Hamshahri Newspaper

عميد نمازي خواه
در جهان سه حالت كلاسيك ماده وجود دارد كه همگي ما با آنها در كلاس هاي ابتدايي و در درس علوم تجربي آشنا شده ايم؛ جامد، مايع و گاز و تعريفات ابتدايي آنها كه حالت ظرف را به خود مي گيرند و نمي گيرند، با ضربه شكسته مي شوند و نمي شوند و... را از همان سالها به ياد داريم، اما سطح درك ما از ماده در آن سالها يا شايد همين حالا هم بقدري بالا نبوده و نيست كه بتوان به اين تقسيم بندي خلل ناپذير، حالت چهارمي هم اضافه كرد. اما روند پيشرفت علم هيچ اهميتي به ظرفيت فكري ما نمي دهد و بررسي آن هميشه ما را با عجايب زيادي مواجه مي سازد.
در همين زمينه مي توان به جادوگري دوباره علم در مورد حالات ماده اشاره كرد كه ما را با حالتي جديد از ماده مواجه مي كند. اين حالت چهارم كه البته هنوز مورد قبول تمام دانشمندان فيزيك و شيمي دنيا واقع نشده، حالت پلاسما ست. البته اين پلاسما، با آن پلاسمايي كه در خون وجود دارد و در سطح وسيعي با همين كاربرد كارايي دارد، از زمين تا آسمان – به اندازه تفاوت هاي علمي فيزيك و زيست شناسي- تفاوت دارد. اين حالت جديد، البته چندان هم جديد نيست و دهه هاست كه در بين فيزيكدانان شناخته شده است، اما فقط در بين فيزيكدانان و كتاب هاي بسيار تخصصي آنها. بحث در مورد پلاسما از دهه 1920 ميلادي، هنگامي كه دانشمندان به دنبال حالتي از ماده كه گاز يونيزه شده را تعريف كند مي گشتند، آغاز شد. با شروع گشت وگذارها و بررسي هاي علمي انسان در فضا و كشف كمربند تشعشعات ون آلن در دهه 50، موادي در جهان لايتناهي كشف شد كه تنها گزينه براي دسته بندي حالت فيزيكي آنها، پلاسما بود. با ثبت اين نظريه كه نور، حالتي از پلاسماست، ديگر اين مواد پلاسمايي نبودند كه به اين حالت چهارم ماده موجوديت مي بخشيدند، بلكه با وجود چنين حالتي از ماده، مي شد برخي از مواد را كه طبق دسته بندي كلاسيك ماده، حالتي گنگ به شمار مي رفتند، براحتي در اين حالت جديد دسته بندي كرد.
ماده با تغيير شرايط تحميلي فيزيكي، حالت خود را تغيير مي دهد. مثلا يخ كه از اكسيژن و هيدروژن تشكيل شده، در حالت معمولي و استاندارد خود به صورت مايع است، اما اگر يخ ذوب شود، H2O (مولكول آب يا بهتر است بگوييم يخ) حالت فيزيكي جديدي به خود مي گيرد و به آب مايع تبديل مي شود. با گرم كردن همين آب، مولكول ها به جدا شدن از يكديگر و حركت آزادانه متمايل مي شوند و در نتيجه حالت سوم دسته بندي كلاسيك، يعني گاز شامل حال آنها مي شود. در اين دسته بندي كلاسيك، شارژ كردن هر هسته اتمي برابر با شارژ كردن تمام الكترون هايي ست كه به دور آن مي چرخند، بنابراين در اين حالت، شارژ كل سيستم برابر صفر است و هر اتم منفرد از لحاظ الكتريكي خنثي ست.
به هر حال، در مواردي كه مي توان يك الكترون را از يك اتم جدا كرد، چند محصول به جا خواهد ماند. اين محصولات كه در حالت گازي يونيزه قرار دارند (همانطور كه گفته شد بايد براي جدا كردن يك الكترون از يك اتم، انرژي زيادي به آن داده شود كه اين انرژي بسيار زياد، ماده را به ناپايدارترين حالت آن يعني گاز تبديل مي كند)يون ها، الكترون ها و اتم هاي خنثي هستند كه مجموعا به آنها پلاسما گفته مي شود. يك پلاسما بايد به تعداد كافي ذرات باردار در خود داشته باشد، پس گاز در اين حالت نقشي مهم در جمع آوري ميدان هاي مغناطيسي و الكتريكي
بر عهده دارد. پس با توجه به جمله بالا مي توان براحتي نتيجه گرفت كه چگالي پلاسما با چگالي ذرات باردار آن رابطه مستقيمي دارد.
گرچه پلاسما، الكترون ها و يون ها را در خود جاي مي دهد و الكتريسيته را از خود عبور مي دهد، در مقياس ميكروسكوپي خنثي ست؛ در كميت هاي قابل اندازه گيري، تعداد الكترون ها و يون ها برابر است. ميادين مغناطيسي موجود در پلاسما بر ذرات بارداري كه در پلاسما قرار دارند، اثر مي گذارد و جابه جايي ذرات در داخل پلاسما باعث ايجاد ميدان و جريان الكتريكي داخلي در پلاسما مي شود. اين ويژگي چند بعدي منحصر به فرد پلاسما باعث مي شود پلاسما در دسته بندي حالات فيزيكي مواد، حالتي منحصر به فرد و پيچيده محسوب مي شود. پلاسما را مي توان در همه جا پيدا كرد؛ مكان هاي معمولي و غيرمعمولي روي كره زمين و فضاي بيكران بيرون از اتمسفر زمين. مثلا وقتي كه يك جريان الكتريكي از درون گاز نئون عبور داده مي شود، نور و پلاسما توليد مي شود. نور يكي ديگر از عوامل توليدكننده پلاسما در اتمسفر است كه مقادير زيادي پلاسما توليد مي كند، منتهي با اين تفاوت كه پلاسمايي كه توسط نور توليد مي شود، هموار و يكدست نيست. قسمتي از دنباله يك ستاره دنباله دار هم جايي ست كه مي توان گفت كه در آن پلاسمايي از يك گاز يونيزه شده وجود دارد؛ پلاسمايي كه در اينجا توسط نور خورشيد و فرآيند ناشناخته ديگري توليد شده است. خود خورشيد هم ماده اي ست كه در حالت فيزيكي پلاسما، دسته بندي مي شود. در واقع مي توان گفت كه خورشيد يك توپ 5/1 ميليون كيلومتري پلاسمايي ست كه توسط شكافت هسته اي گرم مي شود.
در حال حاضر دانشمندان در پي آشنا شدن با پلاسما، سعي مي كنند از آن به صورت بهينه در فرآيندهاي متفاوت كه مهمترين آنها توليد انرژي ست استفاده كنند. مثلا در يك مورد، دانشمندان سعي مي كنند دستگاهي بسازند كه پلاسمايي بسيار داغ در يك ميدان مغناطيسي توليد كند. اين دستگاه در اولين راكتور شكافت هسته اي دنيا كه با همكاري اتحاديه اروپا، ژاپن و برخي كشورهاي ديگر در روسيه ساخته خواهد شد، به كار گرفته مي شود. گرمايي كه در اثر توليد پلاسما در اين نيروگاه موسوم به Iter توليد خواهد شد، نزديك به 100 ميليون درجه سانتي گراد، يعني گرمتر از گرماي سطح خورشيد خواهد بود.در فضاي اطراف زمين، وجود پلاسما بسيار حياتي ست، چون پروسه هاي توليد پلاسما و وجود آنها همانند سپري عمل مي كنند كه زمين را با جابه جايي انرژي در لايه هاي يونيزه شده اتمسفر بالايي در برابر تشعشعات مخرب حفظ مي كنند.
با توجه به تعريفات مختصري كه در مورد پلاسما داده شد، مي توان براحتي گفت كه تمام هستي – به استثناي ذرات خاكي مانند كره زمين – از پلاسما تشكيل شده است، اما بايد اعتراف كرد حتي اين وسعت حضور تقريبا بيكران هم باعث نشده است مردم با پلاسما آشنايي مختصري داشته باشند. همان طور كه از تعريف پلاسما برمي آيد، اين حالت مادي چهارم، بيشتر در فضا وجود دارد تا روي زمين. به همين خاطر مي توان ادعا كرد كه وسيع ترين حالت ماده همين پلاسما ست. 99 درصد ستاره ها و فضاي نامرئي بين آنها از پلاسما تشكيل شده است و حتي عده اي از دانشمندان بر اين عقيده هستندكه دنياي نامرئي بين ستاره ها و كهكشان ها هم عموما از پلاسما تشكيل شده است.
ساختار فيزيكي
در مقايسه با حالات جامد، مايع و گاز، پلاسما ساختار پيچيده تري دارد، چون به روش خود پايداري رفتار مي كند. پراكندگي الكترون ها و يون ها در پلاسما باعث ايجاد ميدان الكتريكي مي شود و حركت الكترون ها و يون ها در پلاسما، ايجاد ميدان الكتريكي و مغناطيسي مي شود. در اين حالت ميدان هاي الكتريكي باعث مي شوند پلاسما تا به سطوح بسيار بالاي انرژي دست يابد و در عين حال، ميدان هاي مغناطيسي الكترون هاي موجود در پلاسما را هدايت مي كنند. خاصيت خودپايداري پلاسما ، باعث مي شود كه اين حالت فيزيكي، بسيار چند وجهي، پر هرج ومرج و ناپايدار شود. اين ويژگي ها هم به نوبه خود باعث ايجاد ميدان هاي مغناطيسي و الكتريكي مي شوند، اما از آن مهمتر، نتيجه اين خواص پلاسما، ايجاد تشعشات الكترومغناطيس است. براي مثال، تمام بيم هاي الكترون باعث توليد مايكروويو (ريز امواج) مي شوند. اين ساختار پرهرج و مرج و مشوش پلاسما، باعث شد تا فيزيكدانان مفاهيم جديدي را در فيزيك ارائه دهند كه يكي از اين موارد، ارائه توضيحات علمي در مورد ديناميك لرزشي ست. همچنين با استفاده از پلاسما، فيزيكدانان موفق شده اند به موفقيت هاي بسيار زيادي در مورد علم تربولانس (اغتشاشات هوايي كه در اطراف هواپيما يا هر جسم پرنده ديگري به وجود مي آيد) دست يابند كه همه اينها منجر به امن تر شدن مسافرت ها و ماموريت هاي هوايي شده است. تحقيقات جديد در مورد ليزر، سيستم هاي روشنايي كم مصرف و بهينه، واكنش هاي سطوح پلاسمايي و ... از ديگر مواردي ست كه با توسعه مطالعات پلاسمايي ميسر شده اند. دليل اصرار بر استفاده از پلاسما در موارد مختلف و متعدد هم در ساختار آن نهفته است. اجزاي پلاسما، يون ها و الكترون هايي كه در كنار يكديگر قرار دارند، تنها ذراتي هستند كه با چنين عمر بسيار بالايي تا به حال كشف شده اند و مي توان گفت طول عمر آنها از هر ذره شناخته شده ديگر در دنيا بيشتر است. به همين جهت با اينكه پلاسما بسيار ديرتر از ديگر حالات ماده كشف و تعريف علمي شده است، به سرعت در حال همه گير شدن در تمامي ابعاد زندگي انسان است.
محيط هاي پلاسمايي
اينكه درك ماهيت حالت پلاسمايي اتفاقي جديد در جهان به شمار مي رود، دليل بر اين نمي شود كه پلاسما در طبيعت وجود نداشته باشد. پلاسما با آغاز خلقت جهان همچون جامد، مايع و گاز در آن وجود داشته و همان طور كه اشاره شد قسمت اعظم جهان از اين ماده ساخته شده است. در فضاي بيرون كره زمين اكثر ستاره ها و مواد بين كهكشاني از اين ماده تشكيل شده اند. يكي از مهمترين موارد اين دسته، خورشيد است. اين ستاره حياتبخش، از سطح تا هسته ،تماما از پلاسما تشكيل شده است و نور تشعشات آن موسوم به باهادي خورشيدي هم پلاسمايي هستند. در زمين هم پلاسما در سطح گسترده اي وجود دارد. براي نمونه مي توان به موارد زير اشاره كرد:
نور فلورسنت و نئون، در جنبش هاي قطب شمال و جنوب در فواصل خاص زماني، ماده جامد چگال هنگامي كه انفجارات هسته اي و زلزله بر آنها تاثير مي گذارند و ... .