(فيزياء) البلازما
من المعروف ان حالات المادة ثلاث وهى الغازية والسائلة والصلبة في درجات الحرارة العادية ولكن حينما تتعرض المادة لدرجة حرارة عالية جدا مثل باطن الشمس ( هذة الحرارة لا تتوافر على سطح الارض ) فان الالكترونات التى تدور حول النواة تكتسب هذة الطاقة الهائلة فتتحرر من جذب النواة لها وتبقى النواة بدون الكترونات (معراة من الالكترونات ) وتسمى المادة في هذة الحالة ب " البلازما " اى ان حالات المادة اربعة وهى الغازية - والسائلة - الصلبة - البلازما مع ملاحظة انه لكى يحدث تفاعل اندماجى نووى لابد اولا ان تكون الانوية عارية من الالكترنات حتى يسهل اندماجها اى تكون في حالة البلازما ( كما يحدث في التفاعل الاندماجى في باطن الشمس بين انوية الهيدروجين ). وجود البلازما الطبيعي في الكون تحت درجات حرارة مرتفعة هو سبب تسميتها بالحالة الرابعة للمادة.فى عام 1879 اكتشف العالم السير وليام كروكس البلازما و اطلق عليها انذاك انبوبة كروكس . ودرس العالم طمسون خصائص و طبيعة البلازما ، و يرجع الفضل في تسمية البلازما إلى العالم ايرفنج في عام 1928 حيث قال انها تشبة بلازما الدم .
تشكل البلازما نسبة 99% من المادة الكونية بين النجوم و المجرات و بعض الكواكب تشكل البلازما اغلب مادتها حيث يعتبر كوكب المشترى كتلة هائلة من البلازما. وتوجد البلازما في اشكال اخرى ففى الصناعة تستخدم في شاشات التليفزيون ، وفى لمبات النيون, و في الابحاث الخاصة بطاقة الانصهار ، و كذلك في اللحام ، و العديد من المجالات الصناعية و توجد البلازما كذلك في الغلاف الجوى في طبقة الايونوسفير و ايضا في ظاهرة الشفق القطبى
خصائص و معاملات البلازما
يعتمد تكون البلازما على بعض العوامل الرئيسية و هى : معامل درجة التأين ، معامل درجة الحرارة ، كثافة البلازما و كذلك المجال المغناطيسى و سوف نتناولهم بالشرح
يعتبر وصف البلازما على انها وسط متعادل من الجسيمات السالبة و الموجبة الشحنة ، هو وصف فقير تعوزة الدقة وذلك ان تعريف البلازما لابد ان يتضمن ثلاثة معايير مما يعطى دقة أكثر و هى :-
· تقارب الجسيمات المشحونة في البلازما في صورة قوية يعمل على التأثير فيما بين هذة الجسيمات . ولا يحدث هذا التأثير الا اذا توافر عدد كبير من الالكترونات مشكلة مايعرف بكرة ديبى Debye (او كرة الالكترونات) . نصف قطرها هو طول ديبى Deby length . متوسط عددالجسيمات المشحونة في هذة الكرة هو عامل البلازما
· حجم التفاعلات في البلازما. حيث ان نصف قطر ديبى Debye صغير بالمقارنة بالحجم الطبيعى للبلازما الموجودة في الكون . وهذا يعنى ان مقدار التفاعلات الحادثة في قلب كتلة البلازما لها اهمية كبيرة عنها على حواف البلازما اخذين في الاعتبار تأثير ما يحيط بالبلازما من الوسط المحيط بها
· تردد البلازما : تردد الالكترونات في البلازما هو كبير بالمقارنة بتردد الالكترون في حالتة المتعادلة
البلازما
البلازما وتسمى في أغلب الأحيان "الحالة الرابعة للمادة، الحالات الأخرى الثلاثة هي الصلبة، السائلة والغازية. البلازما هي حالة متميّزة للمادة تحتوي على عدد هام من الجزيئات المشحونة كهربائيا بصورة كافية للتأثير على خواصه الكهربائية . بالأضافة إلى كونها مهمة في العديد من مظاهر حياتنا اليومية، ويقدر ان البلازما تشكل أكثر من 99 % من الكون المرئي.
في الغاز العادي كل ذرة تحتوي عدد مساوي من الشحنات الموجبة والسالبة؛ الشحنات الموجبة في النواة محاطة بعدد مساوي من الألكترونات السالبة، وكل ذرة بشكل كهربائي محايدة. يصبح الغاز بلازما عند إضافة الحرارة أو أية مصدر طاقة الأخرى لعدد هام من الذرات لإطلاق سراح بعض أو كل ألكتروناتها. الأجزاء الباقية من تلك الذرات تترك بشحنة موجبة، والألكترونات السالبة التي انفصلت تكون حرة الحركة. هذه الذرات وناتج الغاز المشحون كهربائيا يقال بأنه غاز مؤين، عندما تؤين الذرات بما فيه الكفاية للتأثير على الخصائص الكهربائية للغاز، فهو في هذه الحالة يكون حالة بلازما.
في العديد من الحالات التفاعلات بين الجزيئات المشحونة والجزيئات المحايدة مهمة في تقرير سلوك وفائدة البلازما. نوع الذرّات في البلازما، نسبة الجزيئات المؤينة إلى الجزيئات المحايدة وطاقة الجزيء تؤثر في طيف واسع من انواع البلازما ، وخصائصها وسلوكها. هذا السلوك يجعل من البلازما كونها مفيدة في كثير وفي عدد متزايد من التطبيقات المهمة في حياتنا وفي العالم من حولنا.
البلازما تتكون من جزيئات مشحونة تتحرك بحرية، بمعنى آخر، إلكترونات وآيونات، تشكلت في درجات حرارة عالية عندما انتزعت الألكترونات من الذرات المحايدة، البلازما شائعة في الطبيعة. على سبيل المثال، النجوم بالدرجة الأولى هي بلازما. البلازما "حالة رابعة من المادة" بسبب صفاتها وطبيعتها الفريدة، المتميزة عن المواد الصلبة والسوائل والغازات. تتفاوت كثافة ودرجات حرارة البلازما على نحو واسع.
تشكل البلازما اساسا قويا لمجموعة من تطبيقات وأدوات التقنية المهمة بالإضافة إلى فهمنا وادراكنا لمعظم الكون من حولنا.
فهي تزود الاساس والدعامة للتطبيقات الحالية مثل معالجة بلازما أشباه الموصلات، تعقيم بعض المنتجات الطبية، المصابيح، الليزر، مايكرويف كهربائي عالي المصدر. وكذلك التطبيقات المحتملة المهمة مثل جيل الطاقة الكهربائية من الانشطار والسيطرة على التلوث وإزالة المواد الكيميائية الخطرة.
علم البلازما يستثمر تشكيلة متنوعة من مجالات العلم تتراوح من فيزياء البلازما إلى التطبيقات الكيميائية، الفيزياء الذرية والجزيئية، وعلم المادة. انتشارها وطبيعة تنوع حقول الدراسة تميّز طبيعة تكون البلازما، التي تتضمن الغازات المؤينة التي تتراوح من مؤين ضعيف إلى المؤين إلى حد كبير، ومن الاصطدامية إلى الثبات، ومن البرودة إلى الحرارة. هذه الشروط تميز تراوح البلازما المختلف من الغازات عالية الضغط نسبيا مع جزء صغير من الذرات المؤينة ومستوى قليل نسبيا من الجزئيات المشحونة بدرجات حرارة، على سبيل المثال، البلازما الستعملة في معالجة رقائق الحاسوب والاضاءة، إلى تلك الغازات ذات الكثافة المنخفضة جدا مع جزء كبير من ذرات الغاز المتأين والمشحونة بدرجة حرارة عالية جدا، على سبيل المثال، بلازما الإنشطار.
الأنواع المختلفة للبلازما تشكل اساس التطبيقات المتنوعة والظواهر الطبيعية المختلفة. على كل حال، العديد من الاعتبارات الاساسية لتنوع المجالات الواسعة التي تميز العديد من البلازما سواء الطبيعية منها او الصناعية والتي هي مهمة في حياتنا.
إن التنوع الذي يتضمن "علم بلازما" يجعل الموضوع صعب التمييز. على أية حال، هو ذلك التنوع نفسه الذي يجعله المساهم المهم في تشكيلة واسعة من التطبيقات والتطور التكنولوجي. تحت قائمة العديد من التطبيقات التقنية للبلازما.
بعض التطبيقات التجارية والصناعية للبلازما
معالجة الإشعاع مثل:-
• نمو النباتات
• معالجة النفايات
• بودرة السيراميك
• مصابيح الضغط المنخفض
• مصادر إضاءة خاصة
• تعقيم الآلات الطبية
إثنان من نطبيقات البلازما الأكثر شيوعا على كوكبنا هو مصباح الفلورسنت، وإشارات النيون. فمنذ تطويرهم في الاربعينيات من القرن السابق اصبحت اللمبات الفلورسنت الاوسع إنتشارا في الإضاءة في كل مكان تقريبا في المكاتب والمصانع والمدارس، وفي البيوت أيضا. وتعمل إشارات النيون بنفس المبدء، وتقريبا اصبحت شائعة الاستخدام.
في هذا البحث سنلخص طبيعة تلك الأدوات الموجودة في كل مكان تقريبا، تركيزا على الانارة بالفلورسنت. بدء من الضوء الذي يمكن أن نراه من خارج اللمبة، وطريقة عملها.
إن الضوء المنبعث من لمبة الفلورسنت يبدو أبيض في معظم الحالات، ذلك اللون الأبيض هو مجموعة (كما هو ضوء الشمس) من كل الوان الطيف المرئي. في حالة اللمبة الفلورسنت، المادة التي تعمل التوهج في الحقيقة هي مسحوق أبيض تغلف الزجاج الداخلي للمبة. هذا المسحوق (عموما يسمى phosphor، بالرغم من أنه لا يوجد أي فسفور فيه) هو الذي يبعث الضوء الأبيض الذي نراه خلال المصباح الفلورسنت ويسمى التالق الاشعاعي. يحدث هذا التألق الاشعاعي عندما تمتص ذرّة (أو جزئ) طاقة من المصدر (مثل فوتون الضوء، أو إصطدام بذرة اخرى) وبعد ذلك تصدر تلك الطاقة على شكل ضوء في خطوتان أو أكثر متتالية. في المصباح الفلورسنت، الضوء فوق البنفسجي الغني بالطاقة ومن خلال الإنبوب المشبع بالفوسفور، ثم يعاد اشعاع الطاقة بإرسال اثنان او ثلاثة موجات إضاءة ذات طاقة اقل. ولكون الطيف المرئي الذي تحسة أعيننا عند مستوى طاقة اقل من الاشعاع فوق البنفسجي، نحن يمكن أن نستعمل الإستشعاع الفوسفوري كمصدر ضوء.
من أين تصدر الاشعة فوق البنفسجي؟
لكي يتوهج بضوئه الأبيض المألوف، نحتاج إلى الفوسفور لكي يقصف بالضوء الفوق بنفسجي خلال المصباح. هذا الضوء الفوق بنفسجي انبعث من ذرات الزئبق الموجودة في الإنبوب المفرغ جزئيا. عندما يمتصّ الزئبق طاقة داخل المصباح (تعمل عادة كنتيجة للتأثر بالألكترونات الحرة السريعة جدا الموجودة في الإنبوب)، ويبعث بكفاءة في المنطقة فوق البنفسجية من الطيف، في الغالب طول موجة من 253.7 nm (وبمعنى آخر: 253.7 بليون متر). جزء صغير جدا من الغاز خلال المصباح هو زئبق؛ ذرات غاز الأرجون تفوق عدد ذرات الزئبق حوالي 300 إلى 1. كلتا النوعين من الذرات مشتركة فقط في أجمالي حوالي 1/100 من الضغط الجوّي خلال المصباح.
أين تحصل الألكترونات الحرة على الطاقة؟
الألكترونات الحرّة التي تصطدم بذرّات الزئبق وتثيرهم كانوا أساسا منزوعين من ذرات الزئبق نفسها. ليست كل ذرات الزئبق متأينة ، فقط نسبة مئوية صغيرة منهم فقد ألكترونا أو إثنان. لكن عندما يحرر إلكترون حر من ذرة، يسرع نحو نهاية المصباح الذي هو الأكثر إيجابية (تذكر، مصابيح الفلورسنت أدوات كهربائية، لذا نهاية الإنبوب دائما أكثر إيجابية نسبة إلى النهاية الأخرى). وعندما يعمل، بالتاكيد سوف يصطدم بذرة على طول الطريق للطرف الاخر، وإذا كانت طاقته عالية بما فيه الكفاية، يمكن أن يحرر إلكترون من ذرة اخرى ويخلق إلكترون حر إضافي. اما إذا كانت طاقته ليست عالية بما فيه الكفاية عندما تصطدم بذرة زئبق، يمكن أن يثير الزئبق بطريقة معينة بحيث أن الزئبق سيبعث اشعة فوق بنفسجية عندما يتخلى عن طاقته. تصنف هذه المجموعة من الألكترونات الحرة وآيونات الزئبق المتبقية مزيج الزئبق والأرجون كبلازما.
يعتقد العديد من الناس الفضاء بين الشمس وكواكبها فارغة لا تحتوي على شئ, فراغ مجرد من الطاقة أو المادة. لكن الفضاء ليس خاليا. تبعث شمسنا البلازما بشكل ثابت, المادة في حالة ساخنة بشدة، التي تنتقل بكل الإتجاهات في سرعات عالية المستوى جدا لتملئ كامل النظام الشمسي وما بعده.
بدراسة العمليات التي تحدث في غلاف الأرض المغناطيسي (حيث حقل الأرض المغناطيسي له تأثير أعظم من حقل الشمس الواسع بين الكواكب)، في الفضاء الواسع بين الكواكب، وحول كواكب أخرى، نحن قادرون بشكل أفضل على تقدير الدور المهم للبلازما في كافة أنحاء الكون البلازمي. يعتبر هذا المختبر الفضائي البلازمي نافذتنا إلى النجوم.
إن الغلاف المغناطيسي للارض مختفي عادة بسبب أن الهيدروجين المسيطر وآيونات الهليوم التي تصل في خلال الريح الشمسية لا تبعثر الضوء إلى أطوال الموجة المرئية. على أية حال، تبعث المذنبات آيونات أثقل تكون مرئية والتي ينشأ عنها ذيل من البلازما الرائع الشكل . صور غلاف الأرض المغناطيسي تظهر كأنها منطقة تفاعل مذنب كبيرة جدا.
إن الشمس هو نجم متغير، خصوصا في نواتجه من الإشعاع فوق البنفسجي والأشعة السينية والجزيئات والحقول المغناطيسية. الإختلافات الكبيرة المرسلة يحدث في كافة الأنحاء التي تقع داخل نطاق تأثير الشمس، وتدعى هيلوسفير Helio-sphere والتي تتضمن الرياح الشمسية وكل غلاف النظام الشمسي المغناطيسي. ويعتبر الطقس الفضائي هو دراسة لكيفية ومدى تأثير بيئة الفضاء على رواد الفضاء وعمليات الاقمار الصناعية وأنظمة الإتصال وشبكات الكهرباء الأرضية. على المدى البعيد، الطقس الفضائي يمكن أن يساهم في تغيير مناخ عالمي بصفة أولية من خلال التغير البطئ في الإشعاع الشمسي.
بينما تتدفق الرياح الشمسية أمام غلاف الأرض المغناطيسي، يتفاعل مع الحقل الجيومغناطيسي ويعمل كمولد كوني الذي ينتج ملايين الأمبيرات من التيار الكهربائي. بعض هذا التيار الكهربائي يصب في الغلاف الجوي العلوي للأرض الذي يضيئ مثل إنبوب نيون لخلق الشفق القطبي الجميل. إن الشفق دائما موجودا ذلك لأن مصدر الريح الشمسية متواجد دائما، وهم يشكلون حلقة من الإشعاعات ضمن الأيونوسفير تتمركز على كلا القطبين المغناطيسي في خط عرض عالي. على أية حال، عادة ما يروا ماعدا في الليل وأثناء العواصف الجيومغناطيسية. في منتصف الشتاء، سكّان فيربانكس وهي منطقة في الاسكا، يتمتعون بعرضين للشفق كل ثلاث ليالي
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق