فيزياء البلازما

plas-blog

البلازما {1}  فيزياء البلازما

في ظل ندرة مصادر الطاقة الاحفورية والتغيرات المناخية التي تهددنا نتيجة انبعاث ثاني اكسيد الكربون  يتجة العالم الي تصنيع شموس علي الارض بتحقيق الاندماج النووي لانتاج الطاقة النظيفة والامنة .تمتد الابحاث في هذا المجال  منذ 7 عقود ومن اهم العقبات ان الاندماج النووي يحتاج مئات الملايين من الدرجات المئوية (حالة البلازما) ولهذا فلنبدا التعريف بعلم فيزياء البلازما.

co2
توزيع نسبة انبعاث ثاني اكسيد الكربون من كل دولة بالنسبة للانبعاث العالمي ونجد الصين وامربكا متصدرين القائمة. حيث الصناعات الكثيرة والاعتماد عل حرق الوقود الاحفوري.

التعريف بفيزياء البلازما

عنواننا كلمتين الاولي فيزياء  والثانية بلازما فدعنا نقرأهم بعناية لنصيب الهدف المعرفي بعمق. عندما تذكر البلازما  يتبادر الي الذهن سريعا مترادفات كثيرة كـ التعقيد او الغموض او الخيال العلمي او الفضول والشغف و يختلف المرادف من شخص لاخر بناء علي الخلفية التعليمية و الثقافية لكل منا. فمن توقف اتصاله بالفيزياء مع الثانوية العامة غالبا يتسق مع التعقيد كمرادف للفيزياء ومن استطرد قليلا الي الكليات العملية سيلقبها بالغامضة ولكن هواة القراءة في علوم الفلك والفضاء ومتابعي افلام كــ  انتر استلر [*] حتما يربطون الفيزياء بالخيال العلمي ولكن هناك طائفة من استكملوا الدراسة علي الطريق وقضوا الاوقات للتعلم و الفهم والاستنباط سترتبط الفيزياء معهم بالفضول والشغف والنشوة الكبري. ولكن جميعهم سيتفق ان الفيزياء حقيقة اثبتت جداراتها علي مدي القرون الماضية وكانت الطفرة الكبري في القرن المنصرم الذي نعيش نتاجه التكنولوجي اليوم من هواتف وانترنت واقمار صناعية وشبكات المعلومات . والثانية بلازما .. التي عندما تسمعها  سيذهب عقلك الي الدم وعلم الاحياء ……. آسف ياصديقي ان علاقة فيزياء مقالنا اليوم بعلم الاحياء كعلقتك انت كعربي باللغة الصينية. اذا فما الموضوع !!!!

  حالات المادة

فلنبدا من خبرتنا اليومية لوضع بعض المفاهيم التي تمكنا من تعريف بلازما اليوم بشكل واضح. فلنعود الي الثلاجة في المطبخ ذات درجة الحرارة 4 او 5 درجات تحت الصفرسيلزيوس فيوجد بها ثلج كثير وتعرف هذه الحالة في الفيزياء بالجوامد, واذا اخرجنا قطعة ووضعنها في اناء ستتحول الي ماء في المطبخ حيث درجة الحرارة حوالي 25 درجة مئوية وتسمي الحالة السائلة, و اذا اشتهيت كوب من الشاي ستضع الماء في غلاية حيث يغلي الماء عند 100 درجة ويتحول الي بخار ويسمي في الفيزياء غاز. هل فكرت يوم ماذا لو استطعنا احكام البخار وتسخينه الي 100 الف درجة مئوية  مثلا ماذا يحدث !!!! من المحتمل ان تتحول المادة الي حالة جديدة !!!! تخمينك صحيح يا عزيزي…. نعم ستتحول الي حالة جديدة وغريبة وتسمي البلازما ولكن لماذا سميت بلازما ؟  سنعرف هذا لاحقا وفي الاوساط التعليمية يطلق عليها الحالة الرابعة للمادة ولكن هذا تعريف غير دقيق كما سنري لاحقا.

لقد سردنا تعريفا وصفيا لسلوك المادة وتحولها من حالة الي اخري برفع درجة حرارتها ولكن كل هذا منبثق من فهمنا الحالي للعالم الذري للماده حيث ان المادة تتكون من جزيئات متعادلة كهربيا  ذات ابعاد في حدود جزء من مليار جزء من السنتيمتر. تترابط هذا الجزيئات فيما بينها بقوي متعددة ة و لكنها ضعيفة و تتزن علي ابعاد متساوية. ولكن بالتسخين تكتسب هذه الجزيئات طاقة حركة تجعلها تتحرر بمقدار الطاقة الحرارية وتزيد المسافات البينية من الصلب الي السائل وصولا الي الغاز حيث تكون الجزيئات في حالة تحرر تام ولكن هناك تصادامات بين بعضها البعض وبمزيد من التسخين كل جزئ يتكون من ذرات يتفكك الي ذرات منفردة اذا كان متعدد الذرات.

البلازما 

plasma state
توصيف لعملية ترابط الجزيئات من الشمال الي اليمين تزداد درجة الحرارة الصلب السائل الغاز ثم البلازما.

مزيد من التسخين يجعل الذرات المترابطة كهربيا حيث ترتبط الالكترونات السالبة بنواة الذرة الموجب تتفكك ولكن هذا يحدث عند درجات الحرارة العالية جدا لان قوي التجاذب الكهربي كبير جدا. وعند تحرر الالكترونات تتحول الذرات الي ايونات موجبة الشحنة (عملية التأين) ويصبح الوسط عبارة عن خليط من شحنات سالبة وموجبة و ذرات متعادلة فهذه حالة تحمل فصائل مختلفة ولذلك سميت بلازما مقارنة ببلازما الدم  وهي السائل الحامل للفصائل المختلفة من كرات دم حمراء وبيضاء وصفائح الدموية. وكلمة بلازما هي كلمة لاتينة تعني الشئ اللين القابل للتشكيل واول من اطلق عليها بلازما هو الكيميائي والفيزيائي الامريكي ارفين لانجمير عام 1920.

  لماذا مفهوم الحالة الرابعة غير دقيق؟ ؟ ؟

state trans
نلاحظ ثبات درجة الحرارة عند الانتقال من الصلب الي السائل ومن السائل الي الغاز وبعدها تزداد درجة الحرارة باستمرار

يحدث الانتقال من احد حالات المادة الي حالة اخري عند درجة حرارة معينة بحيث ان كل المادة تتحول الي الحالة الجديدة عن درجة حرارة معينة ولا تزيد درجة حرارة الجزء المحول اولا الي عندما تتحول كل الكمية من المادة. مثالا عندما نذيب كمية من الثلج في اناء نجد ان هناك بعض من الثلج تحول الي ماء اولا عند درجة صفر مئوي ولكن يظل الماء المتحول اولا لاتزيد درجة حرارته عن الصفر الا بعد تحول كل كمية الثلج و تسمي درجة الانصهار عند التحول من الصلب للسائل و الغليان عند الانتقال من السائل للغاز. وهذا لا يحدث للبلازما فعملية التأين تحدث تدريجيا وتوجد درجات حرارة مختلفة طول الوقت ولهذا مفهوم الحالة الرابعة للمادة غير متسق ولكن يمكن استخدامه مجازا.

  المقال القادم 

 وحيث ان التاين يحدث تدريجيا فالتميز بين حالة الغاز المتاين والبلازما يحتاج الي بعض الشروط المستخلصة من سلوك كل منهما. وهذا  موضوع المقال القادم ان شاء الله
——————————————————–

كتبه: محمد عزت 
طالب بالماجستير الاوروبي الاندماج النووي والفيزياء الهندسية
بمركز ابحاث الطاقة والتكنولوجيا وبالبيئة بمدريد

معيد بقسم الفيزياء – كلية العلوم – جامعة المنصورة

بعض المراجع:ـــ

[*] Interstellar
[  ] المصادر الرئيسية هنا

______________________________________
 للاشتراك في المدونة ليصلك كل جديد 
______________________________________

 

 

 

Advertisements