All premium Magento themes at magentothemesstore.com!

الفزياء والكون >> البلازما - الحالة الرابعة للمادة

   
 
الفزياء والكون
الذرة
البلازما
جزئ الفا
تجربة ميكسلون ومورلي
النسبية الخاصة
النسبية العامة
ميكانيكا الكم
الضوء والاشعة
الهليوم
مقاييس علم الكونيات
 
 
 

 

تفصيل سديم اللولب يوضح غلاف مغناطيسي ممتاز خلق بتدفق بلازما بين النجوم

Image Credit

NASA


 

 

 

 

 

 

الطاقة المغناطيسية المنفجرة على السطح الشمسي يقذف البلازما الى خارج الشمس، تركيب الحقل المغناطيسي الواضح يظهر بالون الأزرق الخفيف

Image Credit

 Stanford Lockheed Institute for Space Research and NASA


 

 

 

 

 

 

 

المناطق الكثيفة لولادة النجوم واضحة هنا قرب حدود الأعمدة المظلمة لسديم النسر. تصبح التأثيرات الكهروديناميكية للبلازما مهمة مع نسبة مئوية قليلة من التأين كما هو واضح من  أيونوسفير الأرض. كل المناطق المرئية هنا وأغلب المناطق المنخفضة الكثافة في الوسط مسيطر عليها بالبلازما تحتوي جزيئات محايدة، آيونات، ألكترونات وحقول كهربائية ومغناطيسية. خلال بلازما الأعمدة المظلمة قد يكون متواجدة فقط خلال وقرب النجوم، وبالغاز المحيط في هذه الأعمدة حيدت واصبحت باردة

Image Credit

NASA


البلازما وتسمى في أغلب الأحيان "الحالة الرابعة للمادة، أما الحالات الأخرى الثلاثة هي الصلبة والسائلة والغازية، البلازما هي حالة متميزة 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 أخر لعدد هام من الذرات لإطلاق سراح بعض أو كل ألكتروناتها، والأجزاء الباقية من تلك الذرات تترك بشحنة موجبة. الألكترونات 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 تكون حالة البلازما.

 

في العديد من الحالات التفاعلات بين الجزيئات المشحونة والجزيئات المحايدة مهمة في تقرير سلوك وفائدة البلازما. نوع الذرات في البلازما ونسبة الجزيئات المؤينة إلى الجزيئات المحايدة وطاقة الجزئ 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، وبمعنى آخر إلكترونات وآيونات تشكلت في درجات حرارة عالية عندما انتزعت الألكترونات من الذرات المحايدة، والبلازما شائعة في الطبيعة على سبيل المثال النجوم بالدرجة الأولى هي بلازما.

 

والبلازما حالة رابعة من المادة بسبب صفاتها وطبيعتها الفريدة المتميزة عن المواد الصلبة والسوائل والغازات وتتفاوت 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 وتعقيم بعض المنتجات الطبية والمصابيح والليزر والمايكرويف الكهربائي 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 الى 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 إثنان 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 الى 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 أن الفضاء بين الشمس وكواكبها فارغة لا تحتوي على شئ، فراغ مجرد من الطاقة أو المادة، لكن الفضاء ليس خاليا. تبعث الشمس البلازما بشكل ثابت، المادة في حالة ساخنة بشدة وتنتقل بكل الإتجاهات في سرعات عالية جدا لتنتشر في كامل النظام الشمسي وما بعده.

 

بدراسة العمليات التي تحدث في غلاف الأرض المغناطيسي (حيث حقل الأرض المغناطيسي له تأثير أعظم من حقل الشمس الواسع) وحول كواكب أخرى، نحن قادرون بشكل افضل 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 الى 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.

 

ويمكن التحكم في البلازما عن طريق المجال المغناطيسي. كما أنها موصل جيد للكهرباء، فعند تمرير تيار كهربائي خلال البلازما واستخدام المجال المغناطيسي، يمكن بذلك اخضاع البلازما لقوة كهرومغناطيسية مشابهة لتلك التي يعمل بها المحرك الكهربي، وهذه القوة يمكن استخدامها بشكل فعال لزيادة سرعة البلازما ودفعها بسرعة عالية جدا قد تصل الى 60 كيلومترا في الثانية، وبهذه الطريقة يتم انتاج قوة دفع يمكنها دفع أي مركبة فضائية في الفضاء.

 

ويطلق على هذا الجهاز الذي يقوم بتوليد وتسريع البلازما اسم صاروخ البلازما أو محرك البلازما أو «جهاز الدفع بالبلازما» Plasma Thruster، وهو عبارة عن صاروخ كهربائي لاعتماده على الطاقة الكهربية بدلا من احتراق الوقود.

 

ويركز مختبر الدفع بالبلازما على دراسة الفيزياء المعقدة للبلازما وتطوير أنواع مختلفة من صواريخ البلازما.


وعن اهمية تقنية الدفع بالبلازما في المركبات الفضائية، يشير البروفسور شويري الى أن معظم الصواريخ المستخدمة حاليا في الفضاء هي صواريخ كيميائية (بوقود كيميائي) تعتمد على عملية الاحتراق، أي تحرق الوقود السائل داخل حجرة الاحتراق لإنتاج غاز كهربي محايد، يخرج كعادم من الصاروخ بسرعة لا تتجاوز 3 كيلومترات في الثانية. وكلما كانت سرعة الغاز الخارج من الصاروخ عالية، قلت نسبة الوقود المستخدم لدفع مركبة فضائية من مكان لآخر في الفضاء، ولذا نحتاج الى عدة أطنان من الوقود لإرسال مركبة فضائية كبيرة مأهولة أو على متنها معدات ثقيلة. أما اذا استخدمنا صاروخ البلازما الذي تصل سرعة العادم فيه الى 60 كيلومتراً في الثانية، فان وزن المادة الدافعة يمثل جزءا صغيرا بالمقارنة بتلك التي يستخدمها الصاروخ الكيميائي. ولابد من الاشارة الى أن صواريخ البلازما تستخدم فقط في محيط الفضاء الخارجي، أي عند وصول المركبة الى المدار المخصص لها، لأننا ما زلنا نعتمد على عملية الدفع الكيميائي لإطلاق المركبات الفضائية من على سطح الأرض.

 

وقد ساعد استخدام الدفع بالبلازما في المدارات على توفير قدر هائل في كمية المادة المستخدمة في عملية الدفع والتي يجب اطلاقها، وهذا يعني توفيرا كبيرا في تكلفة عملية الاطلاق، اذ تصل تكلفة اطلاق كيلوغرام واحد من هذه المادة ما بين 20 الى 200 ألف دولار.

 

وعن توجهات دول العالم لتوظيف تقنية البلازما في رحلات الفضاء المقبلة يقول البروفسور شويري انه توجد اليوم أكثر من 170 مركبة فضائية تستخدم الدفع الكهربائي، وجزء متزايد منها يستخدم أجهزة الدفع بالبلازما، حيث يوجد الآن في الفضاء 20 قمرا صناعيا للأغراض العلمية والتجارية تستخدم صواريخ البلازما للحركة في الفضاء أو لتعديل مواقعها. وتعتبر المركبة الفضائية Deep Space-1 التابعة لـ«ناسا» التي أطلقت عام 1998 أول مركبة تستخدم صواريخ البلازما، وقد حققت مهمتها بنجاح باهر، حيث مكن المحرك الأيوني المركبة من السفر لمسافة 320 مليون كيلومتر، ومن اعتراض أحد الكويكبات السيارة وأحد المذنبات، وقد استهلكت 80 كيلوغراما فقط من الوقود. كما حققت السفينة الفضائية SMART-1 ـ التي أطلقتها وكالة الفضاء الأوروبية في سبتمبر (ايلول) 2003، نجاحا آخر ووصلت لأحد المدارات حول  القمر في نوفمبر (تشرين الثاني) 2004، وقد استخدمت المركبة نوعا من صاروخ البلازما يطلق عليه Hall thruster، والذي استهلك 10 كيلوغرامات فقط من غاز الزينون xenon. كذلك استخدمت مركبة الفضاء اليابانية HAYABUSA Asteroid Explorer نوعا آخر من المحركات الأيونية للوصول الى أحد الكويكبات السيارة مستهلكة 22 كيلوغراما فقط من وقود غاز الزينون. وتعكس كل هذه المهمات الناجحة المزايا الواضحة لتقنية الدفع بالبلازما.