تعريف البلازما (حالة المادة والفيزياء والكيمياء)

أنجيل زامورا راميريز
شهادة في الفيزياء

البلازما عبارة عن سائل غازي يتأين فيه جزء منه ، أي أنه يحتوي على كمية كبيرة من الأيونات والإلكترونات الحرة ، والتي تشكل الحالة الرابعة لتجميع موضوع.

الصلبة والسائلة والغازية... ربما يكون معظمنا على دراية بهذه الحالات الثلاث من ومع ذلك ، هناك حالة رابعة من التجميع تتبع الحالة الغازية والتي نمر بها غالبًا عالي. إنه يتعلق بالبلازما ، وهو غاز مؤين يمكن أن نجده في النجوم ، وشاشات البلازما ، والنار ، وما إلى ذلك.

البلازما هي حالة تجمع

عندما تكون المادة في حالة صلبة ، تخضع ذراتها أو جزيئاتها لقوى متماسكة بينها وتشكل هياكل محددة. إذا قمنا بتغيير درجة حرارة أو ضغط مادة صلبة بطريقة تشبه جزيئاتها يبدأون في التحرك أكثر ، وفي النهاية تنخفض القوى بين الجزيئات ونذهب إلى الحالة سائل.

في الحالة السائلة ، تكون قوى التماسك بين الجزيئات أقل مما كانت عليه في الحالة الصلبة. المادة في الحالة السائلة لها بنية أقل تنظيماً وبالتالي ليس لها حجم محدد. كما في الحالة السابقة ، إذا قمنا بتعديل درجة حرارة السائل أو ضغطه ، فيمكننا تغييره إلى الحالة الغازية.

في الغاز ، تكون القوى بين الجزيئات صغيرة جدًا وفي بعض الحالات تكون صفرًا تقريبًا. تعتبر الغازات سوائل تتحرك فيها الجزيئات المكونة لها بحرية. من خلال زيادة درجة حرارة الغاز أو ضغطه ، يتم إنشاء المزيد من حركة الجزيئات التي يتكون منها ويزداد عدد الاصطدامات أيضًا. يمكن أن تتسبب هذه الاصطدامات في تحرر إلكترونات ذرات معينة من مداراتها وتحررها.

في هذه المرحلة يتم إنشاء البلازما ، وهي غاز مؤين بكمية معينة من الكاتيونات (الأيونات الموجبة) والإلكترونات الحرة. الشحنات الكهربائية المجانية تجعل البلازما موصلات كهربائية ممتازة وتستجيب أيضًا للمجالات الكهرومغناطيسية.

يمكن القول أن هذه الحالة الجديدة للمادة تمت دراستها لأول مرة من قبل ويليام كروكس في تجاربه مع أشعة الكاثود في ثمانينيات القرن التاسع عشر. ومع ذلك ، كان الفيزيائي إيرفينغ لانجموير هو من صاغ مصطلح "بلازما" في عام 1928 للإشارة إلى هذا الغاز المتأين الذي سيعتبر لاحقًا حالة أخرى من المادة.

البلازما على الأرض وفي الكون

تعتبر البلازما الحالة الأكثر وفرة لتجميع المادة. ما يقرب من 99٪ من المادة الباريونية التي يمكن أن نلاحظها في الكون هي في الحالة البلازمية.

من الواضح أن هذا لا ينطبق على كوكبنا ، لأن معظم المادة التي نلاحظها هنا تقع في حالات التجميع الثلاث الأخرى. ومع ذلك ، هناك أماكن أو ظواهر معينة يمكننا من خلالها ملاحظة المادة في الحالة البلازمية. البرق الذي يمكن أن نلاحظه أثناء عاصفة رعدية ناتج عن تأين الغاز في الغلاف الجوي. الأيونوسفير ، وهو الطبقة المتأينة من الغلاف الجوي بسبب الإشعاع الشمسي ، هو أيضًا بلازما ، وكذلك الشفق القطبي الذي يمكن ملاحظته نتيجة التفاعل بين المجال المغناطيسي للأرض والرياح شمسي.

في الكون يمكننا أن نجد البلازما في كل مكان تقريبًا. النجوم نفسها عبارة عن كرات كبيرة من البلازما ناتجة عن التفاعلات النووية الحرارية التي تحدث في نواتها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحرارة التي تولدها النجوم تؤدي أيضًا إلى تأيين الوسط الغازي المحيط بها ، وبشكل عام يمكننا القول إن الوسط النجمي هو أيضًا بلازما. تميل النجوم أيضًا إلى طرد نفثات كبيرة من الجسيمات المشحونة التي نسميها "الرياح الشمسية" والتي تكون مادة في الحالة البلازمية. العديد من السدم التي يمكن رؤيتها في أماكن مختلفة من الكون ليست أكثر من غاز مؤين يحيط بنجم واحد أو أكثر.

في يومنا هذا يمكننا أيضًا العثور على العديد من الأمثلة على الاستخدام التكنولوجي للبلازما. تستخدم شاشات البلازما ، كما يوحي الاسم ، حجرات مليئة بالغازات النبيلة التي تتأين وتنبعث منها الضوء. يمكننا أيضًا العثور على البلازما في أنابيب الفلورسنت ومصابيح النيون ومصابيح البلازما التي تستخدم لأغراض الديكور.

حالة خامسة للمادة؟

تمكنت التجارب الأخيرة التي أجريت في ظل ظروف قاسية من الحصول على ما يعتبره الكثيرون الحالة الخامسة لتجميع المادة. هذا هو بلازما كوارك-غلوون ، وهو نوع من البلازما يتكون من الكواركات الحرة والغلوونات.

الكواركات والغلونات هي اللبنات الأساسية للبروتونات والنيوترونات التي تشكل النوى الذرية. يتم الحصول على بلازما الكوارك والغلون في مسرعات الجسيمات عند اصطدام نوى ثقيلة من الرصاص أو الذهب. يولد الاصطدام بين النوى درجة حرارة كافية بحيث تتحرر الكواركات والغلوونات لبضع لحظات وتتشكل البلازما.

تعتبر دراسة بلازما الكواركات والجلوونات ذات أهمية خاصة لأنه خلال اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم وقبل تكوين الذرات الأولى ، يُعتقد أن المادة الموجودة كانت في هذا ولاية.