البلازما باعتبارها الحالة الرابعة للمادة. ما هي بلازما الدم

نفس المادة الموجودة في الطبيعة لديها القدرة على تغيير خصائصها بشكل جذري حسب درجة الحرارة والضغط. وخير مثال على ذلك هو الماء الذي يوجد على شكل جليد صلب وسائل وبخار. هذه ثلاث حالات مجمعة لهذه المادة التي لها الصيغة الكيميائية H 2 O. والمواد الأخرى في الظروف الطبيعية قادرة على تغيير خصائصها بطريقة مماثلة. ولكن إلى جانب تلك المذكورة، هناك حالة أخرى من التجميع في الطبيعة - البلازما. إنه نادر جدًا في الظروف الأرضية ويتمتع بصفات خاصة.

التركيب الجزيئي

على ماذا تعتمد حالات المادة الأربع التي تتواجد فيها المادة؟ من تفاعل عناصر الذرة والجزيئات نفسها، وهبت خصائص التنافر والجذب المتبادل. وهذه القوى تعوض نفسها ذاتيًا في الحالة الصلبة، حيث يتم ترتيب الذرات بشكل هندسي صحيح، لتشكل شبكة بلورية. في الوقت نفسه، فإن الكائن المادي قادر على الحفاظ على كل من الخصائص النوعية المذكورة أعلاه: الحجم والشكل.

ولكن بمجرد زيادة الطاقة الحركية للجزيئات، تتحرك بشكل عشوائي، فإنها تدمر النظام القائم، وتحول إلى سوائل. لديهم سيولة وتتميز بغياب المعلمات الهندسية. لكن في الوقت نفسه تحتفظ هذه المادة بقدرتها على عدم تغيير الحجم الإجمالي. وفي الحالة الغازية، ينعدم التجاذب المتبادل بين الجزيئات تماما، وبالتالي فإن الغاز ليس له شكل وله إمكانية التمدد غير المحدود. لكن تركيز المادة ينخفض ​​بشكل ملحوظ. الجزيئات نفسها لا تتغير في الظروف العادية. هذه هي السمة الرئيسية للحالات الثلاث الأولى من حالات المادة الأربع.

تحول الدول

يمكن إجراء عملية تحويل المادة الصلبة إلى أشكال أخرى عن طريق زيادة درجة الحرارة تدريجيًا وتغيير الضغط. في هذه الحالة، ستحدث التحولات فجأة: ستزداد المسافة بين الجزيئات بشكل ملحوظ، وسيتم تدمير الروابط بين الجزيئات مع تغير الكثافة والانتروبيا وكمية الطاقة الحرة. ومن الممكن أيضًا أن تتحول المادة الصلبة مباشرة إلى الحالة الغازية، متجاوزة المراحل الوسيطة. ويسمى التسامي. مثل هذه العملية ممكنة تمامًا في ظل الظروف الأرضية العادية.

ولكن عندما تصل مؤشرات درجة الحرارة والضغط إلى مستويات حرجة، تزداد الطاقة الداخلية للمادة بدرجة كبيرة لدرجة أن الإلكترونات، التي تتحرك بسرعة فائقة، تترك مداراتها داخل الذرة. في هذه الحالة، يتم تشكيل الجزيئات الإيجابية والسلبية، ولكن كثافتها في الهيكل الناتج تبقى كما هي تقريبا. وبالتالي، تنشأ البلازما - حالة تجميع المادة التي هي في الواقع غاز، مؤين كليا أو جزئيا، وهبت عناصرها بالقدرة على التفاعل مع بعضها البعض على مسافات طويلة.

ارتفاع درجة حرارة البلازما في الفضاء

البلازما، كقاعدة عامة، هي مادة محايدة، على الرغم من أنها تتكون من جزيئات مشحونة، لأن العناصر الإيجابية والسلبية فيها، متساوية تقريبا في الكمية، تعوض بعضها البعض. تعتبر حالة التجميع هذه في ظل الظروف الأرضية العادية أقل شيوعًا من الحالات الأخرى المذكورة سابقًا. ولكن على الرغم من ذلك، فإن معظم الأجسام الكونية تتكون من البلازما الطبيعية.

مثال على ذلك الشمس ونجوم الكون العديدة الأخرى. درجات الحرارة هناك مرتفعة بشكل خيالي. بعد كل شيء، تصل درجة الحرارة على سطح الجسم الرئيسي لنظامنا الكوكبي إلى 5500 درجة مئوية. وهذا أعلى بأكثر من خمسين مرة من المعلمات المطلوبة لغليان الماء. تبلغ درجة الحرارة في وسط الكرة التي تنفث النار 15.000.000 درجة مئوية. ليس من المستغرب أن تتأين الغازات (الهيدروجين بشكل أساسي) هناك لتصل إلى الحالة الإجمالية للبلازما.

البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة في الطبيعة

يتكون الوسط البينجمي الذي يملأ الفضاء المجري أيضًا من البلازما. لكنه يختلف عن تنوع درجات الحرارة المرتفعة الموصوف سابقًا. وتتكون هذه المادة من مادة متأينة ناتجة عن الإشعاع المنبعث من النجوم. هذه بلازما ذات درجة حرارة منخفضة. وبنفس الطريقة، فإن أشعة الشمس، التي تصل إلى حدود الأرض، تخلق الغلاف الأيوني وحزام الإشعاع الموجود فوقه، والذي يتكون من البلازما. الاختلافات هي فقط في تكوين المادة. على الرغم من أن جميع العناصر الواردة في الجدول الدوري يمكن أن تكون في حالة مماثلة.

البلازما في المختبر وتطبيقاتها

وفقا للقوانين، يمكن تحقيق ذلك بسهولة في ظل الظروف المألوفة لدينا. عند إجراء التجارب المعملية، يكون المكثف والصمام الثنائي والمقاومة المتصلة على التوالي كافيين. يتم توصيل هذه الدائرة بمصدر حالي لمدة ثانية. وإذا لمست سطحًا معدنيًا بالأسلاك، فإن جزيئاته نفسها، وكذلك جزيئات البخار والهواء الموجودة في مكان قريب، تتأين وتجد نفسها في الحالة الإجمالية للبلازما. يتم استخدام خصائص مماثلة للمادة لإنشاء شاشات زينون ونيون وآلات اللحام.

البلازما والظواهر الطبيعية

في ظل الظروف الطبيعية، يمكن ملاحظة البلازما في ضوء الأضواء الشمالية وأثناء عاصفة رعدية على شكل برق كروي. لقد قدمت الفيزياء الحديثة الآن تفسيرًا لبعض الظواهر الطبيعية التي كانت تنسب سابقًا إلى خصائص صوفية. البلازما، التي تتشكل وتتوهج عند نهايات الأجسام العالية والحادة (الصواري والأبراج والأشجار الضخمة) تحت حالة خاصة من الغلاف الجوي، اعتبرها البحارة منذ قرون مضت بمثابة نذير للحظ السعيد. ولهذا سميت هذه الظاهرة بـ "نار القديس إلمو".

رؤية تفريغ الهالة على شكل شرابات أو أشعة مضيئة أثناء عاصفة رعدية في العاصفة، اعتبر المسافرون هذا فأل خير، مدركين أنهم تجنبوا الخطر. ليس من المستغرب، لأن الأجسام المرتفعة فوق الماء، والمناسبة لـ "علامات القديس"، يمكن أن تشير إلى نهج السفينة إلى الشاطئ أو تنبأ بلقاء سفن أخرى.

بلازما غير متوازنة

توضح الأمثلة المذكورة أعلاه ببلاغة أنه ليس من الضروري تسخين المادة إلى درجات حرارة رائعة من أجل تحقيق حالة البلازما. للتأين، يكفي استخدام قوة المجال الكهرومغناطيسي. في الوقت نفسه، لا تكتسب العناصر المكونة الثقيلة للمادة (الأيونات) طاقة كبيرة، لأن درجة الحرارة خلال هذه العملية قد لا تتجاوز عدة عشرات من الدرجات المئوية. في ظل هذه الظروف، تتحرك الإلكترونات الضوئية المنفصلة عن الذرة الرئيسية بشكل أسرع بكثير من الجزيئات الخاملة.

وتسمى هذه البلازما الباردة بعدم التوازن. بالإضافة إلى أجهزة تلفزيون البلازما ومصابيح النيون، فإنه يستخدم أيضًا في تنقية المياه والأغذية، ويستخدم للتطهير للأغراض الطبية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تساعد البلازما الباردة في تسريع التفاعلات الكيميائية.

مبادئ الاستخدام

من الأمثلة الممتازة لكيفية استخدام البلازما المصطنعة لصالح البشرية تصنيع شاشات البلازما. تتمتع خلايا هذه الشاشة بالقدرة على بعث الضوء. اللوحة عبارة عن نوع من "الساندويتش" من الألواح الزجاجية الموجودة بالقرب من بعضها البعض. يتم وضع صناديق بينهما بمزيج من الغازات الخاملة. يمكن أن تكون النيون والزينون والأرجون. ويتم تطبيق الفوسفور الأزرق والأخضر والأحمر على السطح الداخلي للخلايا.

يتم توصيل الأقطاب الكهربائية الموصلة خارج الخلايا، حيث يتم إنشاء الجهد. ونتيجة لذلك، ينشأ مجال كهربائي، ونتيجة لذلك، تتأين جزيئات الغاز. تنبعث من البلازما الناتجة أشعة فوق بنفسجية، والتي يمتصها الفوسفور. ونتيجة لذلك تحدث ظاهرة التألق من خلال الفوتونات المنبعثة. نظرا للمزيج المعقد للأشعة في الفضاء، تظهر صورة مشرقة لمجموعة واسعة من الظلال.

أهوال البلازما

يأخذ هذا النوع من المادة مظهرًا مميتًا أثناء الانفجار النووي. تتشكل البلازما بكميات كبيرة خلال هذه العملية غير المنضبطة، مما يؤدي إلى إطلاق كمية هائلة من أنواع الطاقة المختلفة. الناتج عن تفعيل المفجر، ينفجر ويسخن الهواء المحيط إلى درجات حرارة هائلة في الثواني الأولى. في هذه المرحلة، تظهر كرة نارية قاتلة، تنمو بسرعة مذهلة. يتم زيادة المساحة المرئية للكرة المضيئة بواسطة الهواء المتأين. تشكل الجلطات والنفثات ونفاثات البلازما المتفجرة موجة صدمة.

في البداية، تمتص الكرة المضيئة، التي تتقدم، كل شيء في طريقها على الفور. لا تتحول العظام والأنسجة البشرية إلى غبار فحسب، بل تتحول أيضًا إلى صخور صلبة، وحتى الهياكل والأشياء الاصطناعية الأكثر ديمومة يتم تدميرها. الأبواب المدرعة المؤدية إلى الملاجئ الآمنة لا تنقذك، حيث يتم سحق الدبابات والمعدات العسكرية الأخرى.

تشبه البلازما في خصائصها الغاز من حيث أنه ليس لها شكل وحجم محدد، ونتيجة لذلك فهي قادرة على التوسع إلى ما لا نهاية. ولهذا السبب، أعرب العديد من الفيزيائيين عن رأي مفاده أنه لا ينبغي اعتبارها حالة تجميع منفصلة. ومع ذلك، فإن الاختلافات الكبيرة بينه وبين الغاز الساخن فقط واضحة. وتشمل هذه: القدرة على توصيل التيارات الكهربائية والتعرض للمجالات المغناطيسية، وعدم الاستقرار وقدرة الجزيئات المكونة لها على سرعات ودرجات حرارة مختلفة، بينما تتفاعل بشكل جماعي مع بعضها البعض.

لقد ولت الأوقات التي ارتبطت فيها البلازما بشيء غير واقعي وغير مفهوم ورائع. في هذه الأيام يتم استخدام هذا المفهوم بنشاط. تستخدم البلازما في الصناعة. يستخدم على نطاق واسع في تكنولوجيا الإضاءة. ومن الأمثلة على ذلك مصابيح تفريغ الغاز التي تضيء الشوارع. ولكنه موجود أيضًا في مصابيح الفلورسنت. كما أنه موجود في اللحام الكهربائي. بعد كل شيء، قوس اللحام هو بلازما يتم توليدها بواسطة شعلة البلازما. ويمكن إعطاء العديد من الأمثلة الأخرى.

فيزياء البلازما هي فرع مهم من العلوم. لذلك، يجدر فهم المفاهيم الأساسية المتعلقة به. هذا ما خصصت له مقالتنا.

تعريف وأنواع البلازما

ما ورد في الفيزياء واضح تماما. البلازما هي حالة من حالات المادة عندما تحتوي الأخيرة على عدد كبير (مقارنة بالعدد الإجمالي للجزيئات) من الجسيمات المشحونة (الحاملات) القادرة على التحرك بحرية أكثر أو أقل داخل المادة. يمكن تمييز الأنواع الرئيسية التالية من البلازما في الفيزياء. إذا كانت الناقلات تنتمي إلى جزيئات من نفس النوع (والجزيئات ذات علامة الشحن المعاكسة، التي تحييد النظام، لا تتمتع بحرية الحركة)، يطلق عليها مكون واحد. وفي الحالة المعاكسة، فهو مكون من مكونين أو متعدد المكونات.

مميزات البلازما

لذلك، قمنا بوصف مختصر لمفهوم البلازما. الفيزياء علم دقيق، لذلك لا يمكنك الاستغناء عن التعريفات. دعونا نتحدث الآن عن السمات الرئيسية لهذه الحالة من المادة.

في الفيزياء ما يلي. بادئ ذي بدء، في هذه الحالة، تحت تأثير القوى الكهرومغناطيسية الصغيرة بالفعل، تحدث حركة الناقلات - تيار يتدفق بهذه الطريقة حتى تختفي هذه القوى بسبب فحص مصادرها. ولذلك، فإن البلازما تدخل في النهاية إلى حالة تكون فيها شبه محايدة. وبعبارة أخرى، فإن أحجامها الأكبر من قيمة مجهرية معينة تكون شحنتها صفر. السمة الثانية للبلازما ترتبط بالطبيعة بعيدة المدى لقوى كولوم وأمبير. يكمن في حقيقة أن الحركات في هذه الحالة، كقاعدة عامة، جماعية بطبيعتها، وتتضمن عددًا كبيرًا من الجزيئات المشحونة. هذه هي الخصائص الأساسية للبلازما في الفيزياء. سيكون من المفيد أن نتذكرهم.

تؤدي هاتان الميزتان إلى حقيقة أن فيزياء البلازما غنية ومتنوعة بشكل غير عادي. وأبرز مظاهره هو سهولة حدوث أنواع مختلفة من عدم الاستقرار. إنها تشكل عقبة خطيرة تعقد الاستخدام العملي للبلازما. الفيزياء هو العلم الذي يتطور باستمرار. لذلك، يمكن للمرء أن يأمل في إزالة هذه العقبات بمرور الوقت.

البلازما في السوائل

بالانتقال إلى أمثلة محددة للهياكل، نبدأ بالنظر إلى أنظمة البلازما الفرعية في المادة المكثفة. من بين السوائل، يجب أولا أن نذكر - مثال يتوافق مع النظام الفرعي للبلازما - بلازما مكونة واحدة من حاملات الإلكترون. بالمعنى الدقيق للكلمة، يجب أن تشمل الفئة التي تهمنا سوائل المنحل بالكهرباء التي توجد بها ناقلات - أيونات من كلتا العلامتين. ومع ذلك، لأسباب مختلفة، لا يتم تضمين الشوارد في هذه الفئة. أحدها هو أن المنحل بالكهرباء لا يحتوي على حاملات ضوئية متنقلة مثل الإلكترونات. ولذلك، فإن خصائص البلازما المذكورة أعلاه أقل وضوحا بكثير.

البلازما في بلورات

البلازما في البلورات لها اسم خاص - بلازما الحالة الصلبة. على الرغم من أن البلورات الأيونية لها شحنات، إلا أنها غير متحركة. لهذا السبب لا يوجد بلازما هناك. توجد في المعادن موصليات تشكل البلازما المكونة من عنصر واحد. يتم تعويض شحنتها بشحنة الأيونات غير المتحركة (بتعبير أدق، غير القادرة على التحرك لمسافات طويلة).

البلازما في أشباه الموصلات

وبالنظر إلى أساسيات فيزياء البلازما، تجدر الإشارة إلى أن الوضع أكثر تنوعا في أشباه الموصلات. دعونا نصف ذلك بإيجاز. يمكن أن تنشأ البلازما المكونة من عنصر واحد في هذه المواد إذا تم إدخال الشوائب المناسبة فيها. إذا تخلت الشوائب بسهولة عن الإلكترونات (المانحين)، فستظهر ناقلات من النوع n - الإلكترونات. إذا كانت الشوائب، على العكس من ذلك، تختار بسهولة الإلكترونات (المستقبلات)، فستظهر ناقلات من النوع p - ثقوب (مساحات فارغة في توزيع الإلكترون)، والتي تتصرف مثل الجزيئات ذات الشحنة الموجبة. تنشأ البلازما المكونة من عنصرين، والتي تتكون من الإلكترونات والثقوب، في أشباه الموصلات بطريقة أبسط. على سبيل المثال، يظهر تحت تأثير ضخ الضوء، الذي يرمي الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. لاحظ أنه في ظل ظروف معينة، يمكن للإلكترونات والثقوب المنجذبة لبعضها البعض أن تشكل حالة مرتبطة تشبه ذرة الهيدروجين - الإكسيتون، وإذا كان الضخ شديدًا وكثافة الإكسيتونات عالية، فإنها تندمج معًا وتشكل قطرة من سائل ثقب الإلكترون. في بعض الأحيان تعتبر هذه الحالة حالة جديدة للمادة.

تأين الغاز

تشير الأمثلة المقدمة إلى حالات خاصة لحالة البلازما، وتسمى البلازما في شكلها النقي بالعديد من العوامل التي يمكن أن تؤدي إلى تأينها: المجال الكهربائي (تفريغ الغاز، العواصف الرعدية)، تدفق الضوء (التأين الضوئي)، الجسيمات السريعة (الإشعاع من المصادر المشعة) ، الأشعة الكونية والتي تم اكتشافها عن طريق زيادة درجة التأين مع الارتفاع). ومع ذلك، فإن العامل الرئيسي هو تسخين الغاز (التأين الحراري). وفي هذه الحالة يتم فصل الإلكترون عن الاصطدام بالأخير بواسطة جسيم غازي آخر له طاقة حركية كافية بسبب ارتفاع درجة الحرارة.

البلازما ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة

إن فيزياء البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة هي شيء نتواصل معه كل يوم تقريبًا. ومن أمثلة هذه الحالة النيران، والمادة في تفريغ الغاز والبرق، وأنواع مختلفة من البلازما الكونية الباردة (الأغلفة الأيونية والمغنطيسية للكواكب والنجوم)، والمواد العاملة في الأجهزة التقنية المختلفة (مولدات MHD، والشعلات، وما إلى ذلك). ومن أمثلة البلازما عالية الحرارة مادة النجوم في جميع مراحل تطورها، باستثناء مرحلة الطفولة المبكرة والشيخوخة، وهي المادة العاملة في منشآت الاندماج النووي الحراري الخاضعة للرقابة (توكاماك، وأجهزة الليزر، وأجهزة الشعاع، وما إلى ذلك).

الحالة الرابعة للمادة

منذ قرن ونصف، اعتقد العديد من الفيزيائيين والكيميائيين أن المادة تتكون فقط من جزيئات وذرات. يتم دمجها في مجموعات تكون إما مضطربة تمامًا أو مرتبة بشكل أو بآخر. كان يعتقد أن هناك ثلاث مراحل - الغازية والسائلة والصلبة. المواد تأخذهم تحت تأثير الظروف الخارجية.

ومع ذلك، في الوقت الحاضر يمكننا القول أن هناك 4 حالات للمادة. إنها البلازما التي يمكن اعتبارها جديدة، الرابعة. ويكمن اختلافه عن الحالات المكثفة (الصلبة والسائلة) في أنه، مثل الغاز، لا يتمتع بمرونة القص فحسب، بل يمتلك أيضًا حجمًا جوهريًا ثابتًا. من ناحية أخرى، ترتبط البلازما بالحالة المكثفة من خلال وجود ترتيب قصير المدى، أي الارتباط بين مواقع وتكوين الجسيمات المجاورة لشحنة بلازما معينة. في هذه الحالة، لا يتم إنشاء مثل هذا الارتباط عن طريق الجزيئات، ولكن عن طريق قوى كولوم: شحنة معينة تصد الشحنات التي تحمل نفس الاسم وتجذب الشحنات التي تحمل نفس الاسم.

لقد قمنا بمراجعة فيزياء البلازما لفترة وجيزة. هذا الموضوع واسع جدًا، لذا لا يسعنا إلا أن نقول إننا قمنا بتغطية أساسياته. من المؤكد أن فيزياء البلازما تستحق المزيد من الدراسة.

آلاف السنين من التطوير المكثف والبحث في الحياة والطبيعة قادت الإنسان إلى معرفة حالات المادة الأربع. وتبين أن البلازما هي الأكثر غموضاً بينها. منذ اللحظة التي اكتشف فيها الإنسان وجودها لأول مرة، تقدمت الأبحاث حول البلازما وتطبيقاتها العملية على قدم وساق. ظهر العلم الواعد اليوم، وهو كيمياء البلازما، وبدأ في التطور بنشاط.

وحتى في زمن اليونان القديمة، عرف العالم أرسطو أن جميع الأجسام تتكون من أربعة عناصر سفلية: الأرض والماء والهواء والنار. أما اليوم فقد غيرت هذه المفاهيم أسمائها، ولكن ليس معناها. في الواقع، يعلم الجميع أن المادة يمكن أن توجد في أربع حالات: الصلبة والسائلة والغازية والبلازما.

تم اكتشاف الحالة الرابعة للمادة من قبل دبليو كروكس في عام 1879، وأطلق عليها آي لانجموير اسم "البلازما" في عام 1928.

البلازما (من البلازما اليونانية - مُصممة ومُشكَّلة)، غاز متأين جزئيًا أو كليًا، تكون فيه كثافات الشحنات الموجبة والسالبة متماثلة تقريبًا.

البلازما عبارة عن غاز يتكون من جزيئات موجبة وسالبة الشحنة بنسبة تجعل إجمالي شحنتها صفرًا. يمكن للجزيئات المشحونة التي تتحرك بحرية أن تحمل تيارًا كهربائيًا، وبالتالي فإن البلازما عبارة عن غاز له موصلية كهربائية. بالمقارنة مع الموصلات المعروفة، وخاصة الشوارد المعدنية، فإن البلازما أخف بآلاف المرات.

لا يوجد فرق في بعض النواحي بين الغازات والبلازما. تخضع البلازما لقوانين الغاز وتتصرف مثل الغاز في كثير من النواحي.

من السمات المهمة للبلازما هي الحركة الفوضوية للجزيئات المتأصلة في الغاز، والتي يمكن ترتيبها في البلازما. تحت تأثير مجال مغناطيسي أو كهربائي خارجي، من الممكن إعطاء الاتجاه لحركة جزيئات البلازما. وبالتالي، يمكن اعتبار البلازما بمثابة وسط سائل له خاصية توصيل التيار الكهربائي.

يشمل مفهوم البلازما، أو حالة البلازما للمادة، كلا من الغازات الساخنة والباردة التي لها تألق وموصلية كهربائية. هناك نوعان من البلازما: متساوي القياس، والذي يحدث عند درجة حرارة غاز عالية بما يكفي للتأين الحراري القوي، وتفريغ الغاز، والذي يتشكل أثناء التفريغ الكهربائي في الغازات.

في البلازما متساوية القياس، يكون متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات: الإلكترونات والأيونات والذرات والجزيئات المحايدة والمثارة هو نفسه. وفي حالة التوازن الحراري مع البيئة، يمكن أن توجد مثل هذه البلازما إلى أجل غير مسمى. تكون بلازما تفريغ الغاز مستقرة فقط في حالة وجود مجال كهربائي في الغاز يعمل على تسريع الإلكترونات. درجة حرارة بلازما تفريغ الغاز أعلى من درجة حرارة الغاز المحايد. وبالتالي، فإن حالة البلازما غير مستقرة، وعندما يتوقف المجال الكهربائي، تختفي بلازما تفريغ الغاز خلال جزء من الثانية، أي 10-5 و10-7 ثانية، حيث يحدث نزع الأيونات من الغازات خلال هذه الفترة. وبالتالي فإن البلازما هي حالة غازية من ناحية، وخليط من عدة غازات من ناحية أخرى. وتتكون من جزيئات عادية وإلكترونات حرة وأيونات وفوتونات. تشكل مجموعة الجسيمات من كل نوع غازًا خاصًا بها، يتكون من جزيئات متعادلة وإلكترونات وأيونات وفوتونات. كل هذه الغازات مجتمعة تشكل ما يسمى بالبلازما.

تنشأ البلازما نتيجة تأين الجزيئات: عندما تصطدم جزيئات من جزيئات ذات طاقة عالية، عندما تصطدم الجزيئات بالإلكترونات أو الأيونات، عندما تتعرض الجزيئات للفوتونات. كل هذه العمليات قابلة للعكس، حيث تحدث عمليات إعادة التركيب في البلازما - استعادة الحالة المحايدة. ومن الناحية العملية، يمكن أن تتشكل البلازما عندما تشتعل النيران، أو عندما يمر تيار كهربائي عبر الغاز، أو عند درجات حرارة مرتفعة، وما إلى ذلك.

وفقًا لمفاهيم اليوم، فإن الحالة الطورية لمعظم المادة (حوالي 99.9٪ من حيث الكتلة) في الكون هي البلازما. جميع النجوم مصنوعة من البلازما، وحتى الفراغ بينها مملوء بالبلازما، وإن كانت نادرة جدًا. على سبيل المثال، ركز كوكب المشتري في نفسه تقريبا كل مادة النظام الشمسي، وهي في حالة "غير بلازما" (سائلة وصلبة وغازية). وفي الوقت نفسه، تبلغ كتلة كوكب المشتري حوالي 0.1% فقط من كتلة النظام الشمسي، وحجمه أقل: 10-15% فقط. في هذه الحالة، يمكن اعتبار أصغر جزيئات الغبار التي تملأ الفضاء الخارجي وتحمل شحنة كهربائية معينة مجتمعة بمثابة بلازما تتكون من أيونات مشحونة فائقة الثقل.

البلازما لها خصائص مختلفة. أهمها هي:

• 1. التوصيل الكهربائي هو الخاصية الرئيسية للبلازما. خاصية أخرى ترتبط بالتوصيل الكهربائي، وهي التوهج، نتيجة لإثارة الجزيئات. الطاقة الداخلية للبلازما تساوي 3 كالوري/درجة*مول للغاز أحادي الذرة، و12 كالوري/درجة*مول للجزيئات متعددة الذرات، مثل البنزين. بالنسبة لحالة البلازما، تكون السعة الحرارية 100-200 كالوري/درجة مول، أي 40-50 مرة أكثر من الغازات. يتم تفسير السعة الحرارية الكبيرة بحقيقة أنه عندما تنتقل المادة من الحالة الطبيعية إلى حالة البلازما، يتم إنفاق جزء من الطاقة على التأين. وهذه الطاقة، كما نرى، كبيرة جدًا.
• 2. البلازما لها حركة محددة. وينتج عن وجود عدد كبير من الشحنات التي تحدد التوصيل الكهربائي للبلازما، مما يؤدي إلى حركة جديدة للبلازما، غير موجودة في أي من حالات التجميع الأخرى. كما هو معروف، يحدث ذلك في الأنظمة غير المتأينة تحت تأثير الجاذبية والقصور الذاتي والمرونة، وهنا - تحت تأثير القوى المغناطيسية والكهربائية. إن الحركة العشوائية للإلكترونات والأيونات تؤدي إلى أن كثافة الجسيمات المتساوية الشحنة في بعض المناطق تصبح أكبر أو أقل، ونتيجة لذلك فإن شدة الشحنة في بعض المناطق إما تزيد أو تقل، مما يسبب حركة الجسيمات الموجبة الشحنة نحو شحنات أكثر كثافة من الجسيمات السالبة. ونتيجة لهذه الحركة تنشأ تذبذبات من نوع البندول، حيث أن انتقال مجال سالب الشحنة إلى مجال موجب يؤدي بدوره إلى ظهور مناطق جديدة ذات كثافات مختلفة من الشحنات لها نفس العلامة، أي موجات من الكهرباء الموجبة والسالبة. تنشأ.
• 3. من أهم خصائص البلازما إمكانية حدوث ذبذبات كهرومغناطيسية في نطاق واسع للغاية تحت تأثير الحركة التي تحدث في البلازما نفسها أو تحت تأثير التيار الكهربائي المتدفق في البلازما. في ظل وجود مجال مغناطيسي قوي خارجي، تبدأ البلازما في التحرك في اتجاه عمودي على التيار، مما يجعل من الممكن، من خلال المجال الكهرومغناطيسي، إغلاق حركة البلازما في دائرة.

خاصية البلازما هذه مهمة جدًا للحصول على درجات حرارة عالية.

التوليف النووي

ويعتقد أن احتياطيات الوقود الكيميائي سوف تكفي البشرية لعدة عقود. الاحتياطيات المؤكدة من الوقود النووي محدودة أيضًا. التفاعلات النووية الحرارية الخاضعة للرقابة في البلازما يمكن أن تنقذ البشرية من مجاعة الطاقة وتصبح مصدرًا لا ينضب تقريبًا للطاقة.

1 لتر من الماء العادي يحتوي على 0.15 مل من الماء الثقيل (D2O). عندما تندمج نواة الديوتيريوم، يطلق 0.15 مل من D2O نفس كمية الطاقة التي يتم إنتاجها عن طريق احتراق 300 لتر من البنزين. التريتيوم غير موجود عمليا في الطبيعة، ولكن يمكن الحصول عليه عن طريق قصف نظير الليثيوم n بالنيوترونات.

نواة ذرة الهيدروجين ليست أكثر من بروتون ص. تحتوي نواة الديوتيريوم أيضًا على نيوترون واحد إضافي، وتحتوي نواة التريتيوم على نيوترونين. يمكن أن يتفاعل الديوتيريوم والتريتيوم مع بعضهما البعض بعشر طرق مختلفة. لكن احتمالات مثل هذه التفاعلات تختلف أحيانًا بمئات التريليونات من المرات، وكمية الطاقة المنبعثة بمقدار 10-15 مرة. ثلاثة منهم فقط هم من ذوي الاهتمام العملي.

إذا تفاعلت جميع النوى الموجودة في حجم معين في وقت واحد، يتم إطلاق الطاقة على الفور. يحدث انفجار نووي حراري. في المفاعل، يجب أن يستمر تفاعل التخليق ببطء.

لم يتم بعد تحقيق الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة، ولكنه يَعِد بفوائد كبيرة. إن الطاقة المنبعثة أثناء التفاعلات النووية الحرارية لكل وحدة كتلة من الوقود أعلى بملايين المرات من طاقة الوقود الكيميائي، وبالتالي أرخص بمئات المرات. في الطاقة النووية الحرارية، لا يوجد إطلاق لمنتجات الاحتراق في الغلاف الجوي أو النفايات المشعة. وأخيرا، تم استبعاد حدوث انفجار في محطة الطاقة النووية الحرارية.

أثناء الاندماج، يتم إطلاق الجزء الأكبر من الطاقة (أكثر من 75٪) على شكل طاقة حركية للنيوترونات أو البروتونات. إذا قمت بإبطاء النيوترونات في مادة مناسبة، فإنها تسخن؛ ويمكن تحويل الحرارة الناتجة بسهولة إلى طاقة كهربائية. يتم تحويل الطاقة الحركية للجسيمات المشحونة - البروتونات - مباشرة إلى كهرباء.

في تفاعل الاندماج، يجب أن تتحد النوى، لكنها مشحونة بشكل إيجابي، وبالتالي، وفقًا لقانون كولومب، فإنها تتنافر. للتغلب على القوى التنافرية، حتى نوى الديوتيريوم والتريتيوم، التي لها أصغر شحنة (Z. = 1)، تتطلب طاقة تبلغ حوالي 10 أو 100 كيلو إلكترون فولت. وهو يتوافق مع درجة حرارة حوالي 108-109 ك. في مثل هذه درجات الحرارة، أي مادة تكون في حالة البلازما ذات درجة الحرارة العالية.

من وجهة نظر الفيزياء الكلاسيكية، فإن تفاعل الاندماج أمر مستحيل، ولكن هنا يأتي تأثير النفق الكمي البحت للإنقاذ. تم حساب أن درجة حرارة الاشتعال، بدءًا من إطلاق الطاقة الذي يتجاوز فقدانه، لتفاعل الديوتيريوم-التريتيوم (DT) تبلغ حوالي 4.5x107 كلفن، ولتفاعل الديوتيريوم-الديوتيريوم (DD) - حوالي 4x108 كلفن. رد فعل DT هو الأفضل. يتم تسخين البلازما بالتيار الكهربائي وإشعاع الليزر والموجات الكهرومغناطيسية وغيرها من الطرق. ولكن ليس فقط ارتفاع درجة الحرارة هو المهم.

كلما زاد التركيز، كلما اصطدمت الجزيئات ببعضها البعض، لذلك قد يبدو أن البلازما عالية الكثافة أفضل لإجراء تفاعلات الاندماج. ومع ذلك، إذا كان 1 سم 3 من البلازما يحتوي على 1019 جسيمًا (تركيز الجزيئات في الغاز في الظروف العادية)، فإن الضغط فيه عند درجات حرارة التفاعلات النووية الحرارية سيصل إلى حوالي 106 ضغط جوي. لا يمكن لأي هيكل أن يتحمل مثل هذا الضغط، وبالتالي يجب تخلخل البلازما (بتركيز حوالي 1015 جسيمًا لكل 1 سم3). في هذه الحالة، تحدث تصادمات الجسيمات بشكل أقل تكرارًا، وللحفاظ على التفاعل من الضروري زيادة الوقت الذي تبقى فيه في المفاعل، أو وقت الاحتفاظ. وهذا يعني أنه من أجل إجراء تفاعل نووي حراري، من الضروري النظر في نتاج تركيز جزيئات البلازما ووقت الاحتفاظ بها. بالنسبة لتفاعلات DD، فإن هذا المنتج (ما يسمى بمعيار لوسون) يساوي 1016 ثانية/سم 3، وبالنسبة لتفاعل DT - 1014 ثانية/سم 3.

كلمة "البلازما" لها معاني كثيرة، بما في ذلك المصطلح المادي. إذن ما هي البلازما في الفيزياء؟

البلازما عبارة عن غاز متأين يتكون من جزيئات محايدة وجزيئات مشحونة. هذا الغاز متأين - حيث يتم فصل إلكترون واحد على الأقل عن غلاف ذراته. السمة المميزة لهذه البيئة يمكن أن تسمى شبه الحياد. شبه الحياد يعني أنه من بين جميع الشحنات الموجودة في وحدة حجم البلازما، يكون عدد الشحنات الموجبة مساويًا لعدد الشحنات السالبة.

نحن نعلم أن المادة يمكن أن تكون غازية أو سائلة أو صلبة - وهذه الحالات، التي تسمى الحالات المجمعة، قادرة على التدفق إلى بعضها البعض. لذلك، تعتبر البلازما الحالة الرابعة للتجمع التي يمكن أن توجد فيها المادة.

لذلك، تتميز البلازما بخاصيتين رئيسيتين - التأين وشبه الحياد. سنتحدث عن ميزاته الأخرى بشكل أكبر، ولكن أولاً سننتبه إلى أصل المصطلح.

البلازما: تاريخ التعريف

بدأ أوتو فون غيريكه البحث في التصريفات في عام 1972، ولكن على مدار القرنين ونصف القرن التاليين، لم يتمكن العلماء من تحديد الخصائص الخاصة والسمات المميزة للغاز المتأين.

ويعتبر إيرفينغ لانجميور هو مؤلف مصطلح "البلازما" كتعريف فيزيائي وكيميائي. أجرى العالم تجارب على البلازما المتأينة جزئيًا. وفي عام 1923، اقترح هو وفيزيائي أمريكي آخر المصطلح نفسه.

نشأت فيزياء البلازما بين عامي 1922-1929.

كلمة "بلازما" يونانية الأصل وتعني شكلاً بلاستيكيًا منحوتًا.

ما هي البلازما: الخصائص والأشكال والتصنيف

إذا تم تسخين المادة فإنها تصبح غازية عند وصولها إلى درجة حرارة معينة. إذا استمر التسخين، سيبدأ الغاز في التفكك إلى الذرات المكونة له. ثم تتحول إلى أيونات: هذه هي البلازما.

هناك أشكال مختلفة لهذه الحالة من المادة. تتجلى البلازما في الظروف الأرضية في تصريفات البرق. كما أنها تشكل طبقة الأيونوسفير، وهي طبقة في الغلاف الجوي العلوي. يظهر الغلاف الأيوني تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية ويجعل من الممكن إرسال إشارات الراديو عبر مسافات طويلة.

هناك المزيد من البلازما في الكون. المادة الباريونية للكون موجودة بالكامل تقريبًا في حالة البلازما. تشكل البلازما النجوم، بما في ذلك الشمس. الأشكال الأخرى من البلازما الموجودة في الفضاء هي السدم بين النجوم والرياح الشمسية (تيار من الجسيمات المتأينة القادمة من الشمس).

في الطبيعة، بالإضافة إلى البرق والأيونوسفير، توجد البلازما في شكل ظواهر مثيرة للاهتمام مثل أضواء سانت إلمو والأضواء الشمالية.

توجد بلازما صناعية - على سبيل المثال، في مصابيح الفلورسنت والبلازما، وفي الأقواس الكهربائية لمصابيح القوس، وما إلى ذلك.

تصنيف البلازما

البلازما هي:

• مثالية، ناقصة.
• درجة حرارة عالية ومنخفضة.
• لا يوجد توازن وتوازن.

البلازما والغاز: المقارنة

تتشابه البلازما والغاز في العديد من النواحي، ولكن هناك اختلافات كبيرة في خصائصهما. على سبيل المثال، يختلف الغاز والبلازما في التوصيل الكهربائي - فالغاز له قيم منخفضة لهذه المعلمة، بينما البلازما، على العكس من ذلك، لها قيم عالية. يتكون الغاز من جزيئات متشابهة، وبلازما - ذات خصائص مختلفة - الشحنة، وسرعة الحركة، وما إلى ذلك.

ما هي البلازما - غاز غير عادي

منذ الطفولة، عرفنا عدة حالات لتجميع المواد. لنأخذ الماء على سبيل المثال. حالتها المعتادة معروفة للجميع - سائلة، وتنتشر في كل مكان: الأنهار والبحيرات والبحار والمحيطات. الحالة الثانية للتجميع هي الغاز. نحن لا نراه في كثير من الأحيان. أسهل طريقة للوصول إلى الحالة الغازية في الماء هي غليه. البخار ليس أكثر من الحالة الغازية للمياه. الحالة الثالثة للتجمع هي الجسم الصلب. يمكننا أن نلاحظ حالة مماثلة، على سبيل المثال، في أشهر الشتاء. الجليد هو ماء متجمد، وهناك حالة ثالثة من التجمع.
يوضح هذا المثال بوضوح أن أي مادة تقريبًا لها ثلاث حالات تجميع. بالنسبة للبعض، من السهل تحقيقه، بالنسبة للآخرين - أكثر صعوبة (مطلوب شروط خاصة).

لكن الفيزياء الحديثة تحدد حالة أخرى مستقلة للمادة - البلازما.

البلازما عبارة عن غاز متأين له كثافة متساوية من الشحنات الموجبة والسالبة. كما تعلمون، عند تسخينها بشدة، تنتقل أي مادة إلى الحالة الثالثة للتجميع - الغاز. إذا واصلنا تسخين المادة الغازية الناتجة، فإن الناتج سيكون مادة ذات عملية تأين حراري متزايدة بشكل حاد؛ حيث تتفكك الذرات التي يتكون منها الغاز لتشكل أيونات. ويمكن ملاحظة هذه الحالة بالعين المجردة. شمسنا نجم، مثل ملايين النجوم والمجرات الأخرى في الكون، لا يوجد أكثر من بلازما عالية الحرارة. لسوء الحظ، على الأرض، لا توجد البلازما في الظروف الطبيعية. ولكن لا يزال بإمكاننا أن نلاحظ ذلك، على سبيل المثال، وميض البرق. في ظروف المختبر، تم الحصول على البلازما لأول مرة عن طريق تمرير الجهد العالي من خلال الغاز. اليوم، يستخدم الكثير منا البلازما في الحياة اليومية - وهي مصابيح الفلورسنت العادية التي تعمل بتفريغ الغاز. في الشوارع، يمكنك في كثير من الأحيان رؤية إعلانات النيون، وهي ليست أكثر من بلازما منخفضة الحرارة في أنابيب زجاجية.

ومن أجل الانتقال من الحالة الغازية إلى البلازما، يجب أن يكون الغاز متأينا. تعتمد درجة التأين بشكل مباشر على عدد الذرات. شرط آخر هو درجة الحرارة.

حتى عام 1879، كانت الفيزياء تصف وتسترشد بثلاث حالات فقط للمادة. حتى بدأ العالم الإنجليزي والكيميائي والفيزيائي ويليام كروكس بإجراء تجارب لدراسة موصلية الكهرباء في الغازات. وتشمل اكتشافاته اكتشاف عنصر الثاليوم، وإنتاج الهيليوم في ظروف المختبر، وبالطبع التجارب الأولى لإنتاج البلازما الباردة في أنابيب تفريغ الغاز. تم استخدام المصطلح المألوف "البلازما" لأول مرة في عام 1923 من قبل العالم الأمريكي لانجموير، وبعد ذلك من قبل تونكسون. حتى هذا الوقت، كانت كلمة "البلازما" تعني فقط العنصر عديم اللون من الدم أو الحليب.

تُظهر أبحاث اليوم أنه، خلافًا للاعتقاد الشائع، فإن حوالي 99% من جميع المواد في الكون موجودة في حالة البلازما. جميع النجوم، كل الفضاء بين النجوم، المجرات، السدم، المروحة الشمسية هي ممثلين نموذجيين للبلازما.
يمكننا أن نلاحظ على الأرض ظواهر طبيعية مثل البرق والأضواء الشمالية و"نار سانت إلمو" والغلاف الأيوني للأرض وبالطبع النار.
تعلم الإنسان أيضًا استخدام البلازما لمصلحته الخاصة. بفضل الحالة الرابعة للمادة، يمكننا استخدام مصابيح تفريغ الغاز، وأجهزة تلفزيون البلازما، واللحام بالقوس الكهربائي، والليزر. يمكننا أيضًا ملاحظة ظاهرة البلازما أثناء الانفجار النووي أو إطلاق الصواريخ الفضائية.

يمكن اعتبار أحد الأبحاث ذات الأولوية في اتجاه البلازما هو تفاعل الاندماج النووي الحراري، والذي يجب أن يصبح بديلاً آمنًا للطاقة النووية.

حسب التصنيف، تنقسم البلازما إلى درجة حرارة منخفضة ودرجة حرارة عالية، توازن وغير توازن، مثالية وغير مثالية.
تتميز البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة بدرجة تأين منخفضة (حوالي 1٪) ودرجة حرارة تصل إلى 100 ألف درجة. وهذا هو السبب وراء استخدام هذا النوع من البلازما في كثير من الأحيان في العمليات التكنولوجية المختلفة (وضع طبقة من الماس على السطح، وتغيير قابلية بلل المادة، ومعالجة المياه بالأوزون، وما إلى ذلك).

تتمتع البلازما ذات درجة الحرارة المرتفعة أو "الساخنة" بتأين بنسبة 100٪ تقريبًا (وهذه هي الحالة بالتحديد المقصودة بحالة التجميع الرابعة) ودرجة حرارة تصل إلى 100 مليون درجة. في الطبيعة، هذه نجوم. في ظل الظروف الأرضية، يتم استخدام البلازما ذات درجة الحرارة العالية في تجارب الاندماج النووي الحراري. إن التفاعل الخاضع للرقابة معقد للغاية ويستهلك الطاقة، لكن التفاعل غير المنضبط أثبت أنه سلاح ذو قوة هائلة - قنبلة نووية حرارية اختبرها الاتحاد السوفييتي في 12 أغسطس 1953.
ولكن هذه هي التطرف. لقد أخذت البلازما الباردة مكانها بقوة في حياة الإنسان، ولا يزال الاندماج النووي الحراري المفيد المتحكم به بمثابة حلم، أما الأسلحة في الواقع فهي غير قابلة للتطبيق.

لكن في الحياة اليومية، لا تكون البلازما مفيدة دائمًا بنفس القدر. هناك في بعض الأحيان حالات ينبغي فيها تجنب تصريف البلازما. على سبيل المثال، أثناء أي عمليات تبديل، نلاحظ وجود قوس بلازما بين جهات الاتصال، والذي يجب إطفاؤه بشكل عاجل.