فیزیك پلاسما (Plasma Physics)

می دانیم كه برای ماده سه حالت جامد ، مایع و گاز در نظر گرفته میشود. اما در مباحث علمی معمولا یك حالت چهارم نیز برای ماده فرض میشود. حدوث طبیعی پلاسما در دماهای بالا ، سبب تخصیص عنوان چهارمین حالت ماده به آن شده است. یك نمونه بسیار طبیعی از پلاسما آتش است بنابراین خورشید نمونهای از پلاسمای داغ بزرگ است.

تعریف پلاسما

پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار و خنثی است كه رفتار جمعی از خود ارائه میدهد. به عبارت دیگر میتوان گفت كه واژه پلاسما به گاز یونیزه شدهای اطلاق میشود كه همه یا بخش قابل توجهی از اتمهای آن یك یا چند الكترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه شدهای كه تعداد الكترونهای آزاد آن تقریبا برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته میشود.

حدود پلاسما

اغلب گفته میشود كه 99% ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شكل گاز الكتریسته داری كه اتمهایش به یونهای مثبت و الكترون منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممكن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت كه درون ستارگان و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن فضای بین ستارگان بصورت پلاسماست. در نزدیكی خود ما ، وقتیكه جو زمین را ترك میكنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می شویم كه شامل كمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است.

در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم. جرقه رعد و برق ، تابش ملایم شفق قطبی ، گازهای داخل یك لامپ فلورسان یا لامپ نئون و یونیزاسیون. مختصری كه در گازهای خروجی یك موشك دیده میشود. بنابراین می توان گفت كه ما در یك درصدی از عالم زندگی میكنیم كه در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمیشود.

آیا كلمه پلاسما یك كلمه بامسما است؟

كلمه پلاسما ظاهرابه نظر می رسد. این كلمه از یك لغت یونانی آمده است كه هر چیز به قالب ریخته شده یا ساخته شده را گویند. پلاسما به علت رفتار جمعی كه از خودشان نشان میدهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد، و اغلب طوری عمل میكند كه گویا دارای رفتار مخصوص به خودش است.

حفاظ دبای

یكی از مشخصات اساسی رفتار پلاسما ، توانایی آن برای ایجاد حفاظ در مقابل پتانیسیلهای الكتریكی است كه به آن اعمال میشوند. فرض كنید بخواهیم با وارد كردن دو گلوله بارداری كه به یك باتری وصل شدهاند یك میدان الكتریكی در داخل پلاسما بوجود آوریم. این گلوله ها ، ذرات یا بارهای مخالف خود را جذب میكنند و تقریبا بلافاصله ، ابری از یونهای اطراف گلوله منفی و ابری اطراف گلوله مثبت را فرا میگیرند.

اگر پلاسما سرد باشد و هیچگونه حركت حرارتی وجود نداشته باشد، تعداد بار ابر برابر بار گلوله میگردد، در این صورت عمل حفاظ كامل میشود و هیچ میدان الكتریكی در حجم پلاسما در خارج از ناحیه ابرها وجود نخواهد داشت. این حفاظ را اصطلاحا حفاظ دبای می گویند.

معیارهای پلاسما

طول موج دبای (لاندای دی) باید خیلی كوچكتر از ابعاد پلاسما ( L ) باشد.

تعداد ذرات موجود در یك كره دبای (ND ) باید خیلی بزرگتر باشد.

حاصلضرب فركانس نوسانات نوعی پلاسما ( W ) در زمان متوسط بین برخوردهای انجام شده با اتمهای خنثی ( t ) باید بزرگتر از یك باشد.

كاربردهای فیزیك پلاسما

- تخلیه های گازی :

قدیمیترین كار با پلاسما ، مربوط به لانگمیر ، تانكس و همكاران آنها در سال 1920 میشود. تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه میگرفت كه برای توسعه لوله های خلائی كه بتوانند جریانهای قوی را حمل كنند، و در نتیجه میبایست از گازهای یونیزه پر شوند احساس میشد.

- همجوشی گرما هستهای كنترل شده:

فیزیك پلاسمای جدید ( از حدود 1952 كه در آن ساختن راكتوری بر اساس كنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید، آغاز میشود.

- فیزیك فضا :

كاربرد مهم دیگر فیزیك پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوستهای از ذرات باردار كه باد خورشیدی خوانده میشود، به مگنتوسفر زمین برخورد میكند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند كه میتوانند در حالت پلاسما باشند.

- تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیك ( MHD ) و پیشرانش یونی:

دو كاربرد عملی فیزیك پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیك ، از یك فواره غلیظ پلاسما كه به داخل یك میدان مغناطیسی پیشرانده میشود، میباشد.

- پلاسمای حالت جامد :

الكترونهای آزاد و حفرهها در نیمه رساناها ، پلاسمایی را تشكیل میدهند كه همان نوعنوسانات و ناپایداریهای یك پلاسمای گازی را عرضه می دارد.

- لیزرهای گازی:

عادیترین پمپاژ ( تلمبه كردن ) یك لیزر گازی ، یعنی وارونه كردن جمعیت حالاتی كه منجر به تقویت نور میشود، استفاده از تخلیه گازی است.

- شایان ذكر است كه كاربردهای دیگری مانند چاقوی پلاسما ، تلویزیون پلاسما ، تفنگ الكترونی ، لامپ پلاسما و غیره نیز وجود دارد كه در اینجا فقط كاربردهای پلاسما در حالت كلی بیان شده است.