البلازما (فيزياء-)

بلازما (فيزياء)

-

البلازما (فيزياء)

إلياس أبو عسلي

العوامل التي أدت إلى تطور علم البلازما

توليد البلازما

تطبيقات البلازما

البلازما Plasma هي كلمة يونانية πλασμα، أول من استعملها العالم التشيكي بوركينجي Purkinje لوصف السائل الذي يبقى بعد ترسيب مكونات الدم. ظهر أول تحديد لهذه الحالة فيزيائياً في أنبوب الانفراغ الكهربائي وأنبوب كروكس Crookes عام 1879، وتعرَّف تومسون Thomson J. J. وجودها عن طريق تعرّفه طبيعة الأشعة المهبطية cathode rays عام 1897، وكان لونغموير Irving Langmuir عام 1928 أول من أدخل هذا المصطلح في الفيزياء؛ إذ كتب «يتوقع وجود غمد قرب المهبط يضم عدة إلكترونات وإيونات؛ أي وجود غاز مؤين يحتوي على إيونات وإلكترونات بأعداد متفاوتة تؤدي تآثراتها بالنتيجة الكلية إلى منطقة منيرة جداً». فاستعمل مصطلح بلازما لوصف ما يحدث في هذه المنطقة التي تحتوي عدداً متوازناً من الإيونات والإلكترونات.

تعدّ البلازما حالياً حالة رابعة للمادة إضافة إلى الحالة الصلبة والسائلة والغازية، وتشبه حالة غاز تأينت بعض جسيماته؛ إذ إن تسخين الغاز يمكن أن يؤين قسماً من ذراته أو جزيئاته محولاً إياه إلى بلازما التي تحوي إيونات موجبة وإلكترونات أو إيونات سالبة. وتجدر الإشارة إلى إمكان حدوث التأين أيضاً بطرائق أخرى غير التسخين؛ كتطبيق حقل كهرطيسي شديد أو ليزر أو أمواج مكروية أو أي طريقة تؤدي إلى تحطيم روابط الجزيئات.

البلازما عامة هي الحالة الأكثر انتشاراً في الكون من حيث الكتلة أو الحجم؛ إذ إن النجوم كلها في حالة البلازما وكذلك الفضاء الموجود بينها مليء بالبلازما؛ وأيضاً الشمس والرياح الشمسية والأوساط الفاصلة بين الكواكب والجو الأرضي والشعلات الحارة جداً، وقد دعى هذا إلى نشوء فرع أو علم للبلازما قائم بذاته.

العوامل التي أدت إلى تطور علم البلازما

1- قاد تقدم البث الراديوي إلى اكتشاف طبقة متأينة (الإيونسفير ionosphere) حول الأرض تشكل منطقة غاز متأين جزئياً في الجزء العلوي من الجو. تقوم هذه الطبقة بعكس الإشارات الراديوية وتمتص جزءاً صغيراً منها عند حرفها، ويؤثر الحقل المغنطيسي الأرضي في هذه الأمواج فيجعلها مستقطبة استقطابات مختلفة بالنسبة إلى اتجاه هذا الحقل، مما يؤدي إلى انتشارها بسرعات مختلفة ومن ثم إلى ظهور أشباح للإشارة نتيجة إشارات تصل قبل وصول الإشارة الأصلية بمدة زمنية قصيرة، وإشارات تصل بعدها، ولفهم ظهور بعض هذه التشوهات في الاتصالات الراديوية ومحاولة تصحيحها طور العلماء - ومنهم أبليتون E. V. Appleton وبودين K. G. Budden - نظرية انتشار الأمواج الكهرطيسية في بلازما ممغنطة لا متجانسة.

2- تأكد الفلكيون من أن معظم الكون يتركب من البلازما، وبالتالي فإن الفهم الأفضل للظواهر الفلكية يتطلب استيعاب فيزياء البلازما. وكان فان ألِن J. A. Van Allen رائداً في هذا المجال الذي أسس لدراسة البقع الشمسية sunspots، والتوهج الشمسي solar flares، والرياح الشمسية solar wind، وتشكل النجوم stars formation ومواضيع أخرى في الفيزياء الفلكية.

3- أدى ظهور القنبلة الهدروجينة عام 1952 إلى توليد اهتمام كبير بالاندماج النووي الحراري المتحَكَّم بهcontrolled thermonuclear fusion؛ الذي يُعدّه بعض الباحثين مصدر طاقة المستقبل.

4- حدّد اكتشاف فان ألِن للحزام الإشعاعي المحيط بالأرض -والمسمى باسمه بوساطة الساتل إكسبلورر- بداية اكتشاف الكرة المغنطيسية magnetosphere للأرض، ففتح ذلك باب فيزياء البلازما الفضائية.

5- كما فتح تطور الليزرات ذات الاستطاعات العالية في ستينيات القرن العشرين مجال فيزياء البلازما بالليزر، فعندما تضرب حزمة ليزرية عالية الاستطاعة هدفاً صلباً فإنها تصهره وتبخره وتشكل بلازما بالقرب من سطحه. وتمتلك بلازما الليزرات الناتجة من تآثر الليزر مع الجسم الصلب خواص متميزة من بلازما الغازات العادية، وتشترك جميع أنواع البلازما بكونها حالة غازية وسطية مؤلفة من جسيمات موجبة الشحنة وسالبتها متساوية العدد تقريباً وجسيمات متعادلة كهربائياً. وتجب الإشارة إلى أنه على الرغم من أن هذه المكونات غير مرتبطة، فإنها ليست حرة؛ إذ عندما تتحرك شحنات كهربائية فإنها تولد تيارات كهربائية تحرِّض حقلاً مغنطيسياً وهي تتفاعل فيما بينها، لذلك تتميز البلازما بسلوك جماعي مع عدة درجات حُرِّية degrees of freedom جهرية macroscopic مثل درجة الحرارة والأمواج. يتطلب هذا الوصف تعريف البلازما وفق ثلاثة شروط:

1- تقريب البلازما

يجب أن تكون الجسيمات المشحونة قريبة بعضها من بعض قرباً كافياً بحيث يتبادل كل جسيم التأثير في عدة جسيمات مشحونة بقربه، وتقيد هذه التآثرات الجماعية تطور حالة الحركات الغازية العشوائية، بحيث يتشكل حول كل شحنة كرة من شحنات معاكسة لها بالإشارة تسمى كرة ديباي Debye’s sphere، ويرمز إلى نصف قطرها ويحدد بالعلاقة (1):

حيث: هي مركبة سرعة الجسيم المحورية العمودية على حقل التحريض المغنطيسي B؛ وm كتلة الجسيم؛ و شحنته بالقيمة المطلقة. يسمى هذا المفعول بحجب ديباي Debye’s screening.

ويتطلب شرط تقريب البلازما أن يكون عدد الجسيمات المشحونة في كرة ديباي المحيطة بشحنة ما أكبر من الواحد كي تصف السلوك الجماعي للجسيمات المشحونة.

2- التفاعلات المتبادلة الجماعية

يجب أن يكون نصف قطر ديباي صغير بالنسبة إلى حجم البلازما الكلي، ما يؤكد أن التأثيرات المتبادلة داخل البلازما أهم من التفاعلات عند أطرافها حيث يبدأ ظهور التأثيرات السطحية. ضمن هذا الشرط يتحقق شرط أن البلازما الكلية شبه متعادلة كهربائياً.

3- تواتر البلازما

يجب أن يكون تواتر اهتزاز إلكترون البلازما (الذي يقيس اهتزازات بلازما الإلكترونات) أكبر من تواتر اصطدام إلكترون–جسيم معتدل كهربائياً (الذي يقيس تواتر الاصطدامات بين الإلكترون والجسيمات المعتدلة)؛ إذ عندما يتحقق هذا الشرط فإن التفاعلات المتبادلة الكهراكدية تطغى على العمليات العادية لحركية الغاز.

إن احتواء البلازما على هذه الشحنات يجعلها ناقلة، ومن ثم فإنها تتأثر بشدة بالحقل الكهرطيسي، ولهذا فإن للبلازما خواص لا تشبه خواص الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية، ولذلك عدّت حالة مميزة للمادة، مع ذلك فهي كالغاز ليس لها شكل أو حجم محددين مع فرق أن الغاز يأخذ شكل الإناء الذي يوضع فيه وحجمه، في حين تحتاج البلازما إلى حقل تحريض مغنطيسي لحصرها، ويمكن أن يشكل منها حزمة أو طبقة أو أشكال أخرى.

بعض خصائص البلازما ومميزاتها

1- درجة التأين

يجب استمرار عمليات التأين حتى توجد البلازما أو تستمر، وتعرَّف كثافة البلازما بأنها كثافة الإلكترونات؛ أي عدد الإلكترونات الحرة في واحدة الحجم. وتتناسب درجة التأين مع عدد الذرات التي فقدت أو كسبت إلكتروناً أو أكثر. وتتأثر هذه الكثافة بدرجة الحرارة تأثراً شديداً، ويُعدّ الغاز الذي تأيَّن 1% من جسيماته فقط وسطاً بلازمياً، وتعطى درجة التأين a بالعلاقة (2):

حيث كثافة الإيونات

و كثافة الذرات المعتدلة كهربائياً.

ترتبط هذه الدرجة بكثافة الإلكترونات بدلالة وسطي شحنة الإيونات حيث

وتصنف البلازما عموماً بحسب درجة تأينها في بلازما كلية التأين؛ وجزئية التأين؛ وضعيفة التأين.

2- درجة الحرارة

تقاس درجة حرارة البلازما عادة بالكلفن أو بالإلكترون فولط، وهي عموماً تحدد الطاقة الحركية الحرارية لجسيم منها إلكترون أو إيون. وتحدَّد درجة التأين في علاقة تعرف بمعادلة ساها Saha. وتجب الإشارة إلى أنه عند درجات حرارة منخفضة فإن الإلكترون سينجذب إلى إيون ويرتبط ليشكل ذرة معتدلة وتتحول البلازما إلى غاز عادي.

في معظم الحالات تكون الإلكترونات في حالة توازن حراري بحيث يمكن تحديد درجة حرارتها بدقة، حتى عندما تكون هذه الإلكترونات في حالة انحراف عن تابع توزيع مكسويل-بولتزمان Maxwell-Boltzmann distribution function بحسب الطاقة، وذلك بسب وجود إشعاعات فوق بنفسجية UV؛ وجسيمات ذات طاقة عالية energetic particles أو حقول كهربائية شديدة بصورة مستمرة تقوم بالتأيين. ونظراً للفرق الكبير بين كتلة الإلكترون وكتلة كل من الإيون والذرة فإن الإلكترونات تصل إلى حالة توازن ترموديناميكي بسرعة تزيد عن سرعة وصول الإيونات والذرات إلى التوازن، ولهذا السبب فإن درجة حرارة الإيون الوسطية تكون مختلفة (غالباً أقل) عن درجة حرارة الإلكترون الوسطية، ويتحقق ذلك غالباً في البلازما الضعيفة التأين.

تصنف البلازما عادةً بحسب درجات حرارة الإلكترون والإيون والذرات في صنفين:

أ- بلازما حرارية thermal plasma: تكون فيها الإلكترونات والمكونات الثقيلة (الإيونات والذرات) في درجة الحرارة نفسها، أي إن جميع مكونات البلازما في حالة توازن حراري.

ب- بلازما غير حرارية non- thermal plasma: تكون درجة حرارة الإلكترونات أعلى بكثير من درجة حرارة الإيونات والجسيمات المعتدلة كهربائياً. ويقال أيضاً عن البلازما إنها حارة hot عندما تكون كلية التأين (التشرد)، أو باردة cold عندما تكون درجة التأين من مرتبة 1 %؛ وحتى في هذه الحالة الأخيرة يمكن أن تصل درجة حرارة الإلكترونات حتى بضعة آلاف درجة سلسية، وغالباً ما تكون البلازما الموجودة في المختبرات الغازية بلازما باردة.

3- الكمونات

نظراً لوجود شحنات متحركة في البلازما -كما في حالة ناقل جيد للكهرباء- فإن الكمون الكهربائي الكلي يؤدي دوراً مهماً، وبما أن هذا الكمون يوجد في الفضاء بين الجسيمات المشحونة -بغض النظر عن طريقة قياسه- لذا يسمى كمون البلازما أو الكمون الفراغي. وإذا أدخل مجس داخل هذه البلازما سيكتشف كموناً أقل من كمون البلازما المحسوب نظراً لحجب ديباي. وإن الناقلية الجيدة للبلازما تجعل حقلها الكهربائي صغيراً، مما يشرح مفهوم شبه الاعتدال الكهربائي، الذي ينص على أن كثافة الشحنات السالبة مساوية تقريباً لكثافة الشحنات الموجبة في حجم مناسب من البلازما. ويجب أن تحدد قيمة الكمون والحقل الكهربائيين بطرق أخرى تختلف عن طريقة إيجاد كثافة الشحنات، ومثال ذلك افتراض أن الإلكترونات تحقق تابع مكسويل بولتزمان.

وفي البلازما الفضائية فإن حجب ديباي يمنع الحقول الكهربائية من التأثير في مسافات كبيرة داخل البلازما تزيد على طول ديباي. علاوة على ذلك فإن وجود جسيمات مشحونة متحركة يؤدي إلى حقول تحريض مغنطيسية تؤثر بدورها في الحقول التحريضية المغنطيسية المطبقة، مما يؤدي إلى سلوك معقد. مثال ذلك تشكل طبقتين من البلازما ناتجتين من انفصال الشحنات بعضها عن بعض لمسافات تقارب عشرة أمثال نصف قطر ديباي.

وتدرس آلية تفاعل حقل تحريض مغنطيسي خارجي والحقول الذاتية بوساطة ديناميك (تحريك) الموائع المغنطيسي magnetohydrodynamic (MHD).

4- المغنطة

إن تأثير حقل التحريض المغنطيسي في شحنات البلازما المتحركة يجعلها ممغنطة، وإن الشرط العام هو أن تُتِم الشحنة وسطياً على الأقل دورة واحدة حول الحقل قبل أن تتصادم مع مكون آخر؛ أي يجب أن يتحقق (المعادلة 3):

حيث: التواتر السيكلوتروني cyclotron frequency

: تواتر التصادمات.

وغالباً ما يتحقق تمغنط الإلكترونات وعدم تمغنط الإيونات. في هذه الحالة فإن البلازما تكون غير متناحية anisotropic؛ أي إن الخواص باتجاه حقل التحريض المغنطيسي تختلف عن الخواص في الاتجاه المعامد له.

الدراسة النظرية للبلازما

يدرس سلوك البلازما وفق الشروط التي تخضع لها والتقريبات المستعملة بطرائق مختلفة منها:

1-طريقة ميكانيك الموائع

يصف ميكانيك الموائع سلوك الموائع بوساطة متحولات مستمرة كالكثافة والسرعة الوسطية للمكونات. ويمكن أن تعدّ البلازما مائعاً واحداً في تحريك السوائل المغنطيسي MHD بتركيب معادلات ماكسويل الأربع للحقل الكهرطيسي مع معادلة نافيه-ستوكس Navier-Stokes التي تصف سلوك الموائع العادية، أو أن تعدّ كمائعين حيث توصف الإلكترونات والإيونات بمعادلتين منفصلتين، وهذه طريقة أعم من الأولى. ويستعمل عادة ميكانيك الموائع عندما تكون التصادمات بين المكونات عالية التواتر بحيث تبقي على توزع السرعات قريباً من توزيع ماكسويل- بولتزمان، وذلك لأن نموذج الموائع يصنف البلازما بدلالة درجة حرارة معينة في كل نقطة بحيث تتولد بنية فراغية لها على شكل حزمة أو طبقتين أو ظهور أثر (مفعول) جسيم – موجة.

2- الطريقة الحركية

تصف الطريقة الحركية تابع توزيع سرعات الجسيمات في كل نقطة، ومن ثم ليس هناك ضرورة لاستعمال توزيع ماكسويل – بولتزمان كما في الطريقة السابقة.

وفي حال إهمال التصادمات تستعمل معادلة فلاسوفVlasov التي تأخذ في الحسبان الحقل الكهرطيسي الذاتي self-consistent field، وهي تصف حركية جملة جسيمات مشحونة. وثمة معادلات أخرى-إضافة إلى معادلات ماكسويل-تأخذ في الحسبان التصادمات بين المكونات، في حالات محددة.

3- الطريقة المختلطة

تعامل الإلكترونات في هذه الطريقة بالطريقة الحركية، والإيونات مثلاً بطريقة ميكانيك الموائع؛ أي دمج الطريقتين السابقتين معاً.

تستعمل الطرائق الثلاث السابقة لدراسة اهتزازات البلازما التي تضم بآن واحد طيفاً كبيراً من الاهتزازات. وتُحل المعادلات السابقة في التقريبات الخطية، لكنه يُلجأ في كثير من الأحيان إلى الحلول اللاخطية للبحث في آليات تسخين البلازما أو تخامد هذه الاهتزازات.

توليد البلازما

نظراً لوجود تطبيقات متنوعة للبلازما فإنه ثمة طرائق متنوعة لتوليدها، ومع ذلك هناك مبدأ أساسي فيها هو وجوب استخدام كمية من الطاقة لتوليدها واستمرارها. فمثلاً: تتولد البلازما عندما يمر تيار كهربائي خلال غاز أو سائل عازل (مادة غير ناقلة كهربائياً) كما يمر في أنبوب الانفراغ الكهربائي؛ إذ إن فرق الكمون -وبالتالي الحقل الكهربائي- يدفع الإلكترونات (السالبة الشحنة) غير المرتبطة نحو القطب الموجب (الأنود) في حين يجذب القطب السالب (الكاتود) الإيونات الموجبة، ليتحول الوسط إلى ناقل بسبب درجة حرارة البلازما العالية وكثافة مكوناتها.

تطبيقات البلازما

تفيد دراسة البلازما بعد توليدها في التعدين كمعالجة السطوح بالتبخير الحراري (التغشية)؛ أو بالليزر أو التنميش الكيميائي etching في الإلكترونيات المكروية، أو في قص المعادن ولحامها، وكذلك في صناعة المصابيح المتفلورة (الفلوريسانت) وتحسينها، وأيضاً في الهندسة الفضائية.

مجالات دراسة البلازما

تُدرس البلازما وفق التطبيقات المستعملة، فمن المهم مثلاً دراسة استقرار البلازما وتوازنها في المصابيح وفي مفاعلات البلازما وتطبيقاتها؛ ودراسة تفاعل البلازما مع الأمواج الكهرطيسية في محركات البلازما؛ وتفاعل البلازما مع حزم شحنات، وكذلك تفاعل الليزر مع المواد الذي يؤدي إلى توليد البلازما وغيرها. ويُدرس في الجسم الصلب ظهور البلازمونات وتطبيقاتها.

التصنيف : الكيمياء والفيزياء

النوع : الكيمياء والفيزياء

المجلد: المجلد الخامس

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية