پلاسما
فيزيك پلاسما
مي دانيم كه براي ماده سه حالت جامد ، مايع و گاز در نظر گرفته ميشود. اما در مباحث علمي معمولا يك حالت چهارم نيز براي ماده فرض ميشود. حدوث طبيعي پلاسما در دماهاي بالا ، سبب تخصيص عنوان چهارمين حالت ماده به آن شده است. يك نمونه بسيار طبيعي از پلاسما آتش است بنابراين خورشيد نمونهاي از پلاسماي داغ بزرگ است.
تعريف پلاسما:پلاسما گاز شبه خنثايي از ذرات باردار و خنثي است كه رفتار جمعي از خود ارائه ميدهد. به عبارت ديگر ميتوان گفت كه واژه پلاسما به گاز يونيزه شده اي اطلاق ميشود كه همه يا بخش قابل توجهي از اتمهاي آن يك يا چند الكترون از دست داده و به يونهاي مثبت تبديل شده باشند. يا به گاز به شدت يونيزه شده اي كه تعداد الكترونهاي آزاد آن تقريبا برابر با تعداد يونهاي مثبت آن باشد، پلاسما گفته ميشود.
حدود پلاسما:اغلب گفته ميشود كه 99% ماده موجود درکل جهان در حالت پلاسماست، يعني به شكل گاز الكتريسته داري كه اتمهايش به يونهاي مثبت و الكترون منفي تجزيه شده باشد.اين تخمين هر چند ممكن است خيلي دقيق نباشد ولي تخمين معقولي است. از اين واقعيت كه درون ستارگان و جو آنها، ابرهاي گازي و اغلب هيدروژن فضاي بين ستارگان بصورت پلاسماست. در نزديكي خود ما ، وقتيكه جو زمين را ترك ميكنيم بلافاصله با پلاسمايي مواجه مي شويم كه شامل كمربندهاي تشعشعي وان آلن و بادهاي خورشيدي است. در زندگي روزمره نيز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه ميشويم. جرقه رعد و برق ، تابش ملايم شفق قطبي ، گازهاي داخل يك لامپ فلورسان يا لامپ نئون ومختصري كه در گازهاي خروجي يك موشك ديده ميشود. بنابراين ميتوان گفت كه ما در يك درصداز عالم زندگي ميكنيم كه در آن پلاسما بطور طبيعي يافت نميشود.
آيا كلمه پلاسما يك كلمه بامسما است؟ كلمه پلاسما ظاهرا بي مسما به نظر ميرسد. اين كلمه از يك لغت يوناني آمده است كه هر چيز به قالب ريخته شده يا ساخته شده را گويند. پلاسما به علت رفتار جمعي كه از خودنشان ميدهد، گرايشي به متاثر شدن در اثر عوامل خارجي ندارد، و اغلب طوري عمل ميكند كه گويا داراي رفتار مخصوص به خودش است.
حفاظ دباي:يكي از مشخصات اساسي رفتار پلاسما ، توانايي آن براي ايجاد حفاظ در مقابل پتانيسيلهاي الكتريكي است كه به آن اعمال ميشوند. فرض كنيد بخواهيم با وارد كردن دو گلوله باردار متصل به يك باتري در داخل پلاسما ،يك ميدان الكتريكي بوجود آوريم. اين گلوله ها ، ذرات يا بارهاي مخالف خود را جذب ميكنند و تقريبا بلافاصله ، ابري از يونهاي مثبت اطراف گلوله منفي و ابري ازالکترونها اطراف گلوله مثبت را فرا ميگيرند.اگر پلاسما سرد باشد و هيچگونه جنبش حرارتي وجود نداشته باشد، تعداد بارابر، برابر بارگلوله ميگردد، در اين صورت عمل حفاظ كامل ميشود و هيچ ميدان الكتريكي در حجم پلاسما در خارج از ناحيه ابرها وجود نخواهد داشت. اين حفاظ را اصطلاحا حفاظ دباي مي گويند.
تاریخچه:اگر گلبول های مختلف خون ازآن جدا شوند آنچه که باقی می ماند مایعی شفاف است که توسط دانشمندان پزشکی چک پلاسما نامیده شد(برگرفته از کلمه یونانی به معنای ژله یا ماده قابل شکل گیری).جانزپورکنژ شیمیدان آمریکایی(۱۸۶۹-۱۷۸۷)برنده جایزه نوبل اولین بارازاین اصطلاح برای تشریح یک گازیونیزه شده استفاده نمود.لانگمورازنحوه جابجایی یونهاوالکترونها توسط جریان الکتریسیته به چگونگی انتقال گلبولهای سفید وقرمز توسط پلاسما پی برد.لانمگوربه همراه همکارش لویی تونکس ویژگیهای شیمیایی وفیزیکی حبابهای الکتریکی دارای المان تنگستن را برای یافتن راهی برای افزایش عمرمفید تنگستن مورد مطالعه قراردادند.درطی فرایند وی فرضیه (غلاف پلاسما)یعنی لایه های مرزی که بین پلاسماهای یونیزه شده وسطوح جامد تشکیل میشوند را ارایه نمود.وی همچنین دریافت که مناطق ونواحی خاصی از لوله و مجرای تخلیه پلاسما دارای تغییرات نوبه ای تراکم الکترونی بوده که امروز امواج لانگمور نامیده می شوند.این مبنا و پایه فیزیک پلاسما بود.امروز تحقیقات لانگمور مبنای تئوریک بیشترروشهای فرآوری پلاسما برای ساخت مدارات مجتمع را تشکیل میدهند. پس ازلانگمور تحقیقات پلاسما به تدریج دربخشهای دیگرنیز گسترش یافت که از این میان پنج بخش، اهمیت خاصی دارند.
1- توسعه امواج رادیویی منجر به کشف یونسفر زمین شد که لایه ای باگازهای تقریباً یونیزه وبا قابلیت انعکاس امواج رادیویی است. این مطلب موید این حقیقت که اگرفرستنده بالاتراز افق قرارگیرد، می تواند امواج رادیویی رامنعکس نماید.متاسفانه بعضی مواقع یونسفر امواج رادیویی را جذب ومنحرف مینماید.مثلاً میدان مغناطیسی زمین باعث می شود، امواج با ویژگیهای مغناطیسی پلاریزه متفاوت، با سرعتهای مختلف انتشاریابند که این تاثیری است که باعث بوجود آمدن امواج سایه ای میشود (یعنی امواجی که قبل یا بعد از موج اصلی میرسند ghost signals).جهت درک واصلاح بعضی ازنقایص درارتباطات رادیویی دانشمندان متعددی ازجمله آپلتون وبادن به طورسیستماتیک فرضیه انتشارامواج الکترومغناطیسی غیریکنواخت را ارائه نمودند.
2-دانشمندان فیزیک نجومی خیلی سریع دریافتند که بخش اعظم جهان ازپلاسماتشکیل شده و اینکه درک وشناخت بهترفیزیک نجوم، درک وشناخت بهترفیزیک پلاسمارامی طلبد.یکی ازپیشگامان دراین زمینه،هانس آلفن (Hannes Alfven) بود که درحدود سال ۱۹۴۰ فرضیه هیدرودینامیک مغناطیسی یا MHD را ارائه نمود که درآن با پلاسما اساساً به عنوان یک مایع هادی برخورد شد. از این فرضیه به شکلی گسترده و موفقیت آمیز برای بررسی لکه های خورشیدی، شعله های خورشیدی، بادهای خورشیدی ، تشکیل ستارگان و مجموعه ای از دیگر موضوعات، درفیزیک نجوم استفاده شده است.دو موضوع پر اهمیت درفرضیهMHD ، ارتباط مجدد مغناطیسی و فرضیه دینامو ( Dynamo ) است. ارتباط مجدد مغناطیسی Magnetic reconnection فرآیندی است که در آن خطوط میدان مغناطیسی ناگهان تغییر ساختارداده میتوانند باعث تبدیل ناگهانی بخش اعظمی از انرژی مغناطیسی به انرژی حرارتی وهمچنین شتاب و تسریع برخی از ذرات باردار به انرژی بالا شوند. درفرضیه دینامو اینکه چگونه حرکت مایع MHD باعث افزایش تولید میدان مغناطیسی ماکروسکوپی می شود ، مورد مطالعه قرار می گیرد. این فرایندازآن جهت مهم است که میادین مغناطیسی خورشیدی وزمینی، اگرتوسط تاثیر دینامو حفظ نشوند تقریباً سریع ازبین میروند . میدان مغناطیسی زمین توسط حرکت هسته مذاب ،که می توان با تقریب قابل قبولی آن رابه عنوان مایع MHD فرض کرد ، حفظ می شود.
3- تولید بمب اتمی در ۱۹۵۲ توجه همگان را تا اندازه زیادی به گداخت حرارتی هسته ای کنترل شده به عنوان منبع قدرت ممکنه برای آینده جلب نمود. ابتدا این تحقیق به صورت مخفیانه و مستقل توسط آمریکا ، روسیه و انگلستان صورت گرفت . با این حال در ۱۹۵۸ این تحقیقات علنی شده و منجر به انتشارات مقالات بسیار مهم و تاثیر گذار در اواخر دهه ۱۹۵۰ و اوایل دهه ۱۹۶۰ شد. اگر بخواهیم دقیق تر صحبت کنیم فیزیک پلاسمای تئوریک، دراین سالها ابتدا به عنوان یک روش کاملاً مبتنی بر ریاضی ارائه شد . جای تعجب نیست اگربگوییم فیزیکدانان گداختی، بیشتر با شناخت و بررسی شیوه ی محصورسازی پلاسمای هسته ای که اکثراً توسط میدان مغناطیسی انجام میگیردو همچنین بررسی نا پایداریهای پلاسما که باعث فرار (از کنترل خارج شدن ) آن می شود، سروکار دارند.
4- کشف جیمز وان آس در ارتباط با کمربند های تشعشعی اطراف زمین با استفاده از اطلاعات ارسالی توسط ماهواره اکسپلو در آمریکادر ۱۹۵۸ مبنای شروع بررسی سیستماتیک ماگنتوسفر به کمک ماهواره بوده وزمینه فیزیک پلاسمای فضایی راباز نمود. دانشمندان علوم فضایی فرضیه به دام انداختن (کنترل) پلاسما توسط میدان مغناطیسی را از تحقیقات گداختی، وایده ارتباط مجدد مغناطیسی به عنوان مکانیزمی برای آزادسازی انرژی و شتاب ذرات را از فیزیک نجوم گرفتند.
۵-توسعه نیرو با قدرت بالا در دهه ۱۹۶۰ زمینه را برای فیزیک پلاسمای لیزری باز نمود. وقتی یک طیف لیزری با قدرت بـالا بـا هـدفـی جـامـد برخورد نماید مواد سریعاً ذوب شده و در ناحیه (مرز) بین طیف و هدف پلاسما تشکیل می شود. پلاسمای لیزری ویژگیهای تقریبا خاصی (مانند تراکم های خاص جامدات ) داشته که در بیشتر پلاسماهای معمولی یافت نمی شوند. یکی از کاربردهای اصلی پلاسمای لیزری در روشی است که انرژی گداختی به کار رفته و تحت عنوان گداخت حبسی داخلی شناخته می شود. در این روش از تابشهای لیزری کاملاً تمرکز یافته برای انفجار داخلی یک هدف جامد کوچک استفاده میشود، تا زمانیکه چگالی و دمای خاص گداخت هسته ای بدست آید.فیزیکدانان انرژی بالا، امید دارند (بتوانند )از روشهای شتاب پلاسما،برای کاهش چشمگیر ابعاد و هزینه شتاب دهنده های ذرات استفاده نمایند.
