ما هى الحالة الرابعة للمادة

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
جميعنا يعرف ان حالات المادة ثلاثة
1- صلبة
2- سائلة
3- غازية
فما هى الحالة الرابعة للمادة ؟؟؟

هذه الحالة اكتشفت قريبا و لم تكن معروفة من قبل . دعونا نتعرف اكثر عليها .
************************************************** *****
حينما تتعرض المادة لدرجة حرارة عالية جدا مثل باطن الشمس فان الالكترونات
التى تدور حول النواة تكتسب طاقة هائلة فتتحرر من جذب النواة لها وتبقى
النواة بدون بعض الكتروناتاته وتسمى المادة في هذة الحالة ب " البلاسما "
اى ان حالات المادة اربعة وهى الغازية - والسائلة - الصلبة - البلاسما:
التي تعتبر أحيانًا غاز أيوني. مع ملاحظة انه لكى يحدث تفاعل اندماجى نووى
لابد اولا ان تكون الانوية عارية من الالكترنات حتى يسهل اندماجها اى تكون
في حالة البلاسما ( كما يحدث في التفاعل الاندماجى في باطن الشمس بين
انوية الهيدروجين ). وجود البلازما الطبيعي في الكون تحت درجات حرارة
مرتفعة هو سبب تسميتها بالحالة الرابعة للمادة.فى عام 1879 اكتشف العالم
السير وليام كروكس البلاسما و اطلق عليها انذاك المادة الإشعاعية . ودرس
العالم طمسون خصائص و طبيعة البلاسما ، و يرجع الفضل في تسمية البلاسما
إلى العالم ايرفنج في عام 1928 ربما لأنه رأى انها تشبة بلازما الدم .

تشكل البلاسما نسبة 99% من المادة الكونية بين النجوم و المجرات و بعض
الكواكب تشكل البلاسما اغلب مادتها حيث يعتبر كوكب المشترى كتلة هائلة من
البلاسما. وتوجد البلاسما في اشكال اخرى ففى الصناعة تستخدم في شاشات
التليفزيون ، وفى لمبات النيون, و في الابحاث الخاصة بطاقة الانصهار ، و
كذلك في اللحام ، و العديد من المجالات الصناعية و توجد البلاسما كذلك في
الغلاف الجوى في طبقة الايونوسفير و ايضا في ظاهرة الشفق القطبى.

خصائص و معاملات البلاسما

يعتمد تكون البلاسما على بعض العوامل الأساسيةو هى : معامل درجة التأين ،
معامل درجة الحرارة ، كثافة البلاسما و كذلك المجال المغناطيسى و سوف
نتناولهم بالشرح.

البلاسما 0000 الحالة الرابعة للمادة

إعداد : عبدالرحمن العنزي

1) البلاسما Plasma : (التسمية مشتقة من الكلمة
اليونانية plassein ويعني يشكل أو يصوغ أو يقولب ) الحالة الرابعة للمادة
. وهي غاز متأين ( متشارد ) جزئياً أو كلياً تتساوى فيه تقريباً كثافة
الشحنات الموجبة والشحنات السالبة . ويوجد القسم الأعظم من الكون في حالة
البلازما (النجوم والأجواء المحيطة بها، الغيوم السديمية، والفضاء الكائن
بين النجوم ) . توجد البلاسما حول الأرض على شكل ريح شمسية تملأ الغلاف
الأيوني (الأيونوسفير) والغلاف المغناطيسي (المغنطوسفير) للأرض. يتم
الحصول على البلاسما في المختبرات والمصانع أثناء التفريغ الكهربائي كما
أنها تتكون في عمليات الاحتراق والانفجار .

2) طبقات الغلاف الجوي Atmosphere layers: دلت
الأبحاث والدراسات العلمية على أن الغلاف الجوي يختلف في تجانسه وخصائصه
باختلاف الارتفاع بحيث يمكن تقسيمه إلى عدة مناطق أو طبقات. وسنحاول فيما
يأتي إلقاء الضوء على خصائص كل طبقة بدءاً من الأسفل إلى الأعلى.

* التربوسفير Troposphere :

تمتد هذه المنطقة (الطبقة) من سطح الأرض إلى حوالي 12 كم في المتوسط أعلى
من سطح الأرض. تتميز هذه المنطقة بكثافتها العالية و بوجود غاز ثنائي
أوكسيد الكربون CO2 وبخار الماء H2O بنسبٍ عالية. كما تنخفض فيها درجة
الحرارة مع الارتفاع إلى حوالي 6.5 ◦س لكل كيلو متر. وتعد هذه المنطقة
مسئولة عن الظواهر والتقلبات الجوية التي تتحكم في المناخ على سطح الأرض.

5)المادة في حالة البلاسما : ولادة البلاسما the
deliver plasma: إن مصطلح البلاسما باللغة الألمانية plasmen zuzustand
وضع لأول مرة عام 1939 من قبل عالمين ألمانيين. وكان هذا المصطلح ناجحاً
من حيث التسمية حيث أن البلاسما بالفعل ليس صلباً ولا سائلاً ولا غازاً.
إنها حالة خاصة من حالات المادة ناتجة عن التأين الحراري للغازات أي
انفصال الالكترونات عن الذرّات وتحطم الجزيئات المتعادلة وتشاردها إلى
أيونات موجبة وأخرى سالبة يبدأ عند درجات حرارة تزيد عن (5000–6000) درجة
مئوية. إذن هل هناك ما يدعو إلى بحث هذه المسألة؟ ذلك لعدم وجود أية مادة
يمكنها البقاء في درجة حرارة تزيد عن تلك. بلا شك هناك ما يدعو إلى بحث
المسألة (البلاسما)! إن الغالبية العظمى (كما ذكرت) من الأجرام السماوية
تقع في حالة البلاسما ومن المعلوم أن درجة تأين الغاز لا تعتمد على درجة
الحرارة وحدها بل وعلى الضغط أيضاً.

مثال : نجد أن الهيدروجين عند ضغط ( 1 ) مم
زئبقي يتأيّن تماماً من الناحية العملية في الدرجة (30000) م. وفي مثل هذه
الظروف نجد أن كل ذرة متعادلة واحدة يقابلها (20000) جسيم مشحون. إن
الهيدروجين في حالة البلاسما خليط من جسيمات غازين مختلفين تتحرك حركة
عشوائية وتتصادم مع بعضها البعض هما "غاز" البروتونات H و"غاز"
الالكترونات e.

البلازما الباردة: تلك الواقعة في درجات حرارة
قدرها عشرات ومئات الآلاف من الدرجات المئوية . البلازما الحارة: تلك
الواقعة في درجات حرارة قدرها ملايين الدرجات المئوية. تحدد درجة الحرارة
بمدلول واحد وهو الطاقة الحركية للجسيمات ويتم التوازن الحراري في الغاز
المؤلف من جسيمات ثقيلة وأخرى خفيفة فقط في حالة واحدة عندما تكتسب
الجسيمات الثقيلة والخفيفة معدلاً متساوياً من الطاقة الحركية. أي أن
الغاز الذي يبقى مدة طويلة من الزمن في ظروف مستقرة تكون فيه سرعة حركة
الجسيمات الثقيلة أبطأ من سرعة الجسيمات الخفيفة وهذا ما يحدث في
البلاسما. ذلك أن كتلة الإلكترون في نواة من النويّات أقل (أخف) ألفي مرة
(تقريبا) من كتلة أصغر نواة من النويّات. كتلة البروتون = 1836 مرة كتلة
الإلكترون وعند كل تصادم يقدم الإلكترون إلى النواة أو الأيون " قسماً "
صغيراً فقط من طاقته وبعد عدد كبير من التصادمات تتساوى معدلات الطاقات
الحركية لكافة جسيمات البلازما التي تسمى (البلاسما في درجة الحرارة
الثابتة) وهي تلك الواقعة في الشمس والنجوم.

وإن سرعة حدوث التوازن في البلاسما الساخنة تتراوح بين أجزاء من الثانية
وعدة ثوان وتختلف عن بلاسما التفريغ الغازي (الشرارة الكهربائية، القوس
الكهربائي .... ) إذ أنه في هذه الحالة لا تتحرك الجسيمات حركة عشوائية
فحسب بل تولد تياراً كهربائياً أيضاً. حيث تكون سرعة حركة الإلكترونات في
التفريغ الغازي أكبر بكثير مما هي عليه بالنسبة للأيونات (البلاسما في
درجة الحرارة غير الثابتة).

البروتون proton تسمية يونانية تعني الأول جسيم
عنصري له شحنة كهربائية موجبة تساوي واحد. وهو أثقل من الإلكترون بـ 1836
مرة. حصل عليه (رذرفورد) عام 1919 بقذف غاز الآزوت بدقائق ألفا (نوى
الهليوم) حيث اكتشف أول تفاعل نووي صناعي. إن التصادم بين دقيقة ألفا
ونواة ذرة الآزوت تؤدي إلى انطلاق بروتون بسرعة كبيرة وتشكل أحد نظائر
الاوكسيجين N + He O + H + طاقة حرارية. هليوم+ آزوت(نتروجين) نظير
الأوكسجين +البروتون + طاقة حرارية.

الإلكترون electron جسيم عنصري ثابت ذو شحنة
كهربائية سالبة وهو أحد المكونات الرئيسية في ذرات المادة كتلته m =1.9*10
kg شحنته الكهربائية e=1.6*10 كولوم اكتشفه طومسون عام 1897 (كان أول من
تعرف على طبيعة الأشعة المهبطيّة وشحنتها).

يمكن وصف سلوك الجسيمات في البلاسما باستخدام النظرية الحركية للغازات:

* تتحرك جزيئات الغاز حركة عشوائية دائمة في كل الاتجاهات وفي مسارات مستقيمة بسرعة كبيرة.
* تصطدم الجزيئات بعضها ببعض وبجدران الوعاء الذي يحتويها وبذلك يتغير اتجاه حركتها باستمرار.
* تزداد سرعة الجزيئات بازدياد درجة حرارتها وتنقص بنقصانها . وتبقى نفسها في درجة حرارة معينة.
* الحجم الحقيقي لجزيئات الغاز صغير جداً إذا ما قورن بحجم الغاز الكلي أي
إن المسافات بين الجزيئات كبيرة بحيث تكون قوة التجاذب بينها معدومة.
* ينشأ ضغط الغاز نتيجة لاصطدام جزيئاته بجدران الوعاء الذي فيه.

البلاسما ..... الحالة الرابعة للمادة

تعريف البلاسما

يعتبر وصف البلاسما على انها وسط متعادل من الجسيمات السالبة و الموجبة
الشحنة، هو وصف فقير تعوزه الدقة وذلك ان تعريف البلازما لابد ان يتضمن
ثلاثة معايير مما يعطى دقة أكثر وهى:-

* تقارب الجسيمات المشحونة في البلازما في صورة قوية يعمل على
التأثير فيما بين هذه الجسيمات. ولا يحدث هذا التأثير الا اذا توافر عدد
كبير من الالكترونات مشكلة مايعرف بكرة ديبى Debye (او كرة الالكترونات).
نصف قطرها هو طول ديبى Deby length. متوسط عددالجسيمات المشحونة في هذة
الكرة هو عامل البلاسما.
* حجم التفاعلات في البلاسما. حيث ان نصف قطر ديبى Debye صغير بالمقارنة
بالحجم الطبيعى للبلاسما الموجودة في الكون. وهذا يعنى ان مقدار التفاعلات
الحادثة في قلب كتلة البلاسما لها اهمية كبيرة عنها على حواف البلاسما
اخذين في الاعتبار تأثير ما يحيط بالبلاسما من الوسط المحيط بها.
* تردد البلاسما: تردد الالكترونات في البلاسما هو كبير بالمقارنة بتردد الالكترون في حالتة المتعادلة.

البلاسما وتسمى في أغلب الأحيان "الحالة الرابعة للمادة، الحالات الأخرى
الثلاثة هي الصلبة، السائلة والغازية. البلاسما هي حالة متميّزة للمادة
تحتوي على عدد هام من الجزيئات المشحونة كهربائيا بصورة كافية للتأثير على
خواصه الكهربائية. بالأضافة إلى كونها مهمة في العديد من مظاهر حياتنا
اليومية، ويقدر ان البلاسما تشكل أكثر من 99 % من الكون المرئي.

في الغاز العادي كل ذرة تحتوي عدد مساوي من الشحنات الموجبة والسالبة؛
الشحنات الموجبة في النواة محاطة بعدد مساوي من الألكترونات السالبة، وكل
ذرة بشكل كهربائي محايدة. يصبح الغاز بلاسما عند إضافة الحرارة أو أية
مصدر طاقة الأخرى لعدد هام من الذرات لإطلاق سراح بعض أو كل ألكتروناتها.
الأجزاء الباقية من تلك الذرات تترك بشحنة موجبة، والألكترونات السالبة
التي انفصلت تكون حرة الحركة. هذه الذرات وناتج الغاز المشحون كهربائيا
يقال بأنه غاز مؤين، عندما تؤين الذرات بما فيه الكفاية للتأثير على
الخصائص الكهربائية للغاز، فهو في هذه الحالة يكون حالة بلاسما.

في العديد من الحالات التفاعلات بين الجزيئات المشحونة والجزيئات المحايدة
مهمة في تقرير سلوك وفائدة البلاسما. نوع الذرّات في البلاسما، نسبة
الجزيئات المؤينة إلى الجزيئات المحايدة وطاقة الجزيء تؤثر في طيف واسع من
انواع البلاسما ، وخصائصها وسلوكها. هذا السلوك يجعل من البلاسما كونها
مفيدة في كثير وفي عدد متزايد من التطبيقات المهمة في حياتنا وفي العالم
من حولنا.

خصائص البلاسما

البلاسما تتكون من جزيئات مشحونة تتحرك بحرية، بمعنى آخر، إلكترونات
وآيونات، تشكلت في درجات حرارة عالية عندما انتزعت الألكترونات من الذرات
المحايدة، البلاسما شائعة في الطبيعة. على سبيل المثال، النجوم بالدرجة
الأولى هي بلاسما. البلاسما "حالة رابعة من المادة" بسبب صفاتها وطبيعتها
الفريدة، المتميزة عن المواد الصلبة والسوائل والغازات. تتفاوت كثافة
ودرجات حرارة البلاسما على نحو واسع.

تطبيقات البلاسما

شكل البلاسما اساسا قويا لمجموعة من تطبيقات وأدوات التقنية المهمة بالإضافة إلى فهمنا وادراكنا لمعظم الكون من حولنا.

فهي تزود الاساس والدعامة للتطبيقات الحالية مثل معالجة بلاسما أشباه
الموصلات، تعقيم بعض المنتجات الطبية، المصابيح، الليزر، مايكرويف كهربائي
عالي المصدر. وكذلك التطبيقات المحتملة المهمة مثل جيل الطاقة الكهربائية
من الانشطار والسيطرة على التلوث وإزالة المواد الكيميائية الخطرة.

علم البلازما يستثمر تشكيلة متنوعة من مجالات العلم تتراوح من فيزياء
البلازما إلى التطبيقات الكيميائية، الفيزياء الذرية والجزيئية، وعلم
المادة. انتشارها وطبيعة تنوع حقول الدراسة تميّز طبيعة تكون البلازما،
التي تتضمن الغازات المؤينة التي تتراوح من مؤين ضعيف إلى المؤين إلى حد
كبير، ومن الاصطدامية إلى الثبات، ومن البرودة إلى الحرارة. هذه الشروط
تميز تراوح البلازما المختلف من الغازات عالية الضغط نسبيا مع جزء صغير من
الذرات المؤينة ومستوى قليل نسبيا من الجزئيات المشحونة بدرجات حرارة، على
سبيل المثال، البلازما الستعملة في معالجة رقائق الحاسوب والاضاءة، إلى
تلك الغازات ذات الكثافة المنخفضة جدا مع جزء كبير من ذرات الغاز المتأين
والمشحونة بدرجة حرارة عالية جدا، على سبيل المثال، بلازما الإنشطار.

الأنواع المختلفة للبلازما تشكل اساس التطبيقات المتنوعة والظواهر
الطبيعية المختلفة. على كل حال، العديد من الاعتبارات الاساسية لتنوع
المجالات الواسعة التي تميز العديد من البلازما سواء الطبيعية منها او
الصناعية والتي هي مهمة في حياتنا.

إن التنوع الذي يتضمن "علم بلازما" يجعل الموضوع صعب التمييز. على أية
حال، هو ذلك التنوع نفسه الذي يجعله المساهم المهم في تشكيلة واسعة من
التطبيقات والتطور التكنولوجي. تحت قائمة العديد من التطبيقات التقنية
للبلازما.

بعض التطبيقات التجارية والصناعية للبلازما

معالجة الإشعاع مثل:-

• تنقية المياه

• نمو النباتات

المعالجة الحجمية مثل:-

• معالجة الغاز المسال

• معالجة النفايات

المعالجة الكيميائية مثل:-

• ترسيب رقائق الماس

• بودرة السيراميك

مصادر الضوء مثل:-

• مصابيح الكثافة العالية

• مصابيح الضغط المنخفض

• مصادر إضاءة خاصة

في الطب مثل:-

• معالجة السطوح

• تعقيم الآلات الطبية

إضاءة الفلورسنت وإشارات النيون

إثنان من نطبيقات البلازما الأكثر شيوعا على كوكبنا هو مصباح الفلورسنت،
وإشارات النيون. فمنذ تطويرهم في الاربعنيات من القرن السابق اصبحت
اللمبات الفلورسنت الاوسع إنتشارا في الإضاءة في كل مكان تقريبا في
المكاتب والمصانع والمدارس، وفي البيوت أيضا. وتعمل إشارات النيون بنفس
المبدء، وتقريبا اصبحت شائعة الاستخدام.

في هذا البحث سنلخص طبيعة تلك الأدوات الموجودة في كل مكان تقريبا، تركيزا
على الانارة بالفلورسنت. بدء من الضوء الذي يمكن أن نراه من خارج اللمبة،
وطريقة عملها.

الضوء

إن الضوء المنبعث من لمبة الفلورسنت يبدو أبيض في معظم الحالات، ذلك اللون
الأبيض هو مجموعة (كما هو ضوء الشمس) من كل الوان الطيف المرئي. في حالة
اللمبة الفلورسنت، المادة التي تعمل التوهج في الحقيقة هي مسحوق أبيض تغلف
الزجاج الداخلي للمبة. هذا المسحوق (عموما يسمى phosphor، بالرغم من أنه
لا يوجد أي فسفور فيه) هو الذي يبعث الضوء الأبيض الذي نراه خلال المصباح
الفلورسنت ويسمى التالق الاشعاعي. يحدث هذا التألق الاشعاعي عندما تمتص
ذرّة (أو جزئ) طاقة من المصدر (مثل فوتون الضوء، أو إصطدام بذرة اخرى)
وبعد ذلك تصدر تلك الطاقة على شكل ضوء في خطوتان أو أكثر متتالية. في
المصباح الفلورسنت، الضوء فوق البنفسجي الغني بالطاقة ومن خلال الإنبوب
المشبع بالفوسفور، ثم يعاد اشعاع الطاقة بإرسال اثنان او ثلاثة موجات
إضاءة ذات طاقة اقل. ولكون الطيف المرئي الذي تحسة أعيننا عند مستوى طاقة
اقل من الاشعاع فوق البنفسجي، نحن يمكن أن نستعمل الإستشعاع الفوسفوري
كمصدر ضوء.

من أين تصدر الاشعة فوق البنفسجي؟

لكي يتوهج بضوئه الأبيض المألوف، نحتاج إلى الفوسفور لكي يقصف بالضوء
الفوق بنفسجي خلال المصباح. هذا الضوء الفوق بنفسجي انبعث من ذرات الزئبق
الموجودة في الإنبوب المفرغ جزئيا. عندما يمتصّ الزئبق طاقة داخل المصباح
(تعمل عادة كنتيجة للتأثر بالألكترونات الحرة السريعة جدا الموجودة في
الإنبوب)، ويبعث بكفاءة في المنطقة فوق البنفسجية من الطيف، في الغالب طول
موجة من 253.7 nm (وبمعنى آخر: 253.7 بليون متر). جزء صغير جدا من الغاز
خلال المصباح هو زئبق؛ ذرات غاز الأرجون تفوق عدد ذرات الزئبق حوالي 300
إلى 1. كلتا النوعين من الذرات مشتركة فقط في أجمالي حوالي 1/100 من الضغط
الجوّي خلال المصباح.

أين تحصل الألكترونات الحرة على الطاقة؟

الألكترونات الحرّة التي تصطدم بذرّات الزئبق وتثيرهم كانوا أساسا منزوعين
من ذرات الزئبق نفسها. ليستول الطريق للطرف الاخر، وإذا كانت طاقته عالية
بما فيه الكفاية، يمكن أن يحرر إلكترون من ذرة اخرى ويخلق إلكترون حر
إضافي. اما إذا كانت طاقته ليست عالية بما فيه الكفاية عندما تصطدم بذرة
زئبق، يمكن أن يثير الزئبق بطريقة معينة بحيث أن الزئبق سيبعث اشعة فوق
بنفسجية عندما يتخلى عن طاقته. تصنف هذه المجموعة من الألكترونات الحرة
وآيونات الزئبق المتبقية مزيج الزئبق والأرجون كبلازما.

البلازما والفضاء

يعتقد العديد من الناس الفضاء بين الشمس وكواكبها فارغة لا تحتوي على شئ,
فراغ مجرد من الطاقة أو المادة. لكن الفضاء ليس خاليا. تبعث شمسنا
البلازما بشكل ثابت, المادة في حالة ساخنة بشدة، التي تنتقل بكل الإتجاهات
في سرعات عالية المستوى جدا لتملئ كامل النظام الشمسي وما بعده.

بدراسة العمليات التي تحدث في غلاف الأرض المغناطيسي (حيث حقل الأرض
المغناطيسي له تأثير أعظم من حقل الشمس الواسع بين الكواكب)، في الفضاء
الواسع بين الكواكب، وحول كواكب أخرى، نحن قادرون بشكل أفضل على تقدير
الدور المهم للبلازما في كافة أنحاء الكون البلازمي. يعتبر هذا المختبر
الفضائي البلازمي نافذتنا إلى النجوم.

إن الغلاف المغناطيسي للارض مختفي عادة بسبب أن الهيدروجين المسيطر
وآيونات الهليوم التي تصل في خلال الريح الشمسية لا تبعثر الضوء إلى أطوال
الموجة المرئية. على أية حال، تبعث المذنبات آيونات أثقل تكون مرئية والتي
ينشأ عنها ذيل من البلازما الرائع الشكل . صور غلاف الأرض المغناطيسي تظهر
كأنها منطقة تفاعل مذنب كبيرة جدا.

إن الشمس هو نجم متغير، خصوصا في نواتجه من الإشعاع فوق البنفسجي والأشعة
السينية والجزيئات والحقول المغناطيسية. الإختلافات الكبيرة المرسلة يحدث
في كافة الأنحاء التي تقع داخل نطاق تأثير الشمس، وتدعى هيلوسفير
Heliosphere والتي تتضمن الرياح الشمسية وكل غلاف النظام الشمسي
المغناطيسي. ويعتبر الطقس الفضائي هو دراسة لكيفية ومدى تأثير بيئة الفضاء
على رواد الفضاء وعمليات الاقمار الصناعية وأنظمة الإتصال وشبكات الكهرباء
الأرضية. على المدى البعيد، الطقس الفضائي يمكن أن يساهم في تغيير مناخ
عالمي بصفة أولية من خلال التغير البطئ في الإشعاع الشمسي.

بينما تتدفق الرياح الشمسية أمام غلاف الأرض المغناطيسي، يتفاعل مع الحقل
الجيومغناطيسي ويعمل كمولد كوني الذي ينتج ملايين الأمبيرات من التيار
الكهربائي. بعض هذا التيار الكهربائي يصب في الغلاف الجوي العلوي للأرض
الذي يضيئ مثل إنبوب نيون لخلق الشفق القطبي الجميل. إن الشفق دائما
موجودا ذلك لأن مصدر الريح الشمسية متواجد دائما، وهم يشكلون حلقة من
الإشعاعات ضمن الأيونوسفير تتمركز على كلا القطبين المغناطيسي في خط عرض
عالي. على أية حال، عادة ما يروا ماعدا في الليل وأثناء العواصف
الجيومغناطيسية. في منتصف الشتاء، سكّان فيربانكس وهي منطقة في الاسكا،
يتمتعون بعرضين للشفق كل ثلاث ليالي