزيائية الفلكية، والبحث عن مفاعلات الطاقة النووية الحرارية (الاندماج النووي) قد حفزت هذا الاهتمام.
تظل العديد من المشكلات دون حل في أبحاث فيزياء البلازما الفضائية؛ بسبب تعقيد الظواهر، على سبيل المثال، يجب أن تتضمن أوصاف الرياح الشمسية ليس فقط المعادلات التي تتعامل مع تأثيرات الجاذبية ودرجة الحرارة والضغط حسب الحاجة في علوم الغلاف الجوي ولكن أيضًا معادلات الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل اللازمة لوصف المجال الكهرومغناطيسي.

البلازما الباردة والدافئة والساخنة:

البلازما الباردة والدافئة والساخنة في المختبر في العمود الموجب لأنبوب تفريغ الوهج: هناك بلازما تتكون من نفس عدد الإلكترونات والأيونات، في تفريغ الغاز منخفض الضغط، فإن معدل الاصطدام بين الإلكترونات وجزيئات الغاز ليس متكررًا بدرجة كافية لوجود توازن غير حراري بين طاقة الإلكترونات وجزيئات الغاز.
لذلك تتكون الجسيمات عالية الطاقة في الغالب من إلكترونات بينما تكون طاقة جزيئات الغاز حول درجة حرارة الغرفة، لدينا Te >> Ti >> Tg حيث Te و Ti و Tg هي درجات حرارة جزيئات الإلكترون والأيون والغاز على التوالي.
هذا النوع من البلازما يسمى بلازما باردة، في حالة تفريغ الغاز عالي الضغط، يحدث التصادم بين الإلكترونات وجزيئات الغاز بشكل متكرر، هذا يسبب التوازن الحراري بين الإلكترونات وجزيئات الغاز، لدينا Te ≃ Tg، حيث نطلق على هذا النوع من البلازما اسم البلازما الساخنة، في البلازما الباردة، تكون درجة التأين أقل من 10-4.
أيضا يشار إلى البلازما أحيانًا على أنها ساخنة إذا كانت مؤينة بالكامل تقريبًا، أو باردة إذا كان جزء صغير فقط (على سبيل المثال 1٪) من جزيئات الغاز متأينًا، ولكن هناك تعريفات أخرى للمصطلحات ساخن البلازما والبلازما الباردة شائعة، حتى في البلازما الباردة، لا تزال درجة حرارة الإلكترون عادةً عدة آلاف من درجات مئوية.

البلازما الساخنة (البلازما الحرارية):

بلازما ساخنة في حالة تقترب من حالة التوازن الديناميكي الحراري المحلي (LTE)، البلازما الساخنة تسمى أيضًا بلازما حرارية، ولكن في الأدب الروسي بلازما منخفضة الحرارة من أجل تمييزها عن بلازما الاندماج النووي الحراري، يمكن إنتاج هذه البلازما عن طريق أقواس الغلاف الجوي والشرر واللهب.

البلازما الباردة (بلازما غير حرارية):

البلازما الباردة هي التي يمكن فيها تجاهل الحركة الحرارية للأيوناتن وبالتالي لا توجد قوة ضغط، ويمكن تجاهل القوة المغناطيسية، وتعتبر القوة الكهربائية فقط هي المؤثرة على الجسيمات، تشمل أمثلة البلازما الباردة الغلاف الأيوني للأرض (حوالي 1000 كيلو مقارنة بدرجة حرارة تيار حلقة الأرض البالغة حوالي 108 كلفن)، تدفق التدفق في أنبوب الفلورسنت.

البلازما شديدة البرودة:

البلازما شديدة البرودة هي التي تحدث عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 1 كلفن ويمكن تشكيلها عن طريق تأيين الذرات المبردة بالليزر، تميل البلازما شديدة البرودة إلى أن تكون حساسة نوعًا ما، ويتم إجراء التجارب في الفراغ.

ما المقصود بتأين البلازما:

درجة تأين البلازما هي نسبة الجسيمات المشحونة إلى العدد الإجمالي للجسيمات بما في ذلك المحايدة والأيونات، وتُعرف على النحو التالي: α = n⁺ / (n + n⁺ ) حيث n هو عدد العناصر المحايدة، و n⁺ هو عدد الجسيمات المشحونة α هو الحرف اليوناني ألفا.

ماهي البلازما المثالية وغير المثالية:

البلازما المثالية هي التي تكون فيها اصطدامات كولوم ضئيلة، وإلا فإن البلازما ليست مثالية، وعند الكثافة المنخفضة يمكن اعتبار البلازما المتأينة جزئيًا منخفضة الحرارة على أنها مزيج من الغازات المثالية للإلكترونات والذرات والأيونات.
تنتقل الجسيمات بسرعات حرارية، بشكل أساسي على طول مسارات مستقيمة، وتتصادم مع بعضها من حين لآخر فقط بعبارة أخرى، تثبت أوقات المسار الحر أكبر من أوقات التفاعل بين الجسيمات، ومع زيادة الكثافة تنخفض المسافات المتوسطة بين الجسيمات وتبدأ الجسيمات في قضاء المزيد من الوقت في التفاعل مع بعضها البعض، أي في مجالات الجسيمات المحيطة.
في ظل هذه الظروف، تزداد الطاقة المتوسطة للتفاعل بين الجسيمات، عندما تصبح هذه الطاقة قابلة للمقارنة مع متوسط ​​الطاقة الحركية للحركة الحرارية، تصبح البلازما غير مثالية.