پلاسما (فیزیک)

پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه می‌دهد. واژه پلاسما به گاز یونیزه‌شده‌ای گفته می‌شود که همه یا بخش قابل توجهی از اتم‌های آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه‌شده‌ای که تعداد الکترون‌های آزاد آن تقریباً برابر با تعداد یون‌های مثبت آن باشد، پلاسما گفته می‌شود.

 

تاریخچه

در سال ۱۸۷۹ (میلادی) فیزیکدان انگلیسی سر ویلیام کروکس، هنگام بررسی ویژگی‌های ماده در تخلیهٔ الکتریکی، پیشنهاد کرد که نوع خاص گاز به عنوان حالت چهارم ماده نامگذاری شود.

دما در حالت پلاسما

در حالت‌های جامد، مایع و گاز، دما را می‌توان از روی دامنهٔ حرکت (سرعت نوسان) ذرات سازندهٔ ماده تعریف کرد اما در حالت پلاسما، دما از روی میزان جدایش یون‌های مثبت از الکترون‌ها تعریف می‌شود.

گفته می‌شود ۹۹٪ ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست. این برآورد، تخمین معقولی است از این واقعیت که ماده درون ستارگان و اتمسفر اطراف آن‌ها ابرهای گازی و نیز فضای بین ستارگان اغلب بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما، هنگامی که جو زمین را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می‌شویم که شامل کمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است. با نگاهی به زندگی پیرامونمان می‌توان نمونه‌های متنوعی از پلاسما را یافت. جرقه رعد و برق، تابش ملایم شفق قطبی، گازهای داخل یک لامپ فلورسان یا لامپ نئون و یونیده‌کردن و لامپ مهتابی. مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده می‌شود.

با این وجود حالت غالب ماده در جهانی که ما زندگی می‌کنیم جامد، مایع و گاز می‌باشند. بنابراین می‌توان گفت ما در ۱ درصدی از جهان زندگی می‌کنیم که در آن چیزی به جز پلاسما غلبه دارد.

	پارامترهای عمومی پلاسما: بر حسب بزرگی
مشخصات	پلاسمای زمینی	پلاسماهای کیهانی
اندازه به متر	۱۰−۶ m (پلاسمای آزمایشگاهی) تا ۱۰۲ m (رعد) (~۸ از مرتبه)	۱۰−۶ متر (پوشش سفینه فضایی) to ۱۰۲۵ متر (سهابی میان کهکشانی) (~۳۱ OOM)
طول عمر به ثانیه	۱۰−۱۲ ثانیه (پلاسمای ایجاد شده توسط لیزر) تا ۱۰۷ ثانیه (نور فلئورسنت) (~۱۹ از مرتبه)	۱۰۱ ثانیه (solar flares) تا ۱۰۱۷ s (پلاسمای میان کهکشانی) (~۱۷ از مرتبه)
چگالی ذره در متر مکعب متر مربع	۱۰۷ m-۳ تا ۱۰۳۲ m-۳ (inertial confinement plasma)	۱۰۰ (۱) m-۳ (میان کهکشانی متوسط) تا ۱۰۳۰ m-۳ (هسته ستاره)
دما به کلوین	~۰ K (crystalline non-neutral plasma[۱]) to ۱۰۸ K (پلاسمای همجوشی مغناطیسی)	۱۰۲ K (شفق قطبی) تا ۱۰۷ K (هسته خورشید)
میدان‌های مغناطیسی به تسلا	۱۰−۴ تسلا (پلاسمای آزمایشگاهی) تا ۱۰۳ T (پلاسمای ایجاد شده توسط پالس)	۱۰−۱۲ تسلا (میان کهکشانی متوسط) تا ۱۰۱۱ T (نزدیک ستاره‌های نوترونی)

انواع پلاسما

1.پلاسما رسانا 2.پلاسما غیر رسانا

پلاسمای جو

نزدیکترین پلاسما به کره زمین، یونوسفر است که از ۱۵۰ کیلومتری سطح زمین شروع می‌شود و به طرف بالا ادامه می‌یابد. لایه‌های بالاتر یونسفر، فیزیک سیستم‌ها به فرم پلاسما هستند که توسط تابش موج کوتاه در حوزه وسیعی، از طیف اشعه فرابنفش گرفته تا پرتوهای ایکس و همچنین به‌وسیله پرتوهای کیهانی و الکترون‌هایی که به گلنونسفر برخورد می‌کنند یونیزه می‌شوند.

شفق قطبی

پدیده شفق نیز گونه‌ای پلاسما است که تحت اثر یونیده‌شدن ایجاد می‌شود. یونسفر پلاسمایی با جذب پرتوهای ایکس، فرابنفش، تابش خورشیدی، بازتاب امواج کوتاه و رادیویی اهمیت اساسی در ارتباط رادیویی در سراسر جهان دارد. زهره و مریخ نیز لایه یونسفری دارند.

سیاره‌ها

ملاحظات نظری نشان می‌دهد که در دیگر سیاره‌های منظومه شمسی نظیر مشتری، زحل، اورانوس و نپتون نیز باید یونسفرهای قابل مشاهده وجود داشته باشد. فضای بین سیاره‌ای نیز از پلاسمای بین سیاره‌ای در حال انبساط پر شده که محتوای یک میدان مغناطیسی ضعیف (نزدیک به ۵۱۰۰ تسلا) است.

هسته‌های دنباله‌دارها

هسته‌های دنباله‌دارها نیز به فضای میان پلاسمایی پرتاب می‌کند. از طرف دیگر، خورشید منظومه شمسی مانند یک کره پلاسمایی است. درخشندگی زیاد خورشید مانند درخشندگی پلاسمایی است. خورشید به سه بخش گازی فتوسفر، کروموسفر و کورونا (که دمای کرونای آن بیش از یک میلیون درجه سانتی‌گراد است) احاطه شده‌است و انتظار می‌رود که هزاران سال به درخشندگی خود ادامه بدهد.

جرقه رعد و برق، نمونه‌ای از پلاسما در زندگی روزمره

کاربردهای فیزیک پلاسما

قدیمیترین کار با پلاسما، مربوط به لانگمیر، تانکس و همکاران آن‌ها در سال ۱۹۲۰ می‌شود. تحقیقات در این مورد به سبب نیاز برای توسعه لوله‌های خلائی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند، و در نتیجه می‌بایست از گازهای یونیده‌شده پر شوند، احساس می‌شد.

همجوشی گرما هسته‌ای کنترل شده توسط میدان‌های مغناطیسی

فیزیک پلاسمای جدید (از حدود ۱۹۵۲ که در آن ساختن راکتوری بر اساس کنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید)، آغاز می‌شود.

ر.ک:

• International Thermonuclear Experimental Reactor

• Spherical Stellarator

• DIII-D Experimental Tokamak

همجوشی هسته‌ای کنترل شده توسط لیزرهای پر توان

ر.ک:

• LLNL Inertial Confinement Fusion

• The Cascade inertial confinement fusion reactor concept

• SOMBRERO ICF Reactor

فیزیک فضا

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

تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک (MHD) و پیشرانش یونی

دو کاربرد عملی فیزیک پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک میدان مغناطیسی پیش‌رانده می‌شود، است.

پلاسمای حالت جامد

الکترون‌های آزاد و حفره‌ها در نیمهرساناها، پلاسمایی را تشکیل می‌دهند که همان نوع نوسانات و ناپایداری‌های یک پلاسمای گازی را دارد.

لیزرهای گازی

عادی‌ترین پمپاژ (تلمبه کردن) یک لیزر گازی، یعنی وارونه کردن جمعیت حالاتی که منجر به تقویت نور می‌شود، استفاده از تخلیه گازی است.

دیگر کاربردها

• چاقوی پلاسما

• تلویزیون پلاسما

• تفنگ الکترونی

• لامپ پلاسما

• صنایع پزشکی

• راکتورهای هسته ای

• صنایع نظامی

جستارهای وابسته

• فازهای ماده

• چگالی فرمیونی

• نظریه میدان

• پلاسمای کوارک گلوئون