جادوی علم

در جهان سه حالت كلاسیك ماده وجود دارد كه همگی ما با آنها در كلاس های ابتدایی و در درس علوم تجربی آشنا شده ایم؛ جامد، مایع و گاز و تعریفات ابتدایی آنها كه حالت ظرف را به خود می گیرند و نمی گیرند، با ضربه شكسته می شوند و نمی شوند و... را از همان سالها به یاد داریم، اما سطح درك ما از ماده در آن سالها یا شاید همین حالا هم بقدری بالا نبوده و نیست كه بتوان به این تقسیم بندی خلل ناپذیر، حالت چهارمی هم اضافه كرد. اما روند پیشرفت علم هیچ اهمیتی به ظرفیت فكری ما نمی دهد و بررسی آن همیشه ما را با عجایب زیادی مواجه می سازد.در همین زمینه می توان به جادوگری دوباره علم در مورد حالات ماده اشاره كرد كه ما را با حالتی جدید از ماده مواجه می كند. این حالت چهارم كه البته هنوز مورد قبول تمام دانشمندان فیزیك و شیمی دنیا واقع نشده، حالت پلاسما ست. البته این پلاسما، با آن پلاسمایی كه در خون وجود دارد و در سطح وسیعی با همین كاربرد كارایی دارد، از زمین تا آسمان – به اندازه تفاوت های علمی فیزیك و زیست شناسی- تفاوت دارد. این حالت جدید، البته چندان هم جدید نیست و دهه هاست كه در بین فیزیكدانان شناخته شده است، اما فقط در بین فیزیكدانان و كتاب های بسیار تخصصی آنها. بحث در مورد پلاسما از دهه ۱۹۲۰ میلادی، هنگامی كه دانشمندان به دنبال حالتی از ماده كه گاز یونیزه شده را تعریف كند می گشتند، آغاز شد. با شروع گشت وگذارها و بررسی های علمی انسان در فضا و كشف كمربند تشعشعات ون آلن در دهه ۵۰، موادی در جهان لایتناهی كشف شد كه تنها گزینه برای دسته بندی حالت فیزیكی آنها، پلاسما بود. با ثبت این نظریه كه نور، حالتی از پلاسماست، دیگر این مواد پلاسمایی نبودند كه به این حالت چهارم ماده موجودیت می بخشیدند، بلكه با وجود چنین حالتی از ماده، می شد برخی از مواد را كه طبق دسته بندی كلاسیك ماده، حالتی گنگ به شمار می رفتند، براحتی در این حالت جدید دسته بندی كرد.ماده با تغییر شرایط تحمیلی فیزیكی، حالت خود را تغییر می دهد. مثلا یخ كه از اكسیژن و هیدروژن تشكیل شده، در حالت معمولی و استاندارد خود به صورت مایع است، اما اگر یخ ذوب شود، H۲O (مولكول آب یا بهتر است بگوییم یخ) حالت فیزیكی جدیدی به خود می گیرد و به آب مایع تبدیل می شود. با گرم كردن همین آب، مولكول ها به جدا شدن از یكدیگر و حركت آزادانه متمایل می شوند و در نتیجه حالت سوم دسته بندی كلاسیك، یعنی گاز شامل حال آنها می شود. در این دسته بندی كلاسیك، شارژ كردن هر هسته اتمی برابر با شارژ كردن تمام الكترون هایی ست كه به دور آن می چرخند، بنابراین در این حالت، شارژ كل سیستم برابر صفر است و هر اتم منفرد از لحاظ الكتریكی خنثی ست.به هر حال، در مواردی كه می توان یك الكترون را از یك اتم جدا كرد، چند محصول به جا خواهد ماند. این محصولات كه در حالت گازی یونیزه قرار دارند (همانطور كه گفته شد باید برای جدا كردن یك الكترون از یك اتم، انرژی زیادی به آن داده شود كه این انرژی بسیار زیاد، ماده را به ناپایدارترین حالت آن یعنی گاز تبدیل می كند)یون ها، الكترون ها و اتم های خنثی هستند كه مجموعا به آنها پلاسما گفته می شود. یك پلاسما باید به تعداد كافی ذرات باردار در خود داشته باشد، پس گاز در این حالت نقشی مهم در جمع آوری میدان های مغناطیسی و الكتریكی بر عهده دارد. پس با توجه به جمله بالا می توان براحتی نتیجه گرفت كه چگالی پلاسما با چگالی ذرات باردار آن رابطه مستقیمی دارد.گرچه پلاسما، الكترون ها و یون ها را در خود جای می دهد و الكتریسیته را از خود عبور می دهد، در مقیاس میكروسكوپی خنثی ست؛ در كمیت های قابل اندازه گیری، تعداد الكترون ها و یون ها برابر است. میادین مغناطیسی موجود در پلاسما بر ذرات بارداری كه در پلاسما قرار دارند، اثر می گذارد و جابه جایی ذرات در داخل پلاسما باعث ایجاد میدان و جریان الكتریكی داخلی در پلاسما می شود. این ویژگی چند بعدی منحصر به فرد پلاسما باعث می شود پلاسما در دسته بندی حالات فیزیكی مواد، حالتی منحصر به فرد و پیچیده محسوب می شود. پلاسما را می توان در همه جا پیدا كرد؛ مكان های معمولی و غیرمعمولی روی كره زمین و فضای بیكران بیرون از اتمسفر زمین. مثلا وقتی كه یك جریان الكتریكی از درون گاز نئون عبور داده می شود، نور و پلاسما تولید می شود. نور یكی دیگر از عوامل تولیدكننده پلاسما در اتمسفر است كه مقادیر زیادی پلاسما تولید می كند، منتهی با این تفاوت كه پلاسمایی كه توسط نور تولید می شود، هموار و یكدست نیست. قسمتی از دنباله یك ستاره دنباله دار هم جایی ست كه می توان گفت كه در آن پلاسمایی از یك گاز یونیزه شده وجود دارد؛ پلاسمایی كه در اینجا توسط نور خورشید و فرآیند ناشناخته دیگری تولید شده است. خود خورشید هم ماده ای ست كه در حالت فیزیكی پلاسما، دسته بندی می شود. در واقع می توان گفت كه خورشید یك توپ ۵/۱ میلیون كیلومتری پلاسمایی ست كه توسط شكافت هسته ای گرم می شود.در حال حاضر دانشمندان در پی آشنا شدن با پلاسما، سعی می كنند از آن به صورت بهینه در فرآیندهای متفاوت كه مهمترین آنها تولید انرژی ست استفاده كنند. مثلا در یك مورد، دانشمندان سعی می كنند دستگاهی بسازند كه پلاسمایی بسیار داغ در یك میدان مغناطیسی تولید كند. این دستگاه در اولین راكتور شكافت هسته ای دنیا كه با همكاری اتحادیه اروپا، ژاپن و برخی كشورهای دیگر در روسیه ساخته خواهد شد، به كار گرفته می شود. گرمایی كه در اثر تولید پلاسما در این نیروگاه موسوم به Iter تولید خواهد شد، نزدیك به ۱۰۰ میلیون درجه سانتی گراد، یعنی گرمتر از گرمای سطح خورشید خواهد بود.در فضای اطراف زمین، وجود پلاسما بسیار حیاتی ست، چون پروسه های تولید پلاسما و وجود آنها همانند سپری عمل می كنند كه زمین را با جابه جایی انرژی در لایه های یونیزه شده اتمسفر بالایی در برابر تشعشعات مخرب حفظ می كنند.با توجه به تعریفات مختصری كه در مورد پلاسما داده شد، می توان براحتی گفت كه تمام هستی – به استثنای ذرات خاكی مانند كره زمین – از پلاسما تشكیل شده است، اما باید اعتراف كرد حتی این وسعت حضور تقریبا بیكران هم باعث نشده است مردم با پلاسما آشنایی مختصری داشته باشند. همان طور كه از تعریف پلاسما برمی آید، این حالت مادی چهارم، بیشتر در فضا وجود دارد تا روی زمین. به همین خاطر می توان ادعا كرد كه وسیع ترین حالت ماده همین پلاسما ست. ۹۹ درصد ستاره ها و فضای نامرئی بین آنها از پلاسما تشكیل شده است و حتی عده ای از دانشمندان بر این عقیده هستندكه دنیای نامرئی بین ستاره ها و كهكشان ها هم عموما از پلاسما تشكیل شده است.
ساختار فیزیكی
در مقایسه با حالات جامد، مایع و گاز، پلاسما ساختار پیچیده تری دارد، چون به روش خود پایداری رفتار می كند. پراكندگی الكترون ها و یون ها در پلاسما باعث ایجاد میدان الكتریكی می شود و حركت الكترون ها و یون ها در پلاسما، ایجاد میدان الكتریكی و مغناطیسی می شود. در این حالت میدان های الكتریكی باعث می شوند پلاسما تا به سطوح بسیار بالای انرژی دست یابد و در عین حال، میدان های مغناطیسی الكترون های موجود در پلاسما را هدایت می كنند. خاصیت خودپایداری پلاسما ، باعث می شود كه این حالت فیزیكی، بسیار چند وجهی، پر هرج ومرج و ناپایدار شود. این ویژگی ها هم به نوبه خود باعث ایجاد میدان های مغناطیسی و الكتریكی می شوند، اما از آن مهمتر، نتیجه این خواص پلاسما، ایجاد تشعشات الكترومغناطیس است. برای مثال، تمام بیم های الكترون باعث تولید مایكروویو (ریز امواج) می شوند. این ساختار پرهرج و مرج و مشوش پلاسما، باعث شد تا فیزیكدانان مفاهیم جدیدی را در فیزیك ارائه دهند كه یكی از این موارد، ارائه توضیحات علمی در مورد دینامیك لرزشی ست. همچنین با استفاده از پلاسما، فیزیكدانان موفق شده اند به موفقیت های بسیار زیادی در مورد علم تربولانس (اغتشاشات هوایی كه در اطراف هواپیما یا هر جسم پرنده دیگری به وجود می آید) دست یابند كه همه اینها منجر به امن تر شدن مسافرت ها و ماموریت های هوایی شده است. تحقیقات جدید در مورد لیزر، سیستم های روشنایی كم مصرف و بهینه، واكنش های سطوح پلاسمایی و ... از دیگر مواردی ست كه با توسعه مطالعات پلاسمایی میسر شده اند. دلیل اصرار بر استفاده از پلاسما در موارد مختلف و متعدد هم در ساختار آن نهفته است. اجزای پلاسما، یون ها و الكترون هایی كه در كنار یكدیگر قرار دارند، تنها ذراتی هستند كه با چنین عمر بسیار بالایی تا به حال كشف شده اند و می توان گفت طول عمر آنها از هر ذره شناخته شده دیگر در دنیا بیشتر است. به همین جهت با اینكه پلاسما بسیار دیرتر از دیگر حالات ماده كشف و تعریف علمی شده است، به سرعت در حال همه گیر شدن در تمامی ابعاد زندگی انسان است.
محیط های پلاسمایی
اینكه درك ماهیت حالت پلاسمایی اتفاقی جدید در جهان به شمار می رود، دلیل بر این نمی شود كه پلاسما در طبیعت وجود نداشته باشد. پلاسما با آغاز خلقت جهان همچون جامد، مایع و گاز در آن وجود داشته و همان طور كه اشاره شد قسمت اعظم جهان از این ماده ساخته شده است. در فضای بیرون كره زمین اكثر ستاره ها و مواد بین كهكشانی از این ماده تشكیل شده اند. یكی از مهمترین موارد این دسته، خورشید است. این ستاره حیاتبخش، از سطح تا هسته ،تماما از پلاسما تشكیل شده است و نور تشعشات آن موسوم به باهادی خورشیدی هم پلاسمایی هستند. در زمین هم پلاسما در سطح گسترده ای وجود دارد. برای نمونه می توان به موارد زیر اشاره كرد: نور فلورسنت و نئون، در جنبش های قطب شمال و جنوب در فواصل خاص زمانی، ماده جامد چگال هنگامی كه انفجارات هسته ای و زلزله بر آنها تاثیر می گذارند و ... .

منبع : روزنامه همشهری