پلاسما: حالت چهارم ماده با یون‌های آزاد
پلاسما چیست و چگونه به وجود می‌آید؟
همهٔ ما از کودکی با سه حالت اصلی ماده یعنی جامد، مایع و گاز آشنا هستیم. اما یک حالت چهارم و بسیار پرکارتر نیز وجود دارد: پلاسما. پلاسما در واقع یک گاز داغ و یونیزه‌شده است. اما یونیزه شدن به چه معناست؟
اتم‌ها از یک هسته (شامل پروتون و نوترون) و الکترون‌هایی که به دور آن می‌چرخند تشکیل شده‌اند. وقتی به یک گاز انرژی زیادی (مثلاً به صورت حرارت بسیار بالا) بدهیم، این انرژی باعث می‌شود برخی از الکترون‌ها از مدار خود اطراف هسته جدا شده و آزادانه حرکت کنند. به این فرآیند یونیزاسیون2 می‌گویند. نتیجه این فرآیند، مخلوطی از یون‌های3 با بار مثبت و الکترون‌های با بار منفی است که در کنار هم، حالت پلاسما را تشکیل می‌دهند.
پلاسما در کجاها یافت می‌شود؟
شاید باورکردنی نباشد، اما 99% از جهان مرئی از پلاسما ساخته شده است. از اجرام آسمانی بزرگ گرفته تا پدیده‌های روزمره، همه جا ردپای پلاسما دیده می‌شود.
| نمونه | توضیح | دسته‌بندی |
|---|---|---|
| خورشید و ستارگان | گازهای بسیار داغ و یونیزه‌شده‌ای که این اجرام را تشکیل می‌دهند. | طبیعی |
| آذرخش (رعد و برق) | انرژی عظیم رعد و برق، هوا را یونیزه کرده و برای لحظه‌ای کوتاه پلاسما ایجاد می‌کند. | طبیعی |
| لامپ فلورسنت (مهتابی) | گاز داخل لوله، با برق، یونیزه شده و پلاسمایی تولید می‌کند که نور فرابنفش ساطع کرده و سپس به نور مرئی تبدیل می‌شود. | ساخت بشر |
| صفحه نمایش پلاسما | سلول‌های ریز حاوی گاز، با برق به پلاسما تبدیل شده و نور رنگی تولید می‌کنند. | ساخت بشر |
| شعلهٔ آتش | بخش بسیار داغ و درخشان شعله، حاوی ذرات باردار و در واقع یک پلاسمای ضعیف است. | طبیعی/مصنوعی |
ویژگی‌های منحصر به فرد پلاسما
پلاسما به دلیل ساختار ذرات باردارش، خواصی دارد که آن را از گازهای معمولی متمایز می‌کند.
هدایت الکتریکی: از آنجایی که پلاسما مملو از ذرات باردار (الکترون‌ها و یون‌ها) است، می‌تواند جریان برق را به راحتی از خود عبور دهد. این ویژگی در گازهای خنثی وجود ندارد. سیم‌های مسی نیز به دلیل داشتن الکترون‌های آزاد، برق را هدایت می‌کنند؛ بنابراین پلاسما را می‌توان نوعی "سیم مایع" یا "سیم گازی" در نظر گرفت.
تأثیرپذیری از میدان مغناطیسی: ذرات باردار درون پلاسما توسط میدان‌های مغناطیسی به دام افتاده یا هدایت می‌شوند. دانشمندان از این ویژگی برای محصور کردن پلاسمای بسیار داغ در رآکتورهای همجوشی هسته‌ای4 استفاده می‌کنند.
رفتار جمعی: ذرات در پلاسما برخلاف گازهای معمولی، به صورت فردی رفتار نمی‌کنند. زیرا هر ذرهٔ باردار، میدان الکتریکی خود را دارد و بر ذرات دیگر اثر می‌گذارد. این باعث می‌شود پلاسما به صورت یک مجموعهٔ واحد و پیچیده رفتار کند.
کاربردهای شگفت‌انگیز پلاسما در فناوری و زندگی
پلاسما دیگر یک پدیدهٔ دور از دسترس نیست. امروزه مهندسان از آن در صنایع مختلف بهره می‌برند.
تلویزیون‌های پلاسما: در نسل قدیمی‌تر تلویزیون‌های صفحه‌تخت، میلیون‌ها سلول ریز بین دو صفحهٔ شیشه‌ای وجود داشت. در هر سلول، یک گاز نجیب (مانند نئون یا زنون) قرار گرفته بود. با عبور جریان برق از این گازها، آن‌ها به پلاسما تبدیل می‌شدند. این پلاسما نور فرابنفش تولید می‌کرد که پس از برخورد به لایهٔ فسفر داخل سلول، به نور قرمز، سبز یا آبی مرئی تبدیل می‌شد و در نهایت تصویر را تشکیل می‌داد.
لامپ‌های کم‌مصرف: اساس کار لامپ‌های فلورسنت یا "مهتابی"ها نیز بر پایهٔ پلاسماست. برق، بخار جیوهٔ داخل لوله را به پلاسما تبدیل می‌کند. این پلاسما نور فرابنفش نامرئی ساطع می‌کند که با برخورد به پوشش فسفرى دیوارهٔ لامپ، به نور مرئی و سفید تبدیل می‌شود.
پزشکی و ضدعفونی: از پلاسمای سرد می‌توان برای استریل کردن ابزارهای پزشکی استفاده کرد زیرا می‌تواند باکتری‌ها و ویروس‌ها را از بین ببرد. حتی از پلاسما برای کمک به ترمیم زخم‌ها نیز استفاده می‌شود.
منبع انرژی پاک: همجوشی هسته‌ای4: بزرگ‌ترین آرزوی دانشمندان، مهار انرژی خورشید روی زمین است. خورشید با همجوشی هسته‌ای در مرکز پلاسمایی خود، انرژی تولید می‌کند. دانشمندان در پروژه‌هایی مانند "توکامک"5 سعی دارند با گرم کردن و محصور کردن پلاسما توسط میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی، شرایط همجوشی هسته‌ای را شبیه‌سازی کنند. اگر این امر محقق شود، بشریت به منبعی تقریباً بی‌پایان و پاک از انرژی دست خواهد یافت.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
بله، اما با یک تفاوت کلیدی: گاز بسیار داغ تنها زمانی پلاسما نامیده می‌شود که به اندازهٔ کافی یونیزه شده باشد تا خواص جمعی ذرات باردار را از خود نشان دهد. همهٔ گازهای داغ، پلاسما نیستند، اما تقریباً همهٔ پلاسماها داغ هستند (پلاسمای سرد یک استثناست).
خیر. این یک اشتباه رایج به دلیل تشابه اسمی است. پلاسمای خون بخش مایع و شفاف خون است که سلول‌های خونی در آن شناورند و هیچ ارتباطی با حالت چهارم ماده (پلاسمای یونیزه) ندارد. این دو مفهوم کاملاً متفاوت هستند.
زیرا پلاسمای پایدار (مانند آنچه در خورشید است) به دما و فشار بسیار بالا نیاز دارد. روی زمین، برای جلوگیری از تماس پلاسمای داغ با دیواره‌های رآکتور (که باعث سرد شدن و از بین رفتن آن می‌شود)، باید از میدان‌های مغناطیسی بسیار پیچیده و پرقدرت برای "محصور کردن" آن استفاده کرد که یک چالش فنی بزرگ است.
پاورقی
1پلاسما (Plasma): حالت چهارم ماده که از گاز یونیزه‌شده تشکیل شده است.
2یونیزاسیون (Ionization): فرآیندی که در آن یک اتم یا مولکول الکترون از دست داده یا به دست می‌آورد و به یون تبدیل می‌شود.
3یون (Ion): یک اتم یا مولکول که بار الکتریکی دارد زیرا تعداد الکترون‌های آن با تعداد پروتون‌هایش برابر نیست.
4همجوشی هسته‌ای (Nuclear Fusion): واکنشی که در آن دو هستهٔ سبک برای تشکیل یک هستهٔ سنگین‌تر با هم ترکیب شده و مقادیر عظیمی انرژی آزاد می‌کنند.
5توکامک (Tokamak): یک دستگاه محصورسازی مغناطیسی که برای کنترل پلاسمای داغ در واکنش‌های همجوشی هسته‌ای طراحی شده است.
