البلازما هي الحالة الرابعة من حالات المادة التي غالبًا ما يُعتقد أنها مجموعة فرعية من الغازات، لكن الحالتين تتصرفان بشكل مختلف تمامًا، فما هي الحالة الرابعة للمادة (البلازما)؟
ما هي البلازما؟
مثل الغازات، ليس للبلازما شكل أو حجم ثابت، وهي أقل كثافة من المواد الصلبة أو السوائل. ولكن على عكس الغازات العادية، تتكون البلازما من ذرات تم فيها تجريد بعض أو كل الإلكترونات وتتجول نوى موجبة الشحنة، تسمى الأيونات، بحرية.
يتكون الغاز من جزيئات وذرات محايدة. أي أن عدد الإلكترونات سالبة الشحنة يساوي عدد البروتونات موجبة الشحنة. لكن البلازما غاز مشحون، مع تفاعلات كولوم قوية [أو كهرباء].
يمكن أن تكتسب الذرات أو الجزيئات شحنة كهربائية موجبة أو سالبة عندما تكتسب أو تفقد إلكترونات. هذه العملية تسمى التأين.
تشكل البلازما الشمس والنجوم، وهي الحالة الأكثر شيوعًا للمادة في الكون ككل.
الجسيمات المشحونة.
يتكون الغاز النموذجي، مثل النيتروجين أو كبريتيد الهيدروجين، من جزيئات لها شحنة صافية تساوي صفرًا، مما يعطي حجم الغاز ككل شحنة صافية قدرها صفر.
قد يكون للبلازما، التي تتكون من جسيمات مشحونة، شحنة صافية قدرها صفر على حجمها الكلي ولكن ليس على مستوى الجسيمات الفردية. وهذا يعني أن القوى الكهروستاتيكية بين الجسيمات في البلازما تصبح كبيرة، وكذلك تأثير المجالات المغناطيسية.
كونها مصنوعة من جزيئات مشحونة، يمكن للبلازما أن تفعل أشياء لا تستطيع الغازات القيام بها، مثل توصيل الكهرباء. وبما أن الشحنات المتحركة تصنع مجالات مغناطيسية، فيمكن أن تحتويها أيضًا.
في الغاز العادي، تتصرف جميع الجسيمات بنفس الطريقة تقريبًا. لذا، إذا كان لديك غاز في وعاء وتركته يبرد إلى درجة حرارة الغرفة، فستتحرك جميع الجزيئات الموجودة بداخله، في المتوسط، بنفس السرعة، وإذا كنت ستقيس سرعة الكثير من الجسيمات الفردية، فستحصل على منحنى التوزيع حيث يتحرك الكثير منهم بالقرب من المتوسط وعدد قليل فقط إما ببطء أو بسرعة.
ذلك لأن الجزيئات في الغاز، مثل كرات البلياردو، تضرب بعضها البعض وتنقل الطاقة بينها. هذا لا يحدث في البلازما، خاصة في المجال الكهربائي أو المغناطيسي. يمكن للحقل المغناطيسي أن يخلق مجموعة من الجسيمات السريعة جدًا.
على سبيل المثال. معظمها ليست كثيفة بما يكفي لتصطدم الجسيمات ببعضها في كثير من الأحيان، لذلك تصبح التفاعلات المغناطيسية والكهروستاتيكية أكثر أهمية.
موجة ألفين.
بالحديث عن التفاعلات الكهروستاتيكية، لأن الجسيمات في البلازما – الإلكترونات والأيونات – يمكن أن تتفاعل عبر الكهرباء والمغناطيسية، يمكنها القيام بذلك على مسافات أكبر بكثير من الغاز العادي. وهذا بدوره يعني أن الموجات تصبح أكثر أهمية عند مناقشة ما يحدث فيها.
تسمى إحدى هذه الموجات موجة ألفين، التي سميت على اسم الفيزيائي السويدي والحائز على جائزة نوبل هانيس ألفين. تحدث موجة ألفين عندما ينزعج المجال المغناطيسي في البلازما، مما ينتج عنه موجة تنتقل على طول خطوط المجال.
لا يوجد مثيل حقيقي لهذا في الغازات العادية. من المحتمل أن تكون موجات ألفين هي السبب في أن درجة حرارة الإكليل الشمسي هي ملايين الدرجات، بينما على السطح، لا تزيد عن آلاف الدرجات.
من الخصائص الأخرى أنه يمكن تثبيتها في مكانها بواسطة الحقول المغناطيسية. تركز معظم أبحاث قوة الاندماج على فعل ذلك بالضبط. لتهيئة الظروف للاندماج، يحتاج المرء إلى بلازما شديدة الحرارة – بملايين الدرجات. نظرًا لعدم قدرة أي مادة على احتوائها، لجأ العلماء والمهندسون إلى المجالات المغناطيسية للقيام بهذه المهمة.
إقرأ أيضاً… ما هي حالات المادة الخمسة؟ وما هي حالة تكاثف بوز-آينشتاين؟
تطبيقات البلازما في الحياة.
مكان واحد يمكنك أن ترى فيه البلازما أثناء العمل هو في مصباح الفلورسنت أو لافتة النيون. في هذه الحالات، يتعرض الغاز (إشارات النيون) لجهد عالٍ، ويتم فصل الإلكترونات عن ذرات الغاز أو دفعها إلى مستويات طاقة أعلى.
يصبح الغاز داخل المصباح بلازما موصلة. تنبعث الإلكترونات المثارة التي تنخفض مرة أخرى إلى مستويات طاقتها السابقة فوتونات الضوء الذي نراه في إشارة النيون أو مصباح الفلورسنت.
تعمل تلفزيونات البلازما بنفس الطريقة. يتم حقن غاز – عادة الأرجون أو النيون أو الزينون – في فجوة محكمة الغلق بين لوحين زجاجيين. يمر تيار كهربائي عبر الغاز، مما يتسبب في توهجه. تقوم بإثارة الفوسفور الأحمر والأخضر والأزرق، والتي تتحد لتنتج ألوانًا معينة.
استخدام آخر للبلازما هو الكرات المليئة بمزيج من الغازات النبيلة التي تنتج ألوان “البرق” بداخلها عندما يؤين تيار كهربائي الغاز.
مثال آخر يوجد في الشفق الذي يحيط بالقطبين عندما تكون الشمس نشطة بشكل خاص. الرياح الشمسية عبارة عن تيار من الجسيمات المشحونة (معظمها من البروتونات)، والتي تضرب المجال المغناطيسي للأرض.
هذه الجسيمات، مشحونة، تتبع خطوط المجال المغناطيسي وتتجه نحو القطبين، حيث تصطدم وتثير الذرات في الهواء، ومعظمها من الأكسجين والنيتروجين. مثل علامة النيون، تصدر ذرات الأكسجين والنيتروجين المثارة الضوء.
