پلاسما چیست؟ حالت چهارم ماده به زبان ساده و کاربردهای آن

پلاسما چیست؟ پلاسما حالت چهارم ماده است؛ گازی که آنقدر انرژی گرفته که بخشی از اتم هایش یونیزه شده اند، یعنی الکترون های خود را از دست داده اند. در نتیجه پلاسما مخلوطی از یون های مثبت، الکترون های آزاد و ذرات خنثی است که برخلاف گاز معمولی، جریان برق را هدایت می کند و به میدان های مغناطیسی واکنش نشان می دهد.

شاید جالب باشد بدانید که بیش از ۹۹ درصد ماده مرئی جهان، از جمله خورشید و ستارگان، در حالت پلاسما قرار دارد. روی زمین نیز پلاسما را در صاعقه، شفق قطبی، لامپ های فلورسنت و تابلوهای نئون می بینیم.

واژه پلاسما برای این حالت ماده نخستین بار در سال ۱۹۲۸ توسط اروینگ لنگمویر، شیمیدان و فیزیکدان آمریکایی، به کار رفت. در این مقاله ابتدا پلاسما را به زبان ساده توضیح می دهیم و سپس با ویژگی ها، روش های تشکیل، انرژی پلاسما و کاربردهای آن، از روشنایی تا عملیات حرارتی فلزات، آشنا می شویم.

توجه: منظور از پلاسما در این مقاله، حالت چهارم ماده در فیزیک است. پلاسمای خون مفهوم دیگری است و به بخش مایع و زرد رنگ خون گفته می شود که سلول های خونی در آن شناورند.

پلاسما چیست به زبان ساده

یک تکه یخ را در نظر بگیرید. اگر آن را گرم کنید، ذوب می شود و به آب مایع تبدیل می شود. اگر بیشتر گرم کنید، آب می جوشد و به بخار (گاز) تبدیل می شود. حالا اگر همین بخار را باز هم بیشتر گرم کنید یا یک جریان برق قوی از آن عبور دهید، اتفاق جالبی می افتد: انرژی آنقدر زیاد می شود که الکترون ها از اتم ها جدا می شوند. به این حالت جدید، پلاسما گفته می شود.

حالت ماده | وضعیت ذرات

جامد | ذرات در جای خود ثابت هستند و فقط می لرزند.

مایع | ذرات به هم نزدیک اند اما روی هم می لغزند.

گاز | ذرات آزادانه و دور از هم حرکت می کنند.

پلاسما | اتم ها شکسته شده اند و یون ها و الکترون ها آزادانه حرکت می کنند.

چون در پلاسما ذرات باردار آزاد وجود دارند، پلاسما می تواند برق را هدایت کند، با آهنربا کنترل شود و اغلب نور تولید کند. به همین دلیل لامپ نئون می درخشد و صاعقه نورانی است.

پلاسما چه تفاوتی با گاز دارد؟

پلاسما شبیه گاز است، اما چند ویژگی کلیدی دارد که آن را به یک حالت مستقل ماده تبدیل می کند:

رسانایی الکتریکی: چون پلاسما ذرات باردار آزاد دارد، جریان الکتریکی را به خوبی هدایت می کند، در حالی که گاز معمولی عایق است.

شبه خنثایی: در پلاسما تعداد بارهای مثبت و منفی تقریبا برابر است، بنابراین پلاسما در مقیاس بزرگ از نظر الکتریکی خنثی است.

رفتار جمعی: ذرات باردار پلاسما از طریق میدان های الکتریکی و مغناطیسی به هم وابسته اند و پلاسما مانند یک مجموعه یکپارچه رفتار می کند، نه مانند ذرات مستقل گاز.

پاسخ به میدان ها: پلاسما به شدت تحت تاثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی قرار می گیرد و می توان آن را با این میدان ها کنترل و محصور کرد.

تابش نور: بسیاری از پلاسماها به دلیل برانگیختگی و بازترکیب ذرات، نور گسیل می کنند.

پلاسمای داغ و پلاسمای سرد

پلاسمای داغ: تقریبا به طور کامل یونیزه است و دمای الکترون ها و یون ها بسیار بالاست؛ مانند پلاسمای خورشید و راکتورهای همجوشی.

پلاسمای سرد (غیرتعادلی): فقط بخش کوچکی از گاز یونیزه است. الکترون ها بسیار پرانرژی هستند، اما یون ها و ذرات خنثی دمایی نزدیک به دمای اتاق دارند. لامپ های فلورسنت و پلاسماهای صنعتی ساخت تراشه از این نوع هستند.

حالت پلاسما چگونه تشکیل می شود؟

پلاسما زمانی تشکیل می شود که به یک گاز آنقدر انرژی داده شود که اتم های آن یونیزه شوند؛ یعنی الکترون های بیرونی آنها از اتم جدا شوند. این انرژی می تواند از طریق گرما، میدان الکتریکی یا نور تامین شود. سه سازوکار اصلی یونیزاسیون عبارت اند از یونیزاسیون برخوردی، یونیزاسیون نوری و یونیزاسیون حرارتی.

همزمان با یونیزاسیون، فرایند معکوس آن، یعنی بازترکیب یون ها و الکترون ها، نیز رخ می دهد. پلاسما زمانی پایدار می ماند که سرعت یونیزاسیون با سرعت بازترکیب و اتلاف ذرات برابر باشد.

یونیزاسیون برخوردی

در یونیزاسیون برخوردی، یک ذره پرانرژی، معمولا یک الکترون که در میدان الکتریکی شتاب گرفته، با یک اتم یا مولکول خنثی برخورد می کند و انرژی کافی برای جدا کردن یک الکترون از آن را منتقل می کند. الکترون آزاد شده نیز می تواند شتاب بگیرد و اتم های دیگر را یونیزه کند و یک بهمن الکترونی ایجاد شود. این سازوکار اصلی تشکیل پلاسما در تخلیه های الکتریکی، مانند صاعقه و لامپ های تخلیه گازی، است.

احتمال یونیزاسیون برخوردی به انرژی برخورد و انرژی یونیزاسیون اتم هدف بستگی دارد. هرچه انرژی برخورد بیشتر و انرژی یونیزاسیون اتم کمتر باشد، احتمال یونیزاسیون بیشتر است. در برخی برخوردها، الکترون ها به اتم ها یا مولکول های خنثی می چسبند و یون منفی نیز تشکیل می شود.

چون یونیزاسیون انرژی مصرف می کند، این فرایند بخشی از انرژی پلاسما را می گیرد و باعث خنک شدن آن می شود.

یونیزاسیون نوری (فتویونیزاسیون)

در یونیزاسیون نوری، یک اتم یا مولکول با جذب فوتونی که انرژی آن از انرژی یونیزاسیون بیشتر است، یک الکترون از دست می دهد. این پدیده مشابه اثر فوتوالکتریک است که اینشتین در سال ۱۹۰۵ آن را با مفهوم فوتون توضیح داد؛ با این تفاوت که اثر فوتوالکتریک در سطح فلزات رخ می دهد. فوتون های لازم معمولا در ناحیه فرابنفش یا انرژی های بالاتر هستند.

یونیزاسیون نوری به روش های مختلفی رخ می دهد:

یونیزاسیون مستقیم: یک فوتون با انرژی کافی به طور مستقیم الکترون را از اتم جدا می کند.

یونیزاسیون چندمرحله ای: فوتون اول اتم را برانگیخته می کند و فوتون دوم اتم برانگیخته را یونیزه می کند.

یونیزاسیون تشدیدی: فوتون اتم را به یک حالت برانگیخته ناپایدار می برد که به راحتی یونیزه می شود.

یونیزاسیون مولکول ها: مولکول ابتدا به اتم ها تجزیه شده و سپس اتم ها یونیزه می شوند.

فوتون ها می توانند از منابع خارجی، مانند لیزر یا تابش خورشید، یا از خود پلاسما تامین شوند. یونیزاسیون نوری در پلاسمای ایجاد شده با لیزر و تشکیل یونوسفر زمین اهمیت زیادی دارد.

یونیزاسیون حرارتی

در یونیزاسیون حرارتی، گاز تا دمای بسیار بالا گرم می شود. در این دماها، برخورد اتم ها آنقدر پرانرژی است که بسیاری از آنها یونیزه می شوند. میزان یونیزاسیون در تعادل حرارتی با معادله ساها توصیف می شود که نشان می دهد درجه یونیزاسیون به دما، چگالی و انرژی یونیزاسیون گاز بستگی دارد.

یونیزاسیون حرارتی در محیط هایی با دمای بسیار بالا، مانند ستارگان، رخ می دهد. برای مثال، دمای مرکز خورشید حدود ۱۵ میلیون درجه است و ماده در آنجا به طور کامل یونیزه است.

رفتار ذرات پلاسما

نظریه جنبشی پلاسما

رفتار ذرات پلاسما با نظریه جنبشی و مکانیک آماری توصیف می شود:

ذرات پلاسما با سرعت های زیاد و در جهت های تصادفی حرکت می کنند و با یکدیگر برخورد می کنند.

برخلاف گاز معمولی، ذرات باردار پلاسما از طریق میدان های الکتریکی و مغناطیسی بر یکدیگر اثر می گذارند. این برهمکنش های بلندبرد، رفتار جمعی پلاسما را ایجاد می کنند.

دما با میانگین انرژی جنبشی ذرات متناسب است. توزیع سرعت ذرات در تعادل حرارتی با توزیع ماکسول بولتزمن توصیف می شود.

در دمای یکسان، میانگین انرژی جنبشی الکترون ها و یون ها برابر است، اما چون جرم الکترون ها هزاران برابر کمتر است، سرعت آنها بسیار بیشتر است.

در بسیاری از پلاسماها، به ویژه پلاسماهای سرد، الکترون ها و یون ها در تعادل حرارتی نیستند و دمای الکترون ها بسیار بیشتر از دمای یون ها است.

پوشش دبای

یکی از ویژگی های مهم پلاسما، پوشش دبای است. اگر یک بار الکتریکی درون پلاسما قرار گیرد، ذرات با بار مخالف به اطراف آن جذب می شوند و میدان آن را در فاصله کوتاهی، به نام طول دبای، خنثی می کنند. به همین دلیل پلاسما در مقیاس های بزرگ تر از طول دبای، شبه خنثی است.

پلاسما در میدان های الکتریکی و مغناطیسی

پلاسما به دلیل وجود ذرات باردار آزاد، رسانای الکتریکی خوبی است و به شدت به میدان های الکترومغناطیسی پاسخ می دهد. پلاسما می تواند جریان الکتریکی را هدایت کند و امواج و نوسانات گوناگونی را در خود منتشر کند.

حرکت در میدان الکتریکی

در یک میدان الکتریکی، ذره باردار نیرویی متناسب با بار خود (q) و شدت میدان (E) احساس می کند:

F = qE

این نیرو ذرات مثبت را در جهت میدان و ذرات منفی را در خلاف جهت میدان شتاب می دهد. حرکت بارها در جهت های مخالف، یک جریان الکتریکی ایجاد می کند.

حرکت در میدان مغناطیسی

در یک میدان مغناطیسی، ذره باردار متحرک نیرویی عمود بر سرعت خود و بر میدان مغناطیسی احساس می کند:

F = q (v × B)

این نیرو سرعت ذره را تغییر نمی دهد، اما جهت آن را تغییر می دهد و باعث می شود ذره به صورت مارپیچ حول خطوط میدان مغناطیسی حرکت کند. به همین دلیل ذرات پلاسما تقریبا در امتداد خطوط میدان مغناطیسی حرکت می کنند و میدان مغناطیسی می تواند پلاسما را محصور کند.

میدان های ترکیبی و مگنتوهیدرودینامیک

در حضور همزمان میدان های الکتریکی و مغناطیسی، ذرات پلاسما علاوه بر حرکت مارپیچ، یک حرکت سوق عمود بر هر دو میدان نیز پیدا می کنند. رفتار پلاسما در مقیاس بزرگ، مانند یک سیال رسانا، با نظریه مگنتوهیدرودینامیک (MHD) توصیف می شود. در این حالت، جریان های الکتریکی و میدان های مغناطیسی در پلاسما به طور متقابل بر هم اثر می گذارند.

پلاسماها اغلب دچار ناپایداری ها و تلاطم هستند که باعث فرار ذرات و اتلاف انرژی می شوند. کنترل این ناپایداری ها یکی از بزرگ ترین چالش های ساخت راکتورهای همجوشی است.

انرژی پلاسما چیست؟

انرژی پلاسما به انرژی ذخیره شده در ذرات پلاسما گفته می شود که از دو بخش اصلی تشکیل شده است:

انرژی جنبشی (گرمایی): ذرات پلاسما، به ویژه الکترون ها، با سرعت بسیار زیادی حرکت می کنند. هرچه دمای پلاسما بیشتر باشد، این انرژی بیشتر است.

انرژی یونیزاسیون: انرژی ای که برای جدا کردن الکترون ها از اتم ها مصرف شده و هنگام بازترکیب یون و الکترون، اغلب به صورت نور آزاد می شود. به همین دلیل پلاسماها معمولا می درخشند.

در فیزیک پلاسما، دما و انرژی ذرات معمولا با یکای الکترون ولت (eV) بیان می شود. انرژی یک الکترون ولت تقریبا معادل دمای ۱۱۶۰۰ کلوین است. برای مقایسه:

نوع پلاسما | دمای تقریبی

لامپ فلورسنت (الکترون ها) | چند الکترون ولت (چند ده هزار کلوین)

صاعقه | حدود ۳۰ هزار کلوین

سطح خورشید | حدود ۵۸۰۰ کلوین

مرکز خورشید | حدود ۱۵ میلیون کلوین

راکتور همجوشی | بیش از ۱۰۰ میلیون کلوین

چرا لامپ فلورسنت با پلاسمای چند ده هزار درجه ای داغ نمی شود؟ چون در پلاسمای سرد، فقط الکترون ها چنین انرژی بالایی دارند و تعدادشان نسبت به کل ذرات بسیار کم است. یون ها و اتم های خنثی تقریبا در دمای اتاق هستند و گرمای کل پلاسما ناچیز است.

پلاسما خودش منبع انرژی نیست؛ برای ساختن و نگه داشتن آن باید انرژی صرف کرد. اما در همجوشی هسته ای، پلاسمای بسیار داغ شرایطی ایجاد می کند که هسته های اتم با هم ترکیب شوند و انرژی بسیار بیشتری از انرژی مصرف شده آزاد کنند. به همین دلیل، پلاسما کلید دستیابی به انرژی همجوشی است.

پلاسما در طبیعت

ستارگان و خورشید: خورشید یک کره عظیم از پلاسمای داغ است.

صاعقه: تخلیه الکتریکی عظیمی که مسیر آن به پلاسمای بسیار داغ تبدیل می شود.

شفق قطبی: ذرات باردار باد خورشیدی در میدان مغناطیسی زمین به سمت قطب ها هدایت شده و با برخورد به اتم های جو، نورهای رنگی ایجاد می کنند.

یونوسفر: لایه ای از جو بالایی زمین که با تابش فرابنفش خورشید یونیزه شده است. یونوسفر امواج رادیویی موج کوتاه را بازتاب می دهد و امکان ارتباطات رادیویی دوربرد را فراهم می کند.

باد خورشیدی و فضای میان ستاره ای نیز از پلاسما تشکیل شده اند.

کاربردهای پلاسما

روشنایی

لامپ های فلورسنت، لامپ های نئون و لامپ های تخلیه گازی پرفشار مانند لامپ های سدیم و متال هالید، همگی بر پایه پلاسما کار می کنند.

صنعت نیمه رسانا

پلاسما در ساخت تراشه های الکترونیکی نقش کلیدی دارد. فرایندهایی مانند حکاکی پلاسمایی برای ایجاد الگوهای بسیار ریز روی تراشه ها، و لایه نشانی شیمیایی بخار به کمک پلاسما برای ایجاد لایه های نازک، بدون پلاسما ممکن نبودند.

برش و جوشکاری

مشعل های پلاسما با ایجاد یک قوس الکتریکی در جریانی از گاز، پلاسمایی با دمای بسیار بالا تولید می کنند که برای برش فلزات و جوشکاری استفاده می شود. همین فناوری در گازی سازی پلاسمایی پسماندها برای تبدیل زباله به گاز سنتز و کاهش حجم پسماند به کار می رود.

پلاسما در عملیات حرارتی فلزات

یکی از کاربردهای مهم صنعتی پلاسما، عملیات حرارتی سطحی قطعات فلزی است. پرکاربردترین روش، نیتراسیون پلاسمایی یا نیتروژن دهی یونی است که در این مراحل انجام می شود:

۱. قطعات فولادی در یک محفظه خلأ قرار می گیرند و مخلوطی از گازهای نیتروژن و هیدروژن با فشار کم وارد محفظه می شود.

۲. با اعمال ولتاژ بالا بین قطعه (به عنوان کاتد) و دیواره محفظه، یک تخلیه درخششی ایجاد می شود و گاز اطراف قطعه به پلاسما تبدیل می شود.

۳. یون های نیتروژن با سرعت به سطح قطعه برخورد می کنند، سطح را تمیز و گرم می کنند و به داخل لایه سطحی نفوذ می کنند.

۴. یک لایه سخت نیتریدی روی سطح قطعه تشکیل می شود.

مزایای نیتراسیون پلاسمایی عبارت اند از:

افزایش چشمگیر سختی سطح، مقاومت سایشی و استحکام خستگی

انجام فرایند در دمای نسبتا پایین (معمولا حدود ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد) و در نتیجه تغییر شکل کمتر قطعه

امکان نیتراسیون انتخابی؛ یعنی می توان بخش هایی از قطعه را پوشاند تا عملیات روی آنها انجام نشود.

کنترل دقیق ضخامت و ترکیب لایه سطحی

سازگاری بیشتر با محیط زیست در مقایسه با روش های قدیمی مانند حمام نمک

نیتراسیون پلاسمایی برای قطعاتی مانند چرخ دنده ها، میل لنگ ها، قالب ها، ابزارهای برش و قطعات خودرو و هوافضا استفاده می شود. روش های مشابهی مانند کربن دهی پلاسمایی و نیترو کربوره کردن پلاسمایی نیز با همین اصول کار می کنند.

پزشکی و پاکسازی سطوح

پلاسمای سرد برای استریل کردن تجهیزات پزشکی حساس به حرارت، درمان زخم ها، تصفیه هوا و آب، و اصلاح و تمیز کردن سطوح مواد استفاده می شود.

شیمی تجزیه

در طیف سنجی نشر اتمی پلاسمای جفت شده القایی (ICP-OES) و ICP-MS، نمونه وارد پلاسمای آرگون با دمای حدود ۶۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ کلوین می شود، اتم های آن برانگیخته یا یونیزه می شوند و با بررسی نور گسیلی یا جرم یون ها، عناصر موجود در نمونه با حساسیت بسیار بالا اندازه گیری می شوند.

رانش فضایی

رانشگرهای پلاسمایی و یونی با استفاده از برق صفحه های خورشیدی، یون ها را با میدان های الکتریکی و مغناطیسی تا سرعت های بسیار زیاد شتاب می دهند و نیروی رانش ایجاد می کنند. این رانشگرها مصرف سوخت بسیار کمی دارند و در ماهواره ها و کاوشگرهای فضایی استفاده می شوند.

آیا می توان از پلاسما برق تولید کرد؟

همجوشی هسته ای

در همجوشی هسته ای، هسته های سبک مانند ایزوتوپ های هیدروژن (دوتریوم و تریتیوم) با هم ترکیب می شوند و انرژی بسیار زیادی آزاد می کنند؛ همان فرایندی که انرژی خورشید را تامین می کند. برای انجام همجوشی روی زمین، سوخت باید به پلاسمایی با دمای ده ها تا صدها میلیون درجه تبدیل شود و با میدان های مغناطیسی قوی، مانند راکتورهای توکامک، یا با لیزرهای پرتوان محصور شود.

پروژه های بزرگی مانند ایتر در حال ساخت هستند و در سال ۲۰۲۲، آزمایشگاه ملی ایگنیشن آمریکا برای نخستین بار در یک آزمایش همجوشی لیزری، انرژی بیشتری از انرژی لیزر تابیده شده به سوخت تولید کرد. با این حال، تا زمان نگارش این مقاله، هنوز هیچ نیروگاه همجوشی تجاری برای تولید برق وجود ندارد.

مولد مگنتوهیدرودینامیک

در مولد مگنتوهیدرودینامیک، پلاسمای داغ و رسانا با سرعت زیاد از میان یک میدان مغناطیسی عبور داده می شود. طبق قانون القای الکترومغناطیسی، در پلاسما جریان الکتریکی القا می شود که با الکترودهایی جمع آوری می شود. این روش بدون نیاز به قطعات چرخان مانند توربین، برق تولید می کند، اما هنوز در مرحله تحقیقاتی و نمونه های آزمایشی است.

سوالات متداول درباره پلاسما

پلاسما چیست؟

پلاسما حالت چهارم ماده است؛ گازی که اتم هایش یونیزه شده اند و از یون ها، الکترون های آزاد و ذرات خنثی تشکیل شده است.

پلاسما چیست به زبان ساده؟

اگر گاز را آنقدر گرم کنیم یا برق قوی از آن عبور دهیم که الکترون ها از اتم ها جدا شوند، پلاسما تشکیل می شود. پلاسما برق را هدایت می کند و اغلب نور تولید می کند.

پلاسما چه کاربردی دارد؟

روشنایی، ساخت تراشه های الکترونیکی، برش فلزات، عملیات حرارتی و نیتراسیون قطعات، استریل کردن تجهیزات پزشکی، شیمی تجزیه، رانش فضایی و پژوهش های همجوشی هسته ای.

انرژی پلاسما چیست؟

انرژی جنبشی ذرات پرسرعت پلاسما و انرژی صرف شده برای یونیزه کردن اتم ها که معمولا با یکای الکترون ولت بیان می شود.

پلاسما در عملیات حرارتی چه کاربردی دارد؟

در نیتراسیون پلاسمایی، یون های نیتروژن پلاسما به سطح قطعات فولادی نفوذ کرده و یک لایه سخت و مقاوم در برابر سایش ایجاد می کنند.

تفاوت پلاسما و گاز چیست؟

پلاسما ذرات باردار آزاد دارد، رسانای الکتریکی است و به میدان های مغناطیسی واکنش نشان می دهد، اما گاز معمولی این ویژگی ها را ندارد.

چرا پلاسما را حالت چهارم ماده می نامند؟

چون ویژگی های آن به قدری با جامد، مایع و گاز متفاوت است که به عنوان یک حالت مستقل ماده در نظر گرفته می شود.

جمع بندی

پلاسما حالت چهارم ماده و رایج ترین حالت ماده مرئی در جهان است که از یونیزه شدن گاز با گرما، میدان الکتریکی یا نور تشکیل می شود. پلاسما به دلیل داشتن ذرات باردار آزاد، رسانای الکتریکی است، رفتار جمعی دارد و به شدت تحت تاثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی قرار می گیرد. پلاسما در طبیعت در ستارگان، صاعقه و شفق قطبی دیده می شود و در فناوری های متنوعی مانند روشنایی، ساخت تراشه، برش فلزات، عملیات حرارتی، پزشکی، شیمی تجزیه و رانش فضایی کاربرد