كل شيء عن حالة المادة الرابعة: البلازما

كل شيء عن حالة المادة الرابعة: البلازما

بقلم: أ./ علاء خياط

اجازة في الفيزياء – دبلوم تأهيل تربوي – ماجستير فيزياء نظرية – مدرس في المركز الوطني للمتميزين

 

أ./ علاء خياطما هي البلازما، ولماذا نحتاجها في حياتنا اليومية؟

كيف يمكن التعامل مع المادة وهي في حالة البلازما؟

ما هي تطبيقات البلازما؟

هل يمكن استعمال البلازما كحل بديل عن الطاقات الغير المتجددة؟

كل هذه الأسئلة ستتم الإجابة عنها في هذا البحث.

توجد المادة في الطبيعة في أربع حالات فيزيائية هي: الحالة الصلبة والسائلة والغازية والبلازما، وتطلق كلمة بلازما على أي غاز في حالة التأين، يتألف من عدد كبير من الجسيمات الموجبة الشحنة والسالبة الشحنة إضافةً إلى وجود حالات أخرى كثيرة، يتحقق فيها علاوةً على ذلك وجود أعداد كبيرة من الذرات والجزيئات المعتدلة وبحيث يكون الغاز في مجموعه متعادلاً كهربائياً.

قد يكون جزء من الغاز في حالة تأين (أقل من جزء من المائة) وقد يكون معظم الغاز في حالة تأين يقرب من المائة في المائة وفي الحالتين يمكن أن يسمى بلازما، ولكن البلازما بمفهومها اليومي تلك التي يكون فيها معظم الغاز في حالة تأين، وكثافته عالية جداً لدرجة لا يمكن فيها إهمال الأفعال المتبادلة بين جزيئاته بالمقارنة مع القوى الأخرى المؤثرة عليه بفعل الحقول الخارجية.




تطور دراسة البلازما

في عام 1879 اكتشف العالم السير وليام كروكس البلازما واطلق عليها آنذاك “المادة الإشعاعية”. واكتشف العالم البريطاني جوزيف طومسون خصائص وطبيعة البلازما عام 1897 [ويرجع الفضل في تسمية البلازما إلى العالم إيرفينغ لانغموير في عام 1928 ربما لأنه رأى انها تشبه بلازما الدم[.

فإذاً نستطيع القول إن البلازما بدأت منذ دراسة عمليات التفريغ الكهربائي للغازات في الأنابيب وذلك منذ حوالي قرنين- وكانت هذه الدراسات هي الأسس التي بنيت عليها معدات الكترونية عديدة. ولكن الجزء المتأين من الغاز في هذه المعدات أقل من 1%، فلم يكن هذا بلازما بالمعنى المفهوم اليوم. ومع التقدم الذي حدث في العلوم الفلكية وفي الفيزياء النظرية في الفترة الأولى من القرن العشرين أمكن التحقق من أن معظم مادة الكون ومادة النجوم هي بلازما في حالة تأين كامل، فظهر نوع جديد من الفيزياء وهو فيزياء “البلازما” وكانت الدارسة فيه دراسة نظرية خاصة بمادة النجوم ذات درجات الحرارة العالية وذات الضغوط العالية التي تتوازن مع قوى جاذبية النجوم.

وبعد ذلك بدأ العلماء دراسة البلازما على كرتنا الأرضية، بدراسة عمليات الاندماج النووي وإمكانية توليد الطاقة الكهربائية وغيره من هذا التفاعل.

وحديثاً وجد العلماء المختصون بإطلاق الأقمار الصناعية والصواريخ ذات السرعات العالية أن الوقود الكيميائي أو الوقود النووي ليس بالوقود الاقتصادي عند القيام برحلات بعيدة بين الكواكب قد تستغرق عدة سنوات، ووجدوا الحل في البلازما، وذلك بتأيين جسيمات الوقود ثم جذبها كهربائياً (عن طريق القوى الكهروستاتيكية أو القوى المغناطيسية) حتى تأخذ سرعتها الكبيرة التي تنطلق بها من مؤخرة الصاروخ فيندفع الصاروخ إلى الأمام بسرعة هائلة، وذلك نتيجة الدفع البلازمي والدفع الأيوني.

وبعد إطلاق الصواريخ والأقمار الصناعية ومركبات الفضاء، ظهرت ظاهرة أخرى هي انقطاع اللاسلكي بينها وبين محطات المراقبة الأرضية وخاصة في الفترات أثناء هبوطها ودخولها جو الكرة الأرضية والتي تسمى الفترات الحرجة مما يسبب عدم إمكان تتبعها وإرشادها أثناء هذه الفترات، ويرجع ذلك إلى طبقة البلازما التي تحيط سفينة الفضاء أثناء هذه الفترات، فالإرشادات اللاسلكية الصادرة من المحطات الأرضية إلى سفن الفضاء تعكسها هذه الطبقة من البلازما وتردها ثانية فلا يصل منها شيء إلى سفينة الفضاء.

البلازما

ومما هو جدير بالذكر أن طبقات الجو العليا مؤينة نتيجة لامتصاصها طاقة الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية التي تصدرها الشمس. فهي بلازما، وهي السبب الرئيسي لإمكانية التراسل اللاسلكي بين أرجاء الدنيا وذلك لأن الأشعة اللاسلكية التي تصل إليها من هوائي الإرسال تعكسها البلازما وتردها إلى مكان بعيد آخر هو مكان هوائي الاستقبال.

البلازما في الطبيعة

استنادا للحرارة المرتبطة بالإلكترونات والأيونات والجسيمات المحايدة فإن البلازما يمكن تصنيفها على أنها حرارية أو لا حرارية:

البلازما الحرارية: تكون فيها الإلكترونات والجسيمات الثقيلة بنفس درجة الحرارة، أي تكون بحالة توازن حراري مع بعضها البعض.

البلازما اللاحرارية: تكون الأيونات والجسيمات المحايدة بحالة الحرارة المحيطة بها بينما ترتفع درجة حرارة الإلكترونات بشكل أكبر بكثير.

تتحكم الحرارة بدرجة التأين بالبلازما، وخصوصا أن تأين البلازما محدد بدرجة حرارة الإلكترون المتصلة بطاقة التأين (وبدرجة أضعف بالكثافة). يشار إلى البلازما أحيانا على أنها حارة إذا كانت متأينة بدرجة تامة، أو باردة إذا كان جزء بسيط (كمثال 1%) من جزيء غاز متأين. حتى في حالة البلازما الباردة فإن درجة حرارة الإلكترون المثالية تكون حوالي عدة آلاف من الدرجات المئوية. وعادة ما تكون البلازما المستخدمة في التكنولوجيا البلازمية باردة في هذا الصدد.

بلازما الأجرام السماوية

إن المادة تكون متأينة في الأجرام السماوية (النجوم، والسدائم …) أي أنها تكون في حالة بلازمية. ويحدث في بلازما النجوم، الشمس مثلاً تفاعلات اندماج العناصر الخفيفة أو كما تسمى التفاعلات النووية الحرارية، التي تصدر عنها طاقة هائلة تؤدي إلى تسخين البلازما.

البلازما

والشمس خلافاً لجميع النجوم الأخرى هي النجم الوحيد الذي يمكن مراقبته، أما النجوم الأخرى، فإن الكبيرة منها بعيدة عن الأرض إلى درجة لا يمكن أن تظهر فيها إلا على شكل بقع مضيئة.

تتألف الشمس من غازات شديدة التأين وخاصة الهيدروجين، ويستدل على ذلك من الدراسات الطيفية لإشعاع الشمس، ومن الملاحظ أن قرص الشمس لا يقع في درجة حرارة واحدة، والإشعاع القادم منها إلى المراقب يصدر عن الطبقات الخارجية الأعلى والأقل حرارة من أجوائها. ودرجة حرارة الغاز في نواة الشمس أكبر بكثير من درجة حرارته في طبقاتها الخارجية وتصل إلى عدة ملايين من الدرجات المئوية، وكثافة هذا الغاز في الطبقات الداخلية أكبر من كثافة الماء بحوالي 100 مرة. وتتناقص كثافة الشمس ودرجة حرارتها ابتداءً من مركزها وباتجاه سطحها الخارجي.

تنشأ الطاقة المشعة من الشمس بفعل التفاعلات النووية الحرارية التي تحدث في نواتها، ويتم انتقالها إلى الخارج عن طريق الإشعاع وبشكل جزئي عن طريق تيارات الحمل، لكن على الرغم من ذلك فإن الطبقات لداخلية من الشمس طبقات مغلقة، لا تطالها الدراسة المباشرة.

البلازما حول الكرة الأرضية

إن الإشعاعات الكهرومغناطيسية التي تصدرها الشمس والتي أهمها الأشعة الفوق بنفسجية والأشعة السينية لها القدرة على فصل الالكترونات من الذرات عند اختراقها الجو الأرضي، فيتأين ذلك الجو، وكلما تغلغلت هذه الإشعاعات في جو الأرض كلما ازدادت كثافة الالكترونات الطليقة حتى الوصول إلى وضع يصبح فيه معدل الامتصاص أكبر من معدل زيادة الالكترونات في الجو، فيقل معدل توليد الالكترونات الطليقة، وبناءً على ذلك فهناك ارتفاع معين ( يتوقف على مقدار التغير في كثافة غاز الجو الأرضي وعلى مقدار الامتصاص) يصل فيه معدل إنتاج الالكترونات إلى أكبر قيمة له. هذه هي العملية التي يتكون بها غلاف من البلازما ” طبقة الأيونوسفير” يحيط بكرتنا الأرضية على ارتفاع يبدأ من 70 كيلو متر إلى حوالي450  كيلو متر من سطح الأرض.

كما تدل الدراسات على وجود أحزمة أخرى من البلازما هي: الحزام الداخلي والحزام الخارجي للكرة الأرضية. إن السبب في وجود حزام البلازما الداخلي هو طاقة الأشعة الكونية التي تخترق جونا الأرضي مكونة أزواجاً من البروتونات والالكترونات، يحجزها المجال المغناطيسي لكرتنا الأرضية ويبقيها في مكانها، أما السبب في وجود الحزام الخارجي فهو تلك التيارات الغازية من البلازما التي تنبثق من الشمس بين آونة وأخرى والتي تحتوي أساساً على بروتونات والكترونات، ويتوقف حجم وشدة هذا الحزام من البلازما على النشاط الشمسي، كما تسير هذه الغازات المنبعثة من الشمس بسرعة 1000 كيلو متر في الثانية، وتشق طريقها إلى الدائرة القطبية حول الأقطاب المغناطيسية الجغرافية، حيث تتولد هناك تيارات كهربائية تبلغ الملايين من الأمبير يصحبها مجال مغناطيسي هو الذي يحجز هذه البلازما ويبقيها في مكانها في الحزام الخارجي.

البلازما

البلازما والمجال المغناطيسي

يمكن للمجال المغناطيسي التواجد داخل البلازما على عكس المجال الكهربائي الذي لا يستطيع التواجد داخل البلازما، وان وجود خطوط المجال المغناطيسي داخل البلازما يفرض عليها الكثير من المحددات، حيث أنها تكون مجمده داخل البلازما فإذا كانت البلازما ساكنة فان خطوط المجال المغناطيسي ستكون ساكنة أيضاً والعكس صحيح.

إن سبب الالتصاق القوي لخطوط المجال المغناطيسي إلى البلازما هو توصيلية البلازما العالية جدا والتي تكون إلى المالانهاية في البلازما المثالية ولهذا يعود سبب اختفاء المجال الكهربائي خلال البلازما.

كيفية الاحتفاظ بالبلازما في حيز محدد

هناك استحالة في وضع البلازما في وعاء أو أنبوب وذلك لأن البلازما ستبرد عند التصاقها بجدران الوعاء بالإضافة إلى عدم وجود جدران أو أوعية تحتمل درجات البلازما دون أن تنصهر، إذاً فلا بد من استعمال القوى ذات التأثير من بعد مثل قوى الجاذبية والقوى المغناطيسية. إن قوى الجاذبية هي التي تحفظ البلازما الشمسية وبلازما النجوم الأخرى في أماكنها، أما القوى المغناطيسية فهي التي تصلح لحجز البلازما في حيز معين في عمليات انصهار النوى، هناك طرق مختلفة لاستعمال القوى المغناطيسية أهمها:

1- طريقة العصر أو الربط: تعتمد هذه الطريقة على الخاصة التالية: إذا مر تيار كهربائي في سلك معدني تولد مجال مغناطيسي في صورة دوائر حول السلك -إن البلازما ذات درجة الحرارة العالية موصلة جيدة للكهرباء فدرجة توصيلها أضعاف درجة توصيل النحاس مثلاً- فمن السهل إذاً إمرار التيار الكهربائي في البلازما نفسها بدلاً من سلك النحاس وتكون النتيجة إحاطة البلازما بخطوط قوى مغناطيسية فكأننا ربطنا وعصرنا البلازما بخيوط مرنة ولكن لا يمكن بهذه الطريقة حجز البلازما عند نهايتها.

2- أما الطريقة الثانية لحجز البلازما تسمى ” المرايا المغناطيسية” وتمتاز بقدرتها على حجز البلازما عند الأطراف أيضاً. يمر تيار كهربائي في ملف أسطواني الشكل بحيث تكون شدة المجال المغناطيسي ضعيفة في الوسط وقوية عند الأطراف عندئذ فإن المجال المغناطيسي القوي عند الأطراف يطرد الجسيمات المشحونة من البلازما إلى الوسط إذا حاولت الهروب من الطرف، فكأن المجال المغناطيسي القوي عند الأطراف بمثابة مرايا مغناطيسية تعكس تماماً كما تعكس المرايا الأشعة الضوئية الساقطة عليها.

طرق تسخين البلازما إلى درجة حرارة عالية

1- طريقة التسخين في حالة مرور التيار الكهربائي بالبلازما في حالة الحجز:  بما أن البلازما موصل كهربائي جيد ولها مقاومة كهربائية معينة، فإن التيار الكهربائي الذي يمر فيها في حالة حجز ما بطريقة العصر يسبب فقداً حرارياً في البلازما هو حرارة جول (مثل الحرارة التي تنتج عندما يمر تيار كهربائي في السلك الحراري لمدفأة كهربائية)، ولكن هذا الفقد لا يكفي لرفع درجة حرارة البلازما إلى الدرجة المطلوبة نظراً لصغر مقدار المقاومة الكهربائية للبلازما وخاصة عند درجات الحرارة العالية. وعلى ذلك لا بد من حدوث تصادم بين جسيمات البلازما التي تحصل على الحرارة اللازمة، ولكن هذا قد يؤدي إلى هروب بعض البلازما.

2- طريقة التسخين في حالة حجز البلازما بواسطة المرايا المغناطيسية: تتم هذه الطريقة بواسطة ضغط البلازما ضغطاً سريعاً، ويحدث ذلك بجعل التيار الكهربائي الذي يمر في الملف يزداد مع الزمن، وبناءً على ذلك تدخل جسيمات البلازما في المعدات الخاصة بها وشدة المجال المغناطيسي ضعيفة، ثم تزداد شدة المجال المغناطيسي فتزداد تبعاً لها سرعة الجسيمات في اتجاه عمودي على محور البلازما بينما تتغير سرعتها في اتجاه محور البلازما وبذلك تزداد درجة الحرارة من دون أن تهرب البلازما.

تطبيقات البلازما

1– صناعة الدوائر الالكترونية المتكاملة

تستخدم البلازما ذات درجات الحرارة المنخفضة في العديد من المجالات الهامة على سبيل المثال، معظم الدوائر المتكاملة المعقدة جدا والتي تدخل في تركيب كل جهاز الكتروني، هذه الدوائر الالكترونية تحتوى على عشرات الآلاف من الترانزستورات والمكثفات موصلة يبعضها البعض بواسطة أسلاك قطرها في حدود(0.1 µm)، هذا النوع من التكنولوجيا الدقيقة والمعقدة تصنع باستخدام البلازما، حيث تقوم البلازما بنحت الدوائر الالكترونية على شريحة السليكون بناءا على القناع المعدني الموضوع أمام الشريحة.

في هذه العملية يكون النحت على شريحة السليكون كالآتي: حيث أن الالكترونات داخل البلازما حرة الحركة وطاقتها أعلى من الايونات الموجبة فإنها تصل إلى أطراف البلازما بسرعة وتقوم بدورها بجذب الايونات الموجبة اتجاهها وتعجلها باتجاه الشريحة وعند اصطدام الايونات الموجبة بالمناطق المكشوفة على الشريحة تقوم بنحتها، وبعدها يستبدل القناع المعدني بآخر مطبوع عليه الدوائر الكهربية الخاصة بالطبقة الثانية وهكذا بالنسبة للطبقة الثالثة والرابعة… والخ حتى تتم عملية النحت.

هنالك طريقة أخرى متبعة وهى تعتمد على استخدام مركب Carbon tetra fluoride CF4 كمصدر لإنتاج البلازما، وعندها يتحول هذا المركب إلى أجزاء أخرى منها ذرات الفلورين. هذه الذرات تتفاعل مع ذرات السليكون المكونة للشريحة وتكون مركب جديد هو Silicon tetra fluoride والذي يمكن إزالته إثناء عملية الضخ. يتضح مما سبق أن هذه الطريقة هي عملية كيميائية تقوم فيها ذرات الفلورين بالتهام السليكون المراد إزالته. وهذه العملية أسرع من عملية النحت المذكورة سابقا.

وتجدر الإشارة إلى أن البحث والتطوير جارى منذ عام 1980 وحتى الآن للحصول على بلازما منتظمة لتغطى أكبر مساحة ممكنة حيث كانت شريحة السليكون المستخدمة قديما تبلغ ((2cm2إما الآن فهي تصل إلى (20 cm2)، وهذه البلازما لها استخدامات عديدة فهي تستخدم في شاشات أجهزة الكمبيوتر المتنقلة Notebook computer كمصدر ضوئي، والتي أدت إلى تطور كبير في مجال تكنولوجيا شاشات العرض.

2- المحافظة على نظافة البيئة

تستخدم البلازما حاليا في العديد من الدول المتقدمة في التخلص من المواد السامة الملوثة للبيئة معتمدين على العمليات الكيميائية الفريدة التي تتم داخل البلازما. حيث يمكن إن تقوم البلازما بتحويل المواد السامة المنبعثة من مداخن المصانع ومن عوادم السيارات مثل غاز أحادي أكسيد الكبريت (SO) وأكسيد النيتريك (NO) إلى مواد غير سامة. فعلى سبيل المثال غاز NO قبل إن يخرج من المدخنة إلى الغلاف الجوى، توجه عليه حزمة من الالكترونات ذات طاقة عالية من جهاز مثبت في منتصف المدخنة تعمل على تأيين الغازات الموجودة (المادة السامة NO والهواء) أي تحولها إلى حالة بلازما. وقبل خروجها إلى الجو تكون مرحلة التأيين قد انتهت وتتكون جزيئات النيتروجين والأكسجين نتيجة لعملية إعادة الاتحاد. وبهذا نكون قد حولنا الغازات الملوثة إلى غازات نافعة وبتكاليف قليلة.

يجدر الإشارة هنا أنه تم حديثا التوجه إلى معالجة الغازات المنطلقة من عوادم السيارات، حيث تم تركيب جهاز بلازما في عادم السيارة ليعالج الغازات السامة قبل خروجها إلى الجو. كذلك أجريت تجارب عديدة على الفضلات الصلبة والسائلة حيث تستخدم بلازما عند درجات حرارة عالية تصل إلى 6000 درجة مئوية تعمل على تبخير وتحطيم المواد السامة وتحولها إلى غازات غير سامة، وفى نهاية العملية يكون ما تبقى من مواد صلبة في صورة زجاج. وتم في أمريكا العام الماضي التخلص من حوالي 4000 مستودع يحتوى على فضلات صلبة وملوثة للبيئة بواسطة البلازما. وقد كانت هذه الفضلات تدفن في باطن الأرض مما كانت تسبب أخطار تلوث. وباستخدام البلازما يمكن حاليا التخلص من 200 كيلو جرام من المواد السامة في الساعة.

3- تطبيقات أخرى صناعية وتجارية

معالجة الإشعاع مثل: تنقية المياه ونمو النباتات

المعالجة الحجمية مثل: معالجة الغاز المسال ومعالجة النفايات

المعالجة الكيميائية مثل: ترسيب رقائق الماس وبودرة السيراميك وحفظ الخضار والفواكه

مصادر الضوء مثل: مصابيح الكثافة العالية ومصابيح الضغط المنخفض ومصادر إضاءة خاصة

في الطب مثل: معالجة السطوح وتعقيم الآلات الطبية

الخاتمة والتوصيات

لقد وجدنا من خلال هذا البحث أن للبلازما فوائد عدة حيث أنه من الممكن استغلال المادة وهي في حالة البلازما لخدمة البشرية وذلك من خلال التطبيقات التي ذكرناها، وباعتقادي أن الحالة الرابعة للمادة ستكون جزءاً مهماً من المستقبل البشري نظراً لإمكانية استغلالها في تطبيقات تحتاج طاقة كبيرة كعملية إطلاق الصواريخ والأقمار الصناعية ورحلاتها لمسافات بعيدة بين الكواكب وبكلفة أقل من الوقود المستخدم، مما يجعل البلازما من أبرز مرشحي الطاقة المستقبلية.

ولكل من يريد أن يتعمق في هذا البحث أنصحه بوضع كيفية الاستفادة من البلازما كطاقة في حسبانه.

المصادر والمراجع

  1. آله رشي، د. رياض، و د. محمد فالح، فيزياء الطاقة، جامعة حلب 1987-1988.
  2. الخضر، د. سليمان صالح، فيزياء البلازما، جامعة تشرين 2004-2005.
  3. د. بهاء حسي صالح ربيع، أساسيات في فيزياء البلازما، جامعة بابل.
  4. SC Brown , Basic data of plasma physics, 1994
  5. MA Lieberman, AJ Lichtenberg-MRS Bulletin,1994,Cambridge Univ Press.

لتحميل الاصدارات السابقة من مجلة الفيزياء العصرية

اعداد مجلة الفيزياء العصرية السابقة

تعليقات

تعليقات