پلاسماچیست؟

پلاسماچیست؟

پلاسما

 

پلاسما حالت چهارمی از ماده است که دانش امروزی نتوانسته آنها را جزو سه حالت دیگر پندارد و مجبور شده آنرا حالت مستقلی به حساب آورد

 

پلاسما با ماهیت محیط یونیزه ، ترکیبی از یونهای مثبت و الکترون با غلظت معین می‌باشد که مقدار الکترونها و یونهای مثبت در یک محیط پلاسما تقریبا برابر است و حالت پلاسمای مواد ، تقریبا حالت شبه خنثایی دارد. پدیده‌های طبیعی زیادی از جمله آتش ، خورشید ، ستارگان و غیره در رده حالت پلاسمایی ماده قرار می‌گیرند. پلاسما شبیه به گاز است، ولی مرکب از ذرات باردار متحرکی به نام یون است. یونها بشدت تحت تاثیر نیروهای الکتریکی و مغناطیسی قرار می‌گیرند. مواد طبیعی در حالت پلاسما عبارتند از انواع شعله ، بخش خارجی جو زمین ، اتمسفر ستارگان ، بسیاری از مواد موجود در فضای سحابی و بخشی از دم ستاره دنباله‌دار و شفق­های قطبی شمالی. شفق­های قطبی نمایشی خیره کننده از حالت پلاسمایی ماده­است که در میدان مغناطیسی جریان­می‌یابد.

بد نیست بدانید که دانش امروزی حالات دیگری از جمله برهم­کنش ( نیروهای ) ضعیف و قوی هسته‌ای را نیز در دسته‌بندی­ها به­عنوان حالت­های پنجم و ششم ماده به­حساب می‌آورد که از این حالت­ها در توجیه خواص نوکلئون­های هسته­، نیروهای هسته‌ای­، واکنش­های هسته‌ای و در کل فیزیک­ذرات­بنیادی استفاده می‌شود.

 ساختار پلاسما : عموما به مجموعه‌ای از یون­ها­، الکترون­ها و اتم­های خنثی و جدا از هم و تقریبا در حال تعادل مکانیکی ـ الکتریکی پلاسما می‌گویند.

 پلاسما رفتارهای خاصی را در مقابل مغناطیس نشان می‌دهد. این رفتارها کاملا برعکس رفتار گازها در مقابل میدان مغناطیسی است. زیرا میدان مغناطیسی برگازها به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی، اثر ندارند. در حالی­که پلاسما می‌تواند تحت­تاثیر میدان­مغناطیسی درونی حاصل ازحرکت یون­های داخلی ، قرار گیرد. هم­چنین عوامل خارجی بر پلاسما اثر ندارد. و اغلب طوری رفتار می‌کند که گویی دارای رفتار مخصوص به خودش است.

پلاسما از لحاظ بار الکتریکی خنثی است. ماده در حالت پلاسما نسبت به حالت­های جامد ، مایع و گاز نظم کم­تری دارد. با­این­حال خنثی­بودن الکتریکی پلاسما به­طور متوسط انرژی منظمی را نشان می‌دهد. اگر پلاسما تا دمای زیاد حرارت داده شود، نظم موجود در پلاسما از بین می‌رود و ماده به توده درهم و برهم و کاملا نامنظم ذرات منفرد تبدیل می‌شود. بنابراین پلاسما گاهی نظیر سیارات ، رفتاری جمعی و گاهی نظیر ذرات منفرد ، به­صورت کاملا تکی عمل می‌کند. به­دلیل همین رفتارهای عجیب و غریب است که غالبا پلاسما در کنار گازها و مایعات و جامدات ، چهارمین حالت ماده معرفی می‌شود.

 

ضرورت بررسی پلاسمای طبیعی :

با­وجود­این پیچیدگی‌ها، با توجه به اینکه 99 درصد ماده موجود در طبیعت و جهان در حالت پلاسماست، بررسی پلاسمای طبیعی ضروری است.

پلاسما کاربردهای بسیاری نظیر تولید انرژی ، عدسی پلاسمایی برای کانونی­کردن انرژی و ... دارد. هنگام ترک زمین، با انواع پلاسماها مانند «یونسفر ، کمربندها و بادهای خورشیدی مواجه می‌شویم.

بنابراین فیزیک پلاسما نیز در کنار سایر شاخه‌های علوم فیزیکی، در شناخت محیط زندگی ما در قالب رشته ژئوفیزیک از اهمیت زیادی برخورداراست.

انواع پلاسما:

پلاسمای جو:

نزدیک­ترین پلاسما به ما «کره زمین»، یونوسفر (Ionosphere) می‌باشد که از صد و پنجاه کیلومتری سطح زمین شروع و به­طرف بالا ادامه می‌یابد. لایه‌های بالاتر یونسفر، مواد به حالت پلاسما می باشند و در اثر تابش فرابنفش و پرتوهای ایکس و هم­چنین پرتوهای کیهانی و الکترون­هایی که به گلنونسفر اصابت می‌کنند یونیزه می‌شوند.

شفق قطبی:

پدیده شفق نیز نوعی پلاسما است که تحت اثر یونیزاسیون ایجاد می‌شود. یونوسفر پلاسمایی با جذب پرتوهای ایکس ، فرابنفش ، تابش خورشیدی ، انعکاس امواج کوتاه و رادیویی اهمیت اساسی در ارتباط رادیویی در سرتاسر جهان دارد. با همه این احوال نه تنها زمین بلکه زهر و مریخ نیز فضایی یونسفری دارند. ملاحظات نظری نشان می‌دهد که در سایر سیاره‌های منظومه شمسی نظیر مشتری ، زحل ، اورانوس ، نپتون نیز باید یونوسفرهای قابل مشاهده وجود داشته باشد. فضای بین سیاره‌ای نیز از پلاسمای بین سیاره‌ای در حال انبساط پر شده که محتوای یک میدان مغناطیسی ضعیف (حدود -510 تسلا) است. هسته‌های ستارگان دنباله دار نیز به فضای بین پلاسمایی پرتاب می‌کند. از طرف دیگر ، خورشید منظومه شمسی مانند یک کره پلاسمایی است. درخشندگی شدید خورشید ، معمولا عین یک درخشندگی پلاسمایی می‌باشد. خورشید به سه قشر گازی فوتوسفر ـ کروموسفر و کورونا (که کرونای آن بیش از یک میلیون درجه ، حرارت دارد) احاطه شده است و انتظار می‌رود که هزارها سال به درخشندگی خود ادامه بدهد.

 کاربرد پلاسمای یونسفر :

یونوسفر زمین در ارتباطات رادیویی اهمیت زیادی دارد. توضیح این نکته لازم است که یونوسفر ، امواج رادیویی با فرکانسهای بیش از 30 مگاهرتز (بین امواج رادار و تلویزیون) را عبور می‌دهد. ولی امواج با فرکانس­های کم­تر (کوتاه ، متوسط و بلندرادیویی) را منعکس می کند. هم­چنین شایان ذکراست که ضخامت یونوسفر زمین که از چند لایه منعکس کننده تشکیل شده است، با عواملی نظیر شب و روز، آشفتگی پلاسمایی سطح خورشید در ارتباط نزدیک می‌باشد.

مگنوتوسفر و کمربندهای تشعشعی زمین :

 می‌دانیم زمین ما دارای میدان مغناطیسی است که می‌تواند بر یون­ها و به­طور خلاصه پلاسمای فضای اطرافش اثر بگذراد. بر طبق نظرات دینامو ، میدان مغناطیسی زمین از القای مغناطیسی حاصل از حرکات ذرات داخل پلاسمای فضا به درون زمین متاثر می‌شود. که دوباره نقش فیزیک پلاسما را در ژئوفیزیک یادآوری­می‌کند. به­هرحال به­طور نظری باید میدان مغناطیسی به­شکل متقارن باشد لیکن فشار بادخورشیدی، میدان ژئومغناطیس زمین را به­صورت ستارگان دنباله‌دار یا دکلی شکل در می‌آورد، که در اصطلاح به­آن مگنوتوسفر زمین گفته­می‌شود. ساختمان این لایه پلاسمایی نیز خود از چند لایه تشکیل شده است. ژئوفیزیکدانان با مطالعه اساسی این لایه‌ها ، حدبالای آن­را که درحدود 10 برابر شعاع زمین و در جهت خورشید می‌باشد، مغناطیس سکون می‌نامند. خارج از مغناطیس سکون، ناحیه متلاطمی­است که «غلاف» مغناطیس نام دارد و در آن بادهای خورشیدی در نتیجه فشار مگنوتوسفر جهت و سرعت خود را تغییر می‌دهد. مگنوتوسفر زمین، کمربند ایمنی زمین در مقابل ذرات خطرناک کم انرژی و حتی متوسط انرژی می‌باشد. به این کمربند حافظ امنیت زمین در مقابل اشعه‌های خطرناک و ذرات ساتع از خورشید ، اصطلاحا کمربندهای وان آلن (به افتخار کاشف این کمربندها) گفته می‌شود.

آینه‌های مغناطیسی :

با توجه به تاثیرات میدان مغناطیسی زمین بر روی پلاسما، ذراتی که در میدان مغناطیسی زمین (کمربند وان آلن) گیر می افتند به سبب داشتن میدان مغناطیسی قوی و ضعیف در قطب­های زمین حرکتی انجام می‌دهند که به مثابه یک آینه­ی طبیعی می‌باشد. بنابراین آینه مغناطیسی که قبلا برای اولین بار توسط انریکو فرمی به عنوان مکانیسمی برای شتابدار ساختن پرتوی کیهانی استفاده شده بود، در ژئوفیزیک نیز به کار رفت.

بادهای خورشیدی :

خورشید منظومه شمسی منبع نیرومندی از جریان مداوم پلاسما به­صورت بادهای خورشیدی است. باد خورشیدی  ذرات تابش شده با دمایی در حدود 100 هزار درجه کلوین است. بادخورشیدی پدیده پیچیده‌ای است که سرعت و چگالی آن متغیر می‌باشد. متغیر بودن پلاسمای بادی به فعالیت خورشید بستگی دارد. گفتنی است که به دلیل 100 برابر بودن انرژی جنبشی پلاسما نسبت به انرژی مغناطیسی‌اش ، اصطلاح باد مغناطیسی به آن داده‌اند.  

 

منابع:

 www.daneshnameh.roshd.ir

 www.hupaa.com

www.sharghnewspaper.com

 www.fa.wikipedia.org