پلاسما چیست و با گاز چه تفاوتی دارد – نجوم و فیزیک

پلاسما و تفاوتش با گاز

پلاسما چیست: به گاز یونیده شده پلاسما می‌گوییم. گاز زمانی یونیده می‌شود که اتم‌هایش به یون تبدیل شوند. و یون در واقع، اتمی است که الکترون از دست داده یا الکترون اضافه جذب کرده است. اتمی که الکترون از دست دهد به یون مثبت و اتمی که الکترون اضافه جذب کند، به یون منفی تبدیل می‌شود. پس نتیجه می‌گیریم که یون‌ها بار الکتریکی دارند و همین ویژگی سبب می‌شود رسانای الکتریکی باشند، یعنی جریان برق را از خود عبور دهند. به همین علت، پلاسما نیز رسانای الکتریکی است. برای این‌که الکترون‌ها از اتم‌های‌شان جدا شوند، یا الکترون اضافه جذل کنند، باید انرژی فراوانی بر آن‌ها اعمال شود. یکی از راه‌های تولید این انرژی، افزایش دما است. برای این‌که پلاسما بتواند حالت خود را حفظ کند، انرژی موردنیاز آن پیوسته باید تامین شود. در علم فیزیک، پلاسما در کنار جامد و مایع و گاز، اصطلاحا چهارمین حالت ماده است.

تفاوت حالت گاز با پلاسما چیست و پلاسما چگونه تشکیل می‌شود: در شرایط عادی، وقتی دما از حدود معینی بالاتر رود، ماده جامد به حالت مایع درمی‌آید. اگر دما باز هم از حد معینی بیشتر شود، مایع تبخیر می‌شود و به گاز تغییر حالت می‌دهد. اگر روند افزایش دما ادامه یابد، سرانجام گاز داغ‌تر می‌شود و جنبش اتم‌هایش شدت می‌گیرد. درنتیجه، اتم‌ها با شدت بیشتری با هم برخورد می‌کنند. در اثر این برخوردهای شدید، برخی از الکترون‌ها از اتم‌های‌شان جدا و اتم‌ها به یون مثبت تبدیل می‌شوند. همچنین ممکن است برخی از اتم‌ها الکترون‌ جذب کنند و به یون منفی تبدیل شوند که در هر دو صورت، ماده از حالت گاز به حالت پلاسما تغییر می‌یابد. پلاسما رایج‌ترین حالت ماده در عالم است. اکثر مواد در کهکشان‌ها و سحابی‌ها و ستارگان و حتی در بخش‌هایی از هواکره یا جو زمین حالت پلاسما دارند. پلاسما را حالت چهارم ماده نیز می‌گویند.

تشکیل یون مثبت یا منفی به ساختار اتم و بویژه لایه ظرفیت آن یعنی آخرین لایه الکترونی اتم‌های هر عنصر بستگی دارد. مثلا لایه ظرفیت اتم بعضی از عناصر (مثل هلیوم و آرگون) کامل است و لذا به الکترون‌گیری یا الکترون‌دهی تمایلی نشان نمی‌دهند. اگر لایه ظرفیت اتم فقط چند الکترون کم داشته باشد تا به ظرفیت کامل برسد، بیشتر مایل است الکترون جذب کند و به یون منفی تبدیل شود. اما اگر لایه ظرفیت اتم تا رسیدن به ظرفیت کامل فاصله زیادی داشته باشد، تمایلش به الکترون‌دهی بیشتر خواهدبود که در اینصورت به یون مثبت تبدیل می‌شود.

فراوانی حالت ماده پلاسما در طبیعت

در علم نجوم و فیزیک، مواد در طبیعت معمولا جامد، مایع، گاز یا پلاسما هستند. بسیاری از اخترفیزیک‌شناسان معتقدند که پلاسما ابتدایی‌ترین حالت ماده بود که بلافاصله پس از مهبانگ تشکیل شد. در ادامه با جزییات بیشتری بیان خواهدشد که حالت ماده پلاسما چیست و مواد چگونه به حالت پلاسما درمی‌آیند.

تغییر حالت ماده از گاز به پلاسما

ایجاد حالت ماده پلاسما از یک اصل ساده فیزیکی ناشی می‌شود: وقتی به ماده انرژی اعمال می‌شود حالت ماده تغییر می‌یابد؛ ابتدا از حالت جامد به حالت مایع و سپس از حالت مایع به حالت گاز تبدیل می‌شود. اگر انرژی بیشتری به ماده گازی اعمال شود، اتم‌های گاز یونیزه می‌شوند و به پلاسما تغییر حالت می‌دهند. پس طبیعتا انرژی و دمای مواد در حالت پلاسما بیش از دیگر حالت‌های ماده است.

تصویر ۱: وقتی به هر ماده مقدار انرژی مشخصی اعمال شود، دمای آن افزایش یافته و حالت ماده تغییر می‌یابد.

تفاوت ساختار اتم در حالت عادی و حالت پلاسما چیست

هر ماده از اتم‌ و هر اتم از دو بخش اصلی تشکیل شده‌ است: یکی هسته (که حاوی پروتون و نوترون است) و دیگری ابر الکترونی (محدوده‌ای که الکترون‌ها در آن محدوده به‌ دور هسته می‌چرخند.) پروتون بار الکتریکی مثبت دارد، الکترون بار الکتریکی منفی دارد و نوترون خنثی است.

هر عنصر شیمیایی را می‌توان از تعداد پروتون اتم‌هایش شناخت. به تعداد پروتون‌های هسته، عدد اتمی می‌گویند. مثلا عدد اتمی هیدروژن، ۱ است یعنی هسته هر اتم هیدروژن، تنها یک پروتون دارد و طبیعتا تعداد الکترون‌های اتم هیدروژن نیز ۱ است (چون گفته شد که در حالت عادی تعداد الکترون‌ها و پروتون‌های اتم با هم برابرند). به‌همین ترتیب، سایر عناصر شیمیایی نیز از تعداد پروتون‌های‌شان قابل تشخیص هستند.

در جامدات، مایعات و گازها چون تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های هر اتم با هم برابر است، اتم‌ها از نظر بار الکتریکی، خنثی هستند. اما اگر با اعمال انرژی، برخی الکترون‌ها از اتم‌های‌شان جدا شوند (و ماده به حالت پلاسما در‌آید)، نسبت الکترون‌ها‌ به پروتون‌های اتم کاهش می‌یابد. در این‌صورت، یون‌ها (اتم‌هایی که الکترون از دست داده‌ یا الکترون اضافه جذب می‌کنند) بار الکتریکی مثبت یا منفی خواهندداشت. طبیعتا بار الکتریکی الکترون‌های آزاد (که از اتم جدا شده‌اند) نیز منفی است. اتم یونیزه شده ممکن است تمام الکترون‌های خود را نیز از دست بدهد. در این‌صورت تنها هسته اتم باقی می‌ماند که متشکل از یک یا چند پروتون و همان تعداد نوترون است. پس پلاسما گازی است که بار الکتریکی دارد، زیرا ترکیبی از یون‌های با بار مثبت یا منفی و الکترون‌های با بار منفی است. به همین سبب، پلاسما خاصیت رسانایی الکتریکی دارد.

ویژگی‌های پلاسما چیست: تفاوت پلاسما با گاز

چون الکترون‌ها و یون‌ها در پلاسما بار الکتریکی دارند، حرکات‌ و رفتار پلاسما از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی تاثیر می‌پذیرد و تفاوت اصلی گاز و پلاسما نیز همین است. پلاسما گازی است که یونیزه شده است و بار الکتریکی دارد، زیرا ترکیبی از یون‌های با بار مثبت یا منفی و الکترون‌های آزاد با بار منفی  است. به همین سبب، پلاسما رسانای قوی الکتریسیته است.

پلاسما پرانرژی‌ترین حالت ماده است. ماده پلاسما از الکترون‌های آزاد، یون‌های باردار و ذرات خنثی تشکیل شده است. با این‌که پلاسما نیز مانند گاز هیچ شکل و حجم مشخصی ندارد و پیوسته تغییر شکل می‌دهد، اما در چند مورد با گاز تفاوت دارد:

• پلاسما رسانای قوی الکتریکسته است.
• میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی بیش از جاذبه (گرانش) بر پلاسما تاثیر می‌نهند.
• حرکت الکترون‌های آزاد و یون‌های مثبت در پلاسما، به ایجاد میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در پلاسما منجر می‌شود.
• چون ذرات تشکیل‌دهنده پلاسما از نظر حرکتی بی‌نظم و پرانرژی هستند، موج الکترومغناطیسی پدید می‌آورند. به‌همین سبب، پلاسما از خود امواج الکترومغناطیسی منتشر می‌کند.

مطلب مرتبط: لایه‌های جو خورشید چیستند – دما و ارتفاع و دیگر ویژگی‌ها

پیش از آنکه مطلب را ادامه دهیم، اجازه دهید آنچه را تا اینجا خواندیم بطور خلاصه مرور کنیم:

حالت پلاسما:

• به گاز یونیده یعنی گازی که اتم‌هایش به یون تبدیل شده است، پلاسما می‌گوییم.
• اتم زمانی به یون تبدیل می‌شود که الکترون از دست دهد یا الکترون اضافه جذب کند.
• اگر اتم‌ها الکترون از دست دهند به یون مثبت و اگر الکترون اضافه جذب کنند به یون منفی تبدیل می‌شوند. پس، یون‌ها بار الکتریکی دارند و درنتیجه، رسانای الکتریکی هستند، یعنی جریان برق را به‌خوبی از خود عبور می‌دهند. به همین علت، پلاسما نیز رسانای برق است.

و اینک ادامه مطلب…

انواع پلاسما: طبیعی و مصنوعی

پلاسما هم در طبیعت پدید می‌آید و هم به‌شکل مصنوعی قابل تولید است. پلاسمای طبیعی را می‌توان دو گونه دانست: پلاسمای زمینی و پلاسمای اخترفیزیکی. در جدول، برای هر یک از این گونه‌ها اعم از پلاسما طبیعی و مصنوعی چند مثال ذکر کردیم.

مثال‌هایی برای انواع پلاسما

در ادامه، با جزییات بیشتری به پلاسمای طبیعی و پلاسمای مصنوعی پرداخته خواهدشد.

پلاسمای طبیعی چیست

پلاسما رایج‌ترین حالت ماده در طبیعت است. بیش از ۹۹ درصد مواد مرئی عالم حالت پلاسما دارند. تعداد مواد پلاسما در طبیعت بسیار بیشتر از مواد مایع، جامد و گاز است. بخش عمده‌ای از جرم ستارگان و از جمله خورشید و نیز سحابی‌ها، همچنین بخش‌هایی از جو یا اتمسفر زمین از مواد پلاسما تشکیل شده‌اند. همچنین صاعقه یا آذرخش پدیده‌ای است که با ایجاد الکتریسیته بسیار قوی، ذرات هوا را از حالت گاز به حالت پلاسما تبدیل می‌کند. شفق قطبی نیز پدیده دیگری است که در اثر برخورد ذرات پلاسما با ذرات گاز در بخش‌های خاصی از اتمسفر زمین ایجاد می‌شود.

۱. پلاسما در جو یا اتمسفر زمین

نواحی پایینی اتمسفر زمین ترکیبی از گازهای مختلف و عمدتا نیتروژن و اکسیژن است. اما اگر در جو زمین بالاتر رویم، محیط تغییر می‌کند. در ارتفاع حدودا ۸۰ کیلومتری از سطح زمین، اتمسفر دیگر به شکل گاز نیست، بلکه از گاز یونیزه شده یا همان پلاسما تشکیل شده است. پلاسما ترکیبی متعادل از الکترون‌ها، یون‌های مثبت و ذرات خنثی است.

نواحی خاصی از اتمسفر زمین نیز حاوی پلاسما است که در اصل در اثر تابش پرتوهای فرابنفش خورشید ایجاد شده است. این نواحی را یونوسفر می‌گویند. لایه‌های بسیار بالاتر اتمسفر زمین موسوم به ترموسفر و اگزوسفر (و تا حد کمتری مزوسفر) نیز حاوی اندکی پلاسما هستند که با اتم‌ها و مولکول‌های گازی ترکیب شده‌اند.

۲. شفق قطبی

بالاتر از اتمسفر، یک حباب مغناطیسی موسوم به مغناطیس‌سپهر یا مگنتوسفر (magnetosphere) زمین را احاطه کرده است. اکثر ذرات حاضر در مگنتوسفر، پلاسمای یونیزه شده هستند. میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی اغلب جریانی از ذرات پلاسمای باردار ایجاد می‌کنند. پلاسما در مگنتوسفر زمین گاهی در راستای میدان مغناطیسی زمین و به‌سمت نواحی قطبی جریان می‌یابد و نوری رنگین در آسمان ایجاد می‌کند که به آن شفق قطبی یا نورهای جنوبی و شمالی می‌گویند. شفق قطبی زمانی پدید می‌آید که ذرات پرانرژی پلاسما با گازها در اتمسفر زمین برخورد می‌کنند و طیف درخشانی در آسمان پدید می‌آورند. در لامپ‌های نئونی و فلورسنت نیز شبیه همین پدید اتفاق می‌افتد. پرومینسن‌های خورشیدی، یعنی حلقه‌های بزرگی از ماده درخشان که بر فراز خورشید شناورند نیز از جمله نورهای طبیعی هستند که توسط پلاسماها تشکیل شده‌اند.

تصویر ۲. شفق قطبی در یونوسفر زمین؛ در یونوسفر بخشی از ذرات هوا به‌شکل پلاسما درمی‌آیند و برخورد آن‌ها با گازهای نواحی دیگر اتمسفر، نورهای درخشانی پدید می‌آورد.

مطلب مرتبط: سحابی چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟ انواع سحابی‌ها

۳. پلاسما در ستاره‌ها و سحابی‌ها

اکثر جرم تشکیل دهنده خورشید و دیگر ستارگان به‌شکل پلاسما است. سحابی‌ها نیز که محل تولد ستاره‌ها هستند، مملو از پلاسما هستند. برای مثال، اکثر جرم خورشید از هیدروژن تشکیل شده است. دمای هسته خورشید حدود ۱۵,۰۰۰,۰۰۰ درجه سانتی‌گراد است. در فرآیندی موسوم به هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید، هر ثانیه حدود ۶۲۰ میلیون تن هیدروژن در هسته خورشید می‌سوزد. طی این فرآیند، هیدروژن چنان داغ می‌شود که از گاز به پلاسما تغییر حالت می‌یابد.

تصویر ۳. سحابی عقاب؛ در سحابی‌ها مواد عمدتا به‌شکل پلاسما هستند.

مطلب مرتبط: هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید و ستارگان چیست و چگونه انجام می‌شود؟

پلاسمای مصنوعی چیست

به‌صورت مصنوعی نیز می‌توان ماده پلاسما تولید کرد. برخی از لامپ‌های برق حاوی پلاسما هستند. مثلا برق در لامپ‌های فلورسنت پلاسما تولید می‌کند. چراغ‌های رنگی نئونی نیز با استفاده از الکتریسیته، گاز را به پلاسمای نورانی تبدیل می‌کنند. گونه‌های خاصی از تلویزیون‌های صفحه‌تخت نیز برای ایجاد تصویر از پلاسما بهره می‌برند. به‌همین علت به آن‌ها تلویزیون پلاسما می‌گویند. برای ایجاد پلاسما باید به گاز، انرژی مضاعف اعمال کرد تا الکترون‌ها از اتم‌های گازی جدا شوند. با افزایش دما می‌توان انرژی لازم برای این کار را تامین کرد. اتم‌های گازی وقتی داغ می‌شوند، چنان سریع به جنبش درمی‌آیند که با هم برخورد می‌کنند. و طی این فرآیند، برخی از الکترون‌ها از اتم‌های‌شان جدا می‌شوند.

فوتون‌های پرانرژی پرتوهای گاما و اشعه ایکس یا فرابنفش و همچنین لیزر نیز می‌توانند پلاسما ایجاد کنند، زیرا انرژی لازم برای جدا کردن الکترون‌ها از اتم‌های‌شان را تولید می‌کنند. برق با ولتاژ بالا نیز ابزار دیگری برای تولید حالت ماده پلاسما است. پلاسمای مصنوعی را می‌توان به دو زیرگونه تقسیم کرد: پلاسمای داغ و پلاسمای سرد.

۱. پلاسمای داغ

با شعله‌های داغ اتمسفری می‌تواند پلاسمای داغ یا گرمایی تولید کرد. این‌نوع پلاسمای بسیار یونیده، الکترون‌ها و یون‌های فراوان و بسیار داغی دارد. دمای شعله‌های پلاسمای مورداستفاده برای برش مواد سخت،  ممکن است ۵۰۰۰ تا ۱۰,۰۰۰ درجه سانتی‌گراد باشد.

۲. پلاسمای سرد

درجه یونیزاسیون پلاسمای سرد یا غیرگرمایی، کمتر است و با این‌که دمای الکترون‌های آن بالا است، اما یون‌های مثبت و ذرات خنثی آن دمای کمتری دارند. لامپ فلورسنت یکی از نمونه‌های پلاسمای سرد است.

کاربردهای پلاسما چیست

سطح انرژی مواد پلاسمایی بسیار ناپایدار است. وقتی پلاسما با مواد جامدی مثل پلاستیک و فلز برخورد می‌کند، انرژی فراوان آن بر سطوح تاثیر می‌نهد و ویژگی‌های مهمی همچون انرژی سطح آن ماده را تغییر می‌دهد. در صنعت تولید از این اصل برای تغییر گزینشی ویژگی‌های مواد استفاده می‌شود. چون به‌کارگیری پلاسما آسان است، این فناوری مدت‌هاست که در حوزه‌های مختلف صنعت از جمله مهندسی خودرو، الکترونیک، بسته‌بندی و شکل‌های جدید انرژی کاربرد دارد.

خلاصه: حالت ماده پلاسما چیست و با گاز چه تفاوتی دارد

پلاسما همان گاز یونیده است. اتم‌های هر عنصر در حالت جامد، مایع یا گاز تعداد الکترون‌ها و پروتون‌های برابر دارند و لذا فاقد بار الکتریکی هستند. اما اگر اتم‌ها همه یا بخشی از الکترون‌هایشان را از دست دهند یا الکترون اضافه جذب کنند، ماده به‌حالت پلاسما درمی‌آید. فرآیند جدا شدن الکترون از اتم، یا اضافه شدن الکترون‌های بیشتر به اتم، یونیزاسیون نام دارد. وقتی گاز بسیار داغ شود، اتم‌ها بسته به ساختار خود، همه یا بخشی از الکترون‌های‌شان را از دست می‌دهند و یا الکترون اضافه جذب می‌کنند. نتیجتا یون‌هایی با بار الکتریکی مثبت یا نفی و الکترون‌های آزاد با بار منفی ایجاد می‌شوند که ترکیب آن‌ها را پلاسما می‌نامند.

پلاسما رسانای قوی برق است و در کنار جامدات، مایعات و گازها یکی از چهار حالت رایج ماده است. با این‌که در زمین، سه حالت دیگر ماده رایج‌ترند اما در دیگر نواحی عالم مثل کهکشان‌ها و سحابی‌ها و ستارگان پلاسما رایج‌ترین حالت ماده محسوب می‌شود. بیش از ۹۹ درصد مواد مرئی عالم حالت پلاسما دارند.

عنوان مطلب: پلاسما چیست و با گاز چه تفاوتی دارد؟

کلیدواژه‌ها: پلاسما چیست، حالت پلاسما چیست، حالت ماده پلاسما چیست