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 فان الالكترونات التى تدور حول النواة تكتسب طاقةهائلة فتتحرر من جذب النواة لها وتبقى النواة بدون بعض الكتروناتاته وتسمى المادة في هذة الحالة ب " البلازما " اى ان حالات المادة اربعة وهى الغازية – والسائلة – الصلبة – البلازما: التي تعتبر أحيانًا غاز أيوني. 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 المادة الإشعاعية . ودرس العالم طمسون خصائص و طبيعة البلازما ، و يرجع الفضل في تسمية البلازما إلى العالم ايرفنج في عام 1928 ربما لأنه رأى انها تشبة ط¨ظ„ط§ط²ظ…ط§ 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 الأساسيةو هى : معامل درجة التأين ، معامل درجة الحرارة ، كثافة البلازما و كذلك المجال المغناطيسى و سوف نتناولهم بالشرح
البلازما 0000 الحالة الرابعة للمادة
إعداد : محمد نوفل أبوعلي
1) البلازما Plasma :
( التسمية مشتقة من الكلمة اليونانية plassein ويعني يشكل أو يصوغ أو يقولب )
الحالة الرابعة للمادة .
وهي غاز متأين ( متشارد ) جزئياً أو كلياً تتساوى فيه تقريباً كثافة الشحنات الموجبة
والشحنات السالبة . ويوجد القسم الأعظم من الكون في حالة البلازما ( النجوم والأجواء
المحيطة بها , الغيوم السديمية , والفضاء الكائن بين النجوم ) .
توجد البلازما حول الأرض على شكل ريح شمسية تملأ الغلاف الأيوني
( الأيونوسفير ) والغلاف المغناطيسي ( المغنطوسفير ) للأرض .
يتم الحصول على البلازما في المختبرات والمصانع أثناء التفريغ الكهربائي كما أنها
تتكون في عمليات الاحتراق والانفجار .
2 ) طبقات الغلاف الجوي : Atmosphere layers دلت الأبحاث و الدراسات العلمية على أن الغلاف الجوي يختلف في تجانسه و خصائصه باختلاف الارتفاع بحيث يمكن تقسيمه إلى عدة مناطق أو طبقات. وسنحاول فيما يأتي إلقاء الضوء على خصائص كل طبقة بدءاً من الأسفل إلى الأعلى. 1 ) التربوسفير: Troposphere : تمتد هذه المنطقة (الطبقة) من سطح الأرض إلى حوالي 12 كم في المتوسط أعلى من سطح الأرض . تتميز هذه المنطقة بكثافتها العالية و بوجود غاز ثنائي أوكسيد الكربون CO2 وبخار الماء H2O بنسبٍ عالية . كما تنخفض فيها درجة الحرارة مع الارتفاع إلى حوالي 6.5 ◦س لكل كيلو متر . وتعد هذه المنطقة مسئولة عن الظواهر والتقلبات الجوية التي تتحكم في المناخ على سطح الأرض.
5)المادة في حالة البلازما : ولادة البلازما : the deliver plasma
إن مصطلح البلازما باللغة الألمانية plasmen zuzustand وضع لأول مرة
عام 1939 من قبل عالمين ألمانيين .
وكان هذا المصطلح ناجحاً من حيث التسمية حيث أن البلازما بالفعل ليست صلباً
وليست سائلاً ولا غازاً .
إنها حالة خاصة من حالات المادة ناتجة عن التأين الحراري للغازات أي
انفصال الالكترونات عن الذرّات وتحطم الجزيئات المتعادلة وتشاردها إلى أيونات
موجبة وأخرى سالبة يبدأ عند درجات حرارة تزيد عن ( 5000 – 6000 ) س درجة
سيليسيوس . إذن هل هناك ما يدعو إلى بحث هذه المسألة ؟
ذلك لعدم وجود أية مادة يمكنها البقاء في درجة حرارة تزيد عن تلك .
بلا شك هناك ما يدعو إلى بحث المسألة ( البلازما ) !
إن الغالبية العظمى ( كما ذكرت ) من الأجرام السماوية تقع في حالة البلازما من المعلوم أن درجة تأين الغاز لا تعتمد على درجة الحرارة وحدها , بل وعلى الضغط أيضاً . مثال : نجد أن الهيدروجين عند ضغط ( 1 ) مم زئبقي يتأيّن تماماً من الناحية العملية في
الدرجة ( 30000 ) س . وفي مثل هذه الظروف نجد أن كل ذرة متعادلة واحدة
يقابلها ( 20220 ) . جسيم مشحون .
إن الهيدروجين في حالة البلازما : خليط من جسيمات غازين مختلفين تتحرك حركة عشوائية وتتصادم مع بعضها البعض هما " غاز" البروتونات H و"غاز" الالكترونات e البلازما الباردة : تلك الواقعة في درجات حرارة قدرها عشرات ومئات الآلاف من
الدرجات المئوية .
البلازما الحارة : تلك الواقعة في درجات حرارة قدرها ملايين الدرجات المئوية
تحدد ( درجة الحرارة : بمدلول واحد وهو الطاقة الحركية للجسيمات ) يتم التوازن الحراري في الغاز المؤلف من جسيمات ثقيلة وأخرى خفيفة فقط في حالة واحدة عندما تكتسب الجسيمات الثقيلة والخفيفة معدلاً متساوياً من الطاقة الحركية . أي أن الغاز الذي يبقى مدة طويلة من الزمن في ظروف مستقرة تكون فيه سرعة حركة الجسيمات الثقيلة أبطأ ( أصغر ) من سرعة الجسيمات الخفيفة وهذا ما يحدث في البلازما .
ذلك أن كتلة الإلكترون في نواة من النويّات أقل ( أخف ) ألفي مرة ( تقريباً ) من كتلة أصغر نواة من النويّات . كتلة البروتون = 1836 مرة كتلة الإلكترون وعند كل تصادم يقدم الإلكترون إلى النواة أو الأيون " قسماً " صغيراً فقط من طاقته وبعد عدد كبير من التصادمات تتساوى معدلات الطاقات الحركية لكافة جسيمات البلازما التي تسمى ( البلازما في درجة الحرارة الثابتة ) وهي تلك الواقعة في الشمس والنجوم . وإن سرعة حدوث التوازن في البلازما الساخنة تتراوح بين أجزاء من الثانية وعدة ثوان وتختلف عن بلازما التفريغ الغازي ( الشرارة الكهربائية , القوس الكهربائي …. ) إذ أنه في هذه الحالة لا تتحرك الجسيمات حركة عشوائية فحسب بل تولد تياراً كهربائياً أيضاً . حيث تكون سرعة حركة الإلكترونات في التفريغ الغازي أكبر بكثير مما هي عليه بالنسبة للأيونات ( البلازما في درجة الحرارة غير الثابتة ) . البروتون proton : تسمية يونانية تعني الأول : جسيم عنصري له شحنة كهربائية
موجبة تساوي الواحد . وهو أثقل من الإلكترون بـ 1836 مرة .
حصل عليه ( رذرفورد ) عام ( 1919 ) بقذف غاز الآزوت بدقائق ألفا ( نوى الهليوم ) حيث اكتشف أول تفاعل نووي صنعي . إن التصادم بين دقيقة ألفا ونواة ذرة الآزوت تؤدي إلى انطلاق بروتون بسرعة كبيرة وتشكل أحد نظائر الاوكسيجين :
N + He O + H + طاقة حرارية
هليوم+ آزوت(نتروجين) نظير الأوكسجين +البروتون + طاقة حرارية
الإلكترون electron : جسيم عنصري ثابت ذو شحنة كهربائية سالبة وهو أحد المكونات الرئيسية في ذرات المادة كتلته g k m=1.9*10
شحنته الكهربائية e=1.6*10 كولوم
اكتشفه طومسون عام 1897 ( كان أول من تعرف على طبيعة الأشعة المهبطيّة وشحنتها ) يمكن وصف سلوك الجسيمات في البلازما باستخدام النظرية الحركية للغازات : 1 – تتحرك جزيئات الغاز حركة عشوائية دائمة في كل الاتجاهات وفي مسارات مستقيمة بسرعة كبيرة . 2 – تصطدم الجزيئات بعضها ببعض وبجدران الوعاء الذي يحتويها وبذلك يتغير اتجاه حركتها باستمرار . 3 – تزداد سرعة الجزيئات بازدياد درجة حرارتها وتنقص بنقصانها . وتبقى نفسها في درجة حرارة معينة . 4 – الحجم الحقيقي لجزيئات الغاز صغير جداً إذا ما قورن بحجم الغاز الكلي أي إن المسافات بين الجزيئات كبيرة بحيث تكون قوة التجاذب بينها معدومة . 5 – ينشأ ضغط الغاز نتيجة لاصطدام جزيئاته بجدران الوعاء الذي فيه . البلازما ….. الحالة الرابعة للمادة
إعداد : محمد نوفل أبو علي الموجه الاختصاصي للفيزياء والكيمياء
1 – البلازما . 2 – طبقات الغلاف الجوي . 3- تركيب المادة .
4- حالات المادة .
5 – ولادة البلازما . 6 – سلوك الجسيمات في البلازما . 7 – خاتمة .
تعريف البلازما
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 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.
خصائص البلازما
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.
تطبيقات البلازما
شكل 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:-
• تنقية المياه
• نمو النباتات
المعالجة الحجمية مثل:-
• معالجة الغاز المسال
• معالجة النفايات
المعالجة الكيميائية مثل:-
• ترسيب رقائق الماس
• بودرة السيراميك
مصادر الضوء مثل:-
• مصابيح الكثافة العالية
• مصابيح الضغط المنخفض
• مصادر إضاءة خاصة
في الطب مثل:-
• معالجة السطوح
• تعقيم الآلات الطبية
إضاءة الفلورسنت وإشارات النيون
إثنان من نطبيقات البلازما الأكثر شيوعا على كوكبنا هو مصباح الفلورسنت، وإشارات النيون. فمنذ تطويرهم في الاربعنيات 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.
الضوء
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.
البلازما والفضاء
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 Heliosphere 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
