حالت هاى مواد
كلاً مواد در جهان در شش حالت ظاهر مي شوند :
جامد، مايع، گاز، پلاسما، ماده چگال باس-اينشتين و حالت تازه کشف شده: ماده چگال فرميونی.
پلاسما چیست؟
در سال ۱۸۷۹ فیزیکدان انگلیسی سر ویلیام کروکس، هنگام بررسی ویژگیهای ماده در تخلیهٔ الکتریکی، پیشنهاد کرد که این گازها حالت چهارم ماده هستند.
حالت چهارم ماده، پلاسما، شبيه گاز است و اما ذرات سازنده آن يون ها مي باشد. در جهان بيشتر مواد در حالت پلاسماهستند، مثل خورشيد و ساير ستارگان . پلاسما اغلب بسيار گرم است و میتوان آن را در ميدانهای مغناطيسی به دام انداخت. اصطلاح حالت چهارم ماده این ایده را که میتوان با گرم کردن مواد جامد (حالت اول) به مایع (حالت دوم) و با گرم کردن مایع به گاز (حالت سوم) رسید، را دنبال میکند.
در حالتهای جامد، مایع و گاز، دما را میتوان از روی دامنهٔ حرکت (سرعت نوسان) ذرات سازندهٔ ماده تعریف کرد اما در حالت پلاسما، دما از روی میزان جدایش یونهای مثبت از الکترونها تعریف میشود.
پلاسما يك گاز يوني شده ي بسيار سوزان است، گازي چنان سوزان كه برخوردهاي شديد گرمايي، همه يا بسياري از اتم هاي آن را به يون هاي مثبت و الكترون ها تجزيه كرده است.
به عبارت دیگر میتوان گفت که واژه پلاسما به گاز یونیدهشدهای اطلاق میشود که همه یا بخش قابل توجهی از اتمهای آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه شدهای که تعداد الکترونهای آزاد آن تقریبا برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته می شود. پلاسما در واقع همان آتش خالص است زيرا بخشي از يك شعله ي عادي پلاسما و بخش ديگر آن گاز سوزان است. این ماده با ماهیت محیط یونیزه ، ترکیبی از یونهای مثبت و الکترون با غلظت معین میباشد که مقدار الکترونها و یونهای مثبت در یک محیط پلاسما تقریبا برابر است و حالت پلاسمای مواد ، تقریبا حالت شبه خنثایی دارد.
ساختار پلاسما
عموما پلاسما را مجموعهای از یونها ، الکترونها و اتمهای خنثی جدا از هم و تقریبا در حال تعادل مکانیکی ـ الکتریکی میگویند. حالتهای خاصی را در مقابل مغناطیس نشان میدهد. این رفتارها کاملا برعکس رفتار گازها در مقابل میدان مغناطیسی است. زیرا گازها به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.
در کنار این رفتار پلاسما میتواند تحت تأثیر میدان مغناطیسی درونی که از حرکت یونهای داخلی به عمل میآید قرار گیرد. همچنین پلاسما به علت رفتار جمعیتی که از خود نشان میدهد، گرایشی به متأثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد و اغلب طوری رفتار میکند که گویی دارای رفتار مخصوص به خودش است. معیار دیگر برای پلاسما آن است که فراوانی بارهای مثبت و منفی باید چندان زیاد نباشد که هر گونه عدم توازن موضعی بین غلظتهای این بارها غیر ممکن باشد.
مثلا بار مثبت به سرعت بارهای منفی را بسوی خود میکشد تا توازن بار از نو برقرار سازد. بنابراین اگر چه پلاسما به مقدار زیادی بار آزاد دارد، ولی از لحاظ بار الکتریکی خنثی است. ماده در حالت پلاسما نسبت به حالتهای جامد ، مایع و گاز نظم کمتری دارد. با این حال خنثی بودن الکتریکی پلاسما بطور متوسط انرژی از نظم را نشان میدهد.
چهارمین حالت ماده کدام است؟
اگر پلاسما تا دمای زیاد حرارت داده شود، نظم موجود در پلاسما از بین میرود و ماده به توده درهم و برهم و کاملا نامنظم ذرات منفرد تبدیل میشود. بنابراین پلاسما گاهی نظیر سیالات ، رفتاری جمعی و گاهی نظیر ذرات منفرد ، بصورت کاملا تکی عمل میکند. به دلیل همین رفتارهای عجیب و غریب است که غالبا پلاسما در کنار گازها و مایعات و جامدات ، چهارمین حالت ماده معرفی میشود. بنابراین با توجه به اینکه چگالی پلاسما قابل توجه میباشد. مدولا نک در تک ذرات منفرد به مشکلات رفتار پلاسما افزوده میشود.
ضرورت بررسی پلاسمای طبیعی
با وجود این پیچیدگیها با عنایت به اینکه 99 درصد ماده موجود در طبیعت و جهان در حالت پلاسما است. علاقمندی ما به پلاسما جدا از بسیاری کاربردها نظیر تولید انرژی ، عدسی پلاسمایی برای کانونش انرژی و ... معتدل میباشد، چرا که از ترک زمین ، با انواع پلاسماها مانند )یونوسفر ، کمربندها و بادهای خورشیدی ( مواجه میشویم. بنابراین فیزیک پلاسما نیز در کنار سایر شاخههای علوم فیزیکی ، در شناخت محیط زندگی ما در قالب رشته ژئوفیزیک از یک اهمیت زیادی برخوردار است.
مواد پلاسمایی
بيش تر مواد در جهان به صورت پلاسما هستند.
اغلب گفته ميشود كه 99% ماده موجود در طبيعت در حالت پلاسماست، يعني به شكل گاز الكتريسته داري كه اتمهايش به يونهاي مثبت و الكترون منفي تجزيه شده باشد. اين تخمين هر چند ممكن است خيلي دقيق نباشد ولي تخمين معقولي است از اين واقعيت كه درون ستارگان و جو آنها، ابرهاي گازي و اغلب هيدروژن فضاي بين ستارگان به صورت پلاسماست. در نزديكي خود ما ، وقتيكه جو زمين را ترك ميكنيم بلافاصله با پلاسمايي مواجه مي شويم كه شامل كمربندهاي تشعشعي وان آلن و بادهاي خورشيدي است.
خورشيد و همه ي ستارگان كرات عظيمي از پلاسما هستند در حدود 99% جرم كل جهان در اين كرات پلاسمايي قرار دارد.
صاعقه، آتش سنت المو ، شفق شمالي و يونوسفر خود نوعي پلاسما هستند.
گاز داخل لوله هاي مهتابي و تابلوهاي نئوني پلاسما است، قوس درخشان دستگاه جوش الكتريكي پلاسما است، آتش خروجي از موشك پلاسما است و كره ي آتشين بمب هسته اي نيز پلاسما است.
پدیدههای طبیعی زیادی از جمله آتش ، خورشید ، ستارگان و غیره در رده حالت پلاسمایی ماده
قرار میگیرند. مواد طبیعی در حالت پلاسما عبارتند از انواع شعله ، بخش خارجی جو زمین ، اتمسفر ستارگان ، بسیاری از مواد موجود در فضای سحابی و بخشی از دم ستاره دنبالهدار و شفقهای قطبی شمالی، نمایش خیره کننده از حالت پلاسمایی ماده است که در میدان مغناطیسی جریان می یابد.
انواع پلاسما
کاربرد پلاسمای یونسفر
یونوسفر زمین در ارتباطات رادیویی اهمیت زیادی دارد. توضیح این نکته لازم است که یونوسفر ، امواج رادیویی با فرکانسهای بیش از 30 مگاهرتز (بین امواج رادار و تلویزیون) را عبور میدهد. ولی امواج با فرکانسهای کمتر )کوتاه ، متوسط و بلند رادیویی) را منعکس میکند. همچنین شایان ذکر است که ضخامت یونسفر زمین که از چند لایه منعکس کننده تشکیل شده است با عواملی نظیر شب و روز آشفتگی پلاسمایی سطح خورشید در ارتباط نزدیک میباشد.
مگنتوسفر و کمربندهای تشعشعی زمین
میدانیم زمین ما دارای میدان مغناطیسی است که میتواند بر یونها و بطور خلاصه پلاسمای فضای اطرافش اثر بگذراد. بر طبق نظرات دینامو ، میدان مغناطیسی زمین از القای مغناطیس حاصل از حرکات ذرات داخل پلاسمای فضا به درون زمین متأثر میشود. که دوباره نقش فیزیک پلاسما را در ژئوفیزیک یادآوری میکند. به هرحال بطور نظری باید میدان مغناطیسی به شکل متقارن باشد لیکن فشار باد خورشیدی ، میدان ژئومغناطیس زمین را به صورت ستارگان دنبالهدار یا دکلی شکل در میآورد. که در اصطلاح به آن مگنتوسفر زمین گفته میشود. ساختمان این لایه پلاسمایی نیز خود از چند لایه تشکیل شده است.
ژئوفیزیکدانان با مطالعه اساسی این لایهها ، حد بالای آن را که حدودا 10 برابر شعاع زمین و در جهت خورشید میباشد، مغناطیس سکون مینامند. خارج از مغناطیس سکون ، ناحیه متلاطمی است که غلاف مغناطیس نام دارد و آن باد خورشیدی در نتیجه فشار مگنتوسفر جهت و سرعت خود را تغییر میدهد. مگنتوسفر زمین ، کمربند ایمنی زمین در مقابل ذرات خطرناک کم انرژی و حتی متوسط انرژی میباشد. به این کمربند حافظ امنیت زمین در مقابل اشعههای خطرناک و ذرات ساتع از خورشید ، اصطلاحا کمربندهای وان آلن (به افتخار کاشف این کمربندها) گفته میشود.
آینههای مغناطیسی
با توجه به تأثیرات میدان مغناطیسی زمین بر روی پلاسما ، ذراتی که در میدان مغناطیسی زمین (کمربند وان آلن) گیر میاندازد. بواسطه داشتن میدان مغناطیسی قوی و ضعیف و در قطبین زمین حرکتی انجام میدهند که به مثابه یک آینه طبیعی میباشد. بنابراین آینه مغناطیسی که قبلا برای اولین بار توسط انریکو فرمی به عنوان مکانیسمی برای شتابدار ساختن پرتوی کیهانی استفاده شده بود، در ژئوفیزیک نیز بکار رفت.
بادهای خورشیدی
خورشید منظومه شمسی منبع نیرومندی از جریان مداوم پلاسما بصورت باد خورشیدی است. باد خورشیدی اصطلاحی برای ذرات تشعشع یافته نظیر بادهایی در حدود 100 هزار درجه کلوین است. باد خورشیدی پدیده پیچیدهای است که سرعت و چگالی آن متغیر میباشد. متغیر بودن پلاسمای بادی به فعالیت خورشید بستگی دارد. گفتنی است که به دلیل 100 برابر بودن انرژی جنبشی پلاسما نسبت به انرژی مغناطیسیاش ، اصطلاح باد مغناطیسی به آن دادهاند.
فشردگی پلاسما در فضا
پلاسمای فضایی میتواند تحت عوامل مختلفی فشرده شود و ستارگان فضا را ایجاد کند (به عنوان مثال کوتولههای سفید(. پلاسمای فضایی با چگالی حدود 100 هزار تا 10 میلیارد گرم بر سانتیمتر مکعب ، محصول نهایی تکامل ستارگان سبک وزن میباشد. این نوع ستارگان بسیار چگالتر از خورشید میباشند. چرا که اگر کل ماده خورشید با چگالی 1.4 گرم بر سانتیمتر مکعب میخواست متراکم و به اندازه مثلا زمین ما شود، چگالی آن به تقریبا یک میلیون گرم بر سانتیمتر مکعب میرسید.
ستارگان نوترونی نیز از نوع ستارگان بسیار چگال میباشند که محصول تکامل ستارگان همان وزن میباشند. اینها آخرین نوع ستارگان قابل مشاهده در جهان هستند که به سبب داشتن چگالی فوقالعاده زیاد ، نورهای اطراف خود را میبلعند و به صورت یک حفره سیاه در میآیند. بر طبق مدلهای محاسبه شده ، ستارگان نوترونی از لایههای مختلفی تشکیل شدهاند که با حرکت از سطح به طرف داخل ، چگالی به سرعت بالا میرود.