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 نمونه ای 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 شده ای 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 شده ای 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.
حفاظ دبای
یكی از مشخصات اساسی رفتار پلاسما ، توانایی آن برای ایجاد حفاظ در مقابل پتانسیلهای الكتریكی است كه به آن اعمال میشوند. فرض كنید بخواهیم با وارد كردن دو گلوله بارداری كه به یك باتری وصل شده اند 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 اصطلاحاً 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 هسته ای 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 نوع نوسانات 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.

توضيح كامل تري از پلاسما:

گازهايي كه تا حد زيادي يونيزه هستند رساناهاي خوبي براي الكتريسيته هستند. علاوه بر آن حركت ِ ذرات باردار ِ گازها هم مي تواند ميدان الكترومغناطيسي توليد كند. (تابش موج). وقتي گاز يونيزه تحت تأثير يك ميدان الكتريكي ِ ساكن قرار بگيرد حاملهاي بار در اين گاز به سرعت طوري مجددا توزيع مي شوند كه قسمت اعظم گاز در مقابل ميدان محافظت مي شود. لانگ موير ( Langmuir ) در سال 1929 در مجله ي Physical     Review letters  شماره ي 33 صفحه ي 954 ناحيه اي از گازها را كه نسبتا خالي از ميدان است و محافظت شده است و در آن بارهاي مثبت و منفي در توازن اند پلاسما ناميد و نواحي محافظ روي مرز ِ پلاسما را پوشينه ناميد.

از مهمترين خواص پلاسما اينست كه مي كوشد از لحاظ الكتريكي خنثي بماند .

در ابتدا پلاسما در ارتباط با تخليه ي الكتريكي در گازها و قوسهاي الكتريكي و شعله ها مورد نظر بود اما اينك در اخترفيزيك نظري، مسأله ي گداخت و راكتورهاي هسته اي گرمايي و مهار ِ يونها هم مورد اهميت است. براي تشكيل پلاسما نيازمند ِ دماي بالايي هستيم تا توانايي تفكيك الكترونها را از يونهاي مثبت در گازها داشته باشيم. جايي كه الكترونش يك طرف و يونهاي مثبتش يك طرف ديگر باشد را پلاسما مي گويند. براي ايجاد پلاسما از راكتور گرمايي استفاده مي شد اما جديداً از ليزر و مواد جامد هم استفاده مي شود.

سه شیوه ی مختلف برای بررسی پلاسما وجود دارد :

1-نظریه ی جنبشی تعادل

2-نظریه مدار

3-نظریه ی هیدرومغناطیسی ماکروسکوپی

نظریه ی تعادل : مبنی بر آمار بولتزمن است و نشان می دهد که اگر بار خارجی q در پلاسما قرار داشته باشد در فاصله ای موسوم به طول دبی توسط پلاسما محافظت می شود.یعنی پتانسیل کولنی حفاظت نشده ی q/4pi*epsilon*r با فرمول زیر عوض می شود:

(phi (potential) = ( q / 4*pi*epsilon*r ) * exp (-r/h
(h= sqr ( epsilon*k*T/2N0e2
e = بار الکتریکی
h= طول دبی

نظریه مدار یا حرکت ذرات در میدان مغناطیسی هم بحث آینه های مغناطیسی را ایجاد می کند. برای نگه داشتن پلاسما نیاز به ظرف داریم ولی این ظرف چیزی بجز کاسه ای فرضی که دیواره هایش میدان مغناطیسی است نمی باشد. این ظرف مغناطیسی در واقع باعث پیچ خوردن و دایره ای شدن حرکت ذرات در پلاسما می شود. ظرف مغناطیسی میدانی نایکنواخت و همگرا اطراف پلاسماست که هرچه از پلاسما دور می شود مقدارش قوی تر می شود . اگر ذره ی بارداری در پلاسما را تصور کنیم که حرکت پیچشی حول محور مغناطیسی مذکور داشته باشد شعاع حرکتش همان شعاع لارمور است که از رابطه ی نیروی وارد بر ذره ی متحرک به جرم m و سرعت v و بار q با میدان مغناطیسی خارجی B ناشی می شود :

F = q(v_*B)
F=m. a , F=mv²/R
Rشعاع لارمور = m vعمود / q.B

پس هر چه دورتر از پلاسما می شویم با افزایش قدرت میدان مغناطیسی شعاع چرخش دوران کم می شود و کم کم سرعت ذره کاهش می یابد. پس مارپیچ تنگ تر و حرکت محوری کندتری توسط ذرات طی می شود تا اینکه مثل اینکه به آینه برخورد کرده باشند بر می گردند. به این پدیده «آینه ی مغناطیسی» می گویند.

نظریه هیدرو مغناطیسی : یعنی قانون نیروی ماکروسکوپی برای حجم واحد یا بازی با شارها (flows). میدان مغناطیسی که حکم ظرف را برای پلاسما دارد فشاری معادل با press = B²/2.mu اعمال می کند. این اثر را تنگش مغناطیسی گویند.

روش تولید پلاسما :

الف) تخلیه الکتریکی:

 پلاسما رسانای بسیار خوبی برای برق است و در مواردی حتی بهتر از بهترین رساناهای فلزی عمل می­کند. اگر مقداری گاز معمولی را یونیزه کنیم، یعنی درون آن تخلیه الکتریکی انجام دهیم، گاز به پلاسما تبدیل می­شود زیرا تخلیه الکتریکی سبب می­شود ذرات گاز باردار شوند. هر اتم معمولی از یک هسته با بار مثبت و ابری از الکترونها با بار منفی در اطراف آن تشکیل شده است. بار الکتریکی اتم در حالت عادی صفر است.

اگر میدان الکتریکی نیرومندی بر گازی معمولی اعمال کنیم ممکن است تعدادی از الکترونها، اتمهای خود را ترک کنند. هر اتم که به این ترتیب تحت تاثیر قرار بگیرد به طور مثبت باردار می­شود و در این حالت می­گوییم اتم به یون تبدیل شده است. الکترونهای جدا شده که بار منفی دارند آزادانه در دستگاه حرکت می­کنند. این الکترونهای آزاد از میدان الکتریکی انرژی می­گیرند و سرعتشان زیاد و زیادتر می­شود و در این روند به اتمهای دیگر برخورد می­کنند و سبب آزاد شدن الکترونهای بیشتر می­شوند.

این کار به طور پی در پی صورت می­گیرد و تعداد الکترونهای آزاد شده رفته رفته زیادتر می­شوند. این فرآیند به فرآیند آبشاری معروف است. در این میان تخلیه الکتریکی گسترش می­یابد و جریان الکتریکی برقرار می­شود. گاز قبل از تخلیه الکتریکی در آن نارسانا بود در مواقعی که تخلیه الکتریکی بسیار قدرتمندی انجام می­گیرد، ممکن است تمام اتمهای گاز به سبب فرآیند آبشاری یونیزه شوند و گاز به پلاسما تبدیل شود.

ب) تولید پلاسما در درجه حرارت های بالا :

با رساندن دمای گاز به درجه حرارتهای بالا نیز می­توان پلاسما بوجود آورد. دمای لازم برای تولید این نوع پلاسما به روش یونیزاسیون حرارتی بسیار زیاد و از مرتبه ده ها هزار درجه است و واقعیت این است که دانشمندان در مواقع بسیار نادر و ویژه از این روش برای تولید پلاسما استفاده می­کنند.

ولی از طرف دیگر، فیزیک دانان متخصص پلاسما علاقه بسیار زیادی دارند تا رفتارهای پلاسمای کاملا یونیزه شده را بررسی کنند. در این میان اخترشناسان می­توانند در مورد رفتار پلاسما به فیزیکدان­ها کمک کنند زیرا 99 % جهان هستی پلاسما است.

در اعماق ستاره­ها، دما بسیار بالا بوده و تمام ماده به شکل پلاسما است. در این دما چهار هسته هیدروژن با هم ترکیب می­شوند و یک هسته­ی هلیوم بوجود می­آورند. در این فرآیند که همجوشی هسته­ای نام دارد، مقداری انرژی­ به دست می­آید که از خورشید یا دیگر ستاره ها آزاد می­شود و در مورد فرآیند همجوشی هسته­ای باید گفته شود که این فرآیند در بمب­های هیدروژنی در کسری از ثانیه رخ می­دهد.

دانشمندان تلاش می­کنند که با کنترل و ابقای همجوشی هسته­ای هیدروژنی به منابع ارزان و پر توان انرژی دست یابند. از دیگر کاربردهای پلاسما می­توان به موارد متالوژی، تهیه آلیاژها، پرتاب موشک­ها به فضا، حفاری، برش قطعات فولادی، تهیه استیل، تهیه اکسید تیتانیم، بازیابی اکسید فلزات در آهن، سرب قلع و پوشش­دهی فلزات به منظور حفاظت آنها در برابر حرارت زیاد و برای محافظت قطعات توربین گاز در هواپیما نام برد.

تاريخچة مختصري از فيزيك پلاسما

وقتي خون از گلبول‌ها و ذرات ديگر تصفيه مي‌شود مايعي شفاف باقي مي‌ماند كه پلاسما ناميده مي‌شود. پلاسما از كلمه يوناني plasoo به معني بسته شده يا ژله‌اي گرفته شده است و اولين بار بوسيله دانشمند چك جوناس پاركيج (1869-1787) استفاده شد در 1927 شيميدان آمريكايي برنده جايزه نوبل ايروبنگ لانگمير اولين بار اين لغت را براي توصيف يك گاز يونيزه استفاده كرد. لانگمير در روشي كه پلاسماي خون گلبول‌هاي قرمز و سفيد را انتقال مي‌دهد و روشي كه يك سيال الكتريكي الكترون‌ها و يونها را انتقال مي‌دهد تأمل كرده بود. لانگمير همراه با هم دانشگاهي‌اش لويي تانگ روي فيزيك و شيمي يك فيلامان تنگستن يك لامپ تحقيق مي‌كردند هدف آنها يافتن راهي براي افزايش بيشتر طول عمر فيلامنت بود (هدفي كه نهايتاً به آن رسيدند) در اين فرآيند او نظريه غلاف‌هاي پلاسم را بسط و توسعه داد.

همچنين او مناطق خاصي از پلاسماي لامپ تخليه را كشف كرد كه تغييرات متناوبي از چگالي الكترون را نشان مي‌داد كه امروزه امواج لانگمير مي‌گوييم اين سرآغاز فيزيك پلاسما بود. امروزه تحقيقات لانگمير به صورت اصول نظري در بسياري از فرآيندهاي فني براي ساختن مدارهاي مجتمع دخالت زيادي دارد.

بطور كلي بعد از لانگموير تحقيقات پلاسما در جهات ديگري گسترش يافت كه به ويژه پنج تا از آنها مهمترند.

اول توسعه پخش راديويي عامل كشف يونسفر زمين شد، لايه‌اي از گاز قسمتي يونيزه در بالاي اتمسفر كه امواج راديويي را انعكاس مي‌دهد و عاملي براي اين پديده است كه وقتي علامت‌هاي راديويي فرستنده بالاي افق هستند مي‌توانند دريافت شوند. البته گاهي اوقات متأسفانه يونسفر امواج راديويي را جذب و وا مي‌پيچاند براي نمونه ميدان مغناطيسي زمين عامل موجهايي با قطبيت متفاوت (نسبت به جهت ميدان مغناطيسي) با سرعت‌هاي انتشار متفاوت است، اثري كه منشاء «علامت‌هاي سايه‌اي» (يعني علامت‌هايي كه كمي قبل يا كمي بعد از علامت اصلي مي‌رسند) مي‌‌تواند باشد.

دوم در اختر فيزيك به زودي درك شد كه بيشتر جهان از پلاسما تشكيل شده و بنابراين براي فهميدن بهتر پديده‌هاي اختر فيزيك نيازمند يك درك بهتر از فيزيك پلاسما هستيم. پيشگام اين حيطه هانس آلفون^[5] بود كه حدود 1940 نظريه مگنتو هيدورديناميك يا M.H.D را كه در آن پلاسما اساساً مانند يك سيال هادي (رسانا) رفتار ميكند توسعه داد. اين نظريه به طور گسترده و هم موفق براي بررسي لكه‌هاي خورشيدي، زبانه‌هاي خورشيدي، باد خورشيدي تشكيل ستارگان و يك لشكر از ديگر موضوع‌هاي كيهان‌شناسي به كار گرفته شد. دو موضوع خاص و جالب در نظريه M.H.D اتصال مجدد مغناطيسي و نظريه دينامو است. اتصال مجدد مغناطيسي فرايندي است كه در آن توپولوژي خطوط ميدان مغناطيس ناگهان تغيير مي‌كند اين منشاء تبديل ناگهاني مقدار زيادي انرژي مغناطيسي به انرژي حرارتي مي‌تواند باشد، همانطور كه تعدادي از ذرات باردار به انرژي‌هاي فوق‌العاده زياد شتاب داده مي‌شود. عموماً تصور بر اين است كه اتصال مجدد مغناطيسي مكانيزم اصلي توصيف‌كننده زبانه‌هاي خورشيدي است. تئوري دينامو چگونگي حركت يك سيال M.H.D را كه مي‌تواند منشاء توليد يك ميدان مغناطيسي ماركوسكوپيك باشد مطالعه مي‌كند اين فرآيند مهم است زيرا وقتي كه فعاليت دينامو ادامه پيدا نكند هم در زمين و هم در خورشيد ميدان‌هاي مغناطيسي نسبتاً به سرعت (به زبان اخترفيزيك) از بين مي‌روند. ميدان مغناطيسي زمين به وسيله حركت هستة مذابش حفظ مي‌شود كه مي‌تواند با يك تقريب مناسب مانند يك سيال M.H.D رفتار كند.

سوم اختراع بمب هيدروژني در 1952 در مورد گداخت گرما هسته‌اي كنترل شده علاقمندي زيادي به عنوان يك منبع توان امكان‌پذير براي آينده ايجاد كرد. در ابتدا اين تحقيقات محرمانه و منحصراً به وسيله ايالات متحده، شوروي و انگلستان به پيش مي‌رفت، با اين وجود در 1958 تحقيق گداخت گرما هسته‌اي طبقه‌بندي شده نبود و اين منجر به انتشار تعداد زيادي مقاله‌ي با اهميت و قوي در اواخر دهة 1950 و اوايل دهة 1960 شد در اين سال‌ها بطور گسترده بحث فيزيك پلاسماي نظري با يك نظم شديد رياضي پديدار گشت. عجيب نيست كه اساساً فيزيكدان‌هاي گداخت يا همجوشي بيشتر به دنبال درك چگونگي محبوس كردن پلاسماي گرما هسته‌اي در متداولترين حالت بوسيله ميدان مغناطيسي هستند و تحقيق در مورد ناپايداري‌هايي كه امكان فرار به آن مي‌دهد.

چهارم در 1958 وان آلن كمربندهاي تشعشي وان آلن كه زمين را دربرگرفته‌اند كشف كرد. با استفاده از اطلاعات انتقال يافته بوسيله ماهواره كاشف آمريكا^[9]، كاوش منظم مگنتوسفر^[10] از طريق ماهواره شروع شد و حوزه فيزيك پلاسماي فضا گشوده شد. دانشمندان فضا نظريه پلاسماي محبوس شده به وسيله ميدان مغناطيسي را از تحقيقات همجوشي نظريه امواج پلاسما را از فيزيك يونسفر و مفهوم اتصال مجدد را به عنوان ساز و كاري براي آزاد كردن انرژي و شتاب دادن به ذرات از اخترفيزيك قرض گرفتند.

سرانجام با پيشرفت ليزرهاي پرقدرت در دهة 1960 حوزة فيزيك پلاسماي ليزري گشوده شد. وقتي يك شعاع ليزر قدرتمند به يك هدف جامد مي‌خورد ذرات بلافاصله كنده مي‌شوند و اشكالي از پلاسما در مرز بين پرتو ليزر و هدف ايجاد مي‌شود. پلاسماي ليزري به خواص (به عنوان مثال چگالي‌هاي مشخصه يك جامد) حداكثر نهايي گرايش دارند كه در بسياري از پلاسماهاي مرسوم يافت نمي‌شوند. كاربرد اصلي فيزيك پلاسماي ليزري رويكردي ديگر به انرژي همجوشي است كه معروف به همجوشي محبوش شدة ماند^[11] است در اين رويكرد پرتوهاي قوي متمركز شده ليزر براي از داخل منفجر كردن يك هدف جامد كوچك استفاده مي‌شود تا به مشخصة چگالي‌ها و دماهاي همجوشي هسته‌اي (مانند مركز يك بمب هيدروژني) برسند. كاربرد جالب ديگر فيزيك پلاسماي ليزر توليد ميدان‌هاي فوق‌العاده قوي است، وقتي كه پالس ليزر با چگالي بالا از بين پلاسما عبور مي‌كند ذرات را شتاب مي‌دهد فيزيكدان‌هاي انرژي‌هاي بالا اميدوارند با استفاده از شيوة شتاب دادن به وسيله پلاسما اندازه و هزينة شتاب دهنده‌هاي ذرات را كاهش دهند.

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: