می دانیم که برای ((خواص عمومی ماده|ماده)) سه حالت ((جامد)) ، ((مایع)) و ((گاز)) در نظر گرفته میشود. اما در مباحث علمی معمولا یک حالت چهارم نیز برای ماده فرض میشود. ((پلاسمای طبیعی|حدوث طبیعی پلاسما)) در دماهای بالا ، سبب تخصیص عنوان چهارمین حالت ماده به آن شده است. یک نمونه بسیار طبیعی از پلاسما آتش است بنابراین ((خورشید)) نمونهای از ((پلاسمای داغ)) بزرگ است.
! تعریف پلاسما:
پلاسما گاز شبه خنثایی از ((ذرات باردار)) و خنثی است که ((رفتار جمعی در پلاسما|رفتار جمعی)) از خود ارائه میدهد. به عبارت دیگر میتوان گفت که واژه پلاسما به گاز یونیزه شدهای اطلاق میشود که همه یا بخش قابل توجهی از اتمهای آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه شدهای که تعداد الکترونهای آزاد آن تقریبا برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته میشود.
! حدود پلاسما:
اغلب گفته میشود که 99% ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز ((الکتریسته)) داری که اتمهایش به یونهای مثبت و ((الکترون)) منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که ((فیزیک ستارگان|درون ستارگان)) و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن ((فضای بین ستارگان)) بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما ، وقتیکه ((جو زمین)) را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می شویم که شامل ((کمربند تشعشعی زمین|کمربندهای تشعشعی وان آلن)) و ((باد خورشیدی|بادهای خورشیدی)) است.
در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم. ((رعد و برق|جرقه رعد و برق)) ، تابش ملایم ((شفق قطبی)) ، گازهای داخل یک ((لامپ فلورسان)) یا ((لامپ نئون)) و ((یونیزاسیون)). مختصری که در گازهای خروجی یک ((موشک)) دیده میشود. بنابراین می توان گفت که ما در یک درصدی از عالم زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمیشود.
! آیا کلمه پلاسما یک کلمه بامسما است؟
کلمه پلاسما ظاهرا بیمسما به نظر میرسد. این کلمه از لغت یونانی πλάσμα,-ατος,τό آمده است که هر چیز به قالب ریخته شده یا ساخته شده را گویند. پلاسما به علت رفتار جمعی که از خودشان نشان میدهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد، و اغلب طوری عمل میکند که گویا دارای رفتار مخصوص به خودش است.
! ((حفاظ دبای)):
یکی از مشخصات اساسی ((رفتار پلاسما)) ، توانایی آن برای ایجاد ((حفاظ پلاسمایی|حفاظ)) در مقابل ((پتانیسیل الکتریکی|پتانیسیلهای الکتریکی)) است که به آن اعمال میشوند. فرض کنید بخواهیم با وارد کردن دو گلوله بارداری که به یک باتری وصل شدهاند یک ((میدان الکتریکی)) در داخل پلاسما بوجود آوریم. این گلولهها ، ذرات یا بارهای مخالف خود را جذب میکنند و تقریبا بلافاصله ، ابری از یونهای اطراف گلوله منفی و ابری اطراف گلوله مثبت را فرا میگیرند.
اگر ((پلاسما)) سرد باشد و هیچگونه حرکت حرارتی وجود نداشته باشد، تعداد بار ابر برابر بار گلوله میگردد، در این صورت عمل حفاظ کامل میشود و هیچ میدان الکتریکی در حجم پلاسما در خارج از ناحیه ابرها وجود نخواهد داشت. این حفاظ را اصطلاحا حفاظ دبای می گویند.
! ((معیارهای پلاسما)):
طول موج دبای (λD) باید خیلی کوچکتر از ((ابعاد پلاسما)) ( L ) باشد. تعداد ذرات موجود در یک کره دبای ( ND ) باید خیلی بزرگتر باشد. حاصلضرب فرکانس نوسانات نوعی پلاسما ( W ) در زمان متوسط بین برخوردهای انجام شده با اتمهای خنثی ( t ) باید بزرگتر از یک باشد.
! کاربردهای فیزیک پلاسما:
*__((تخلیه گازی|تخلیههای گازی)) :__ قدیمیترین کار با پلاسما ، مربوط به ((لانگمیر)) ، ((تانکس)) و همکاران آنها در سال 1920 میشود. تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه میگرفت که برای توسعه لولههای خلائی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند، و در نتیجه میبایست از ((گاز یونیزه|گازهای یونیزه)) پر شوند احساس میشد.
*__همجوشی گرما هستهای کنترل شده:__ فیزیک پلاسمای جدید ( از حدود 1952 که در آن ساختن ((راکتور همجوشی|راکتوری)) بر اساس کنترل همجوشی ((بمب هیدروژنی)) پیشنهاد گردید، آغاز میشود.
*__((فیزیک فضا)):__ کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوستهای از ذرات باردار که ((باد خورشیدی)) خوانده میشود، به ((مگنتوسفر زمین)) برخورد میکند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند که میتوانند در حالت پلاسما باشند.
*__تبدیل ((انرژی مگنتو هیدرو دینامیک)) ( MHD ) و پیشرانش یونی:__ دو کاربرد عملی فیزیک پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک ((میدان مغناطیسی)) پیشرانده میشود، میباشد.
*__((پلاسمای حالت جامد)) :__ ((الکترون آزاد|الکترونهای آزاد)) و حفرهها در نیمه رساناها ، پلاسمایی را تشکیل میدهند که همان نوع ((نوسانات پلاسما|نوسانات)) و ((ناپایداری پلاسما|ناپایداریهای)) یک ((پلاسمای گازی)) را عرضه می دارد.
*__((لیزر گازی|لیزرهای گازی)):__ عادیترین ((پمپاژ)) ( تلمبه کردن ) یک لیزر گازی ، یعنی وارونه کردن جمعیت حالاتی که منجر به ((تقویت نور)) میشود، استفاده از ((تخلیه گازی)) است.
*شایان ذکر است که کاربردهای دیگری مانند ((چاقوی پلاسما)) ، ((تلویزیون پلاسما)) ، ((تفنگ الکترونی)) ، ((لامپ پلاسما)) و غیره نیز وجود دارد که در اینجا فقط کاربردهای پلاسما در حالت کلی بیان شده است.
! دید کلی:
می دانیم که برای ((خواص عمومی ماده|ماده)) سه حالت ((جامد)) ، ((مایع)) و ((گاز)) در نظر گرفته میشود. اما در مباحث علمی معمولا یک حالت چهارم نیز برای ماده فرض میشود. ((پلاسمای طبیعی|حدوث طبیعی پلاسما)) در دماهای بالا ، سبب تخصیص عنوان چهارمین حالت ماده به آن شده است. یک نمونه بسیار طبیعی از پلاسما آتش است بنابراین ((خورشید)) نمونهای از ((پلاسمای داغ)) بزرگ است.
! تعریف پلاسما:
پلاسما گاز شبه خنثایی از ((ذرات باردار)) و خنثی است که ((رفتار جمعی در پلاسما|رفتار جمعی)) از خود ارائه میدهد. به عبارت دیگر میتوان گفت که واژه پلاسما به گاز یونیزه شدهای اطلاق میشود که همه یا بخش قابل توجهی از اتمهای آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه شدهای که تعداد الکترونهای آزاد آن تقریبا برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته میشود.
! حدود پلاسما:
اغلب گفته میشود که 99% ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز ((الکتریسته)) داری که اتمهایش به یونهای مثبت و ((الکترون)) منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که ((فیزیک ستارگان|درون ستارگان)) و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن ((فضای بین ستارگان)) بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما ، وقتیکه ((جو زمین)) را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می شویم که شامل ((کمربند تشعشعی زمین|کمربندهای تشعشعی وان آلن)) و ((باد خورشیدی|بادهای خورشیدی)) است.
در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم. ((رعد و برق|جرقه رعد و برق)) ، تابش ملایم ((شفق قطبی)) ، گازهای داخل یک ((لامپ فلورسان)) یا ((لامپ نئون)) و ((یونیزاسیون)). مختصری که در گازهای خروجی یک ((موشک)) دیده میشود. بنابراین می توان گفت که ما در یک درصدی از عالم زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمیشود.
! آیا کلمه پلاسما یک کلمه بامسما است؟
کلمه پلاسما ظاهرا بیمسما به نظر میرسد. این کلمه از لغت یونانی πλάσμα,-ατος,τό آمده است که هر چیز به قالب ریخته شده یا ساخته شده را گویند. پلاسما به علت رفتار جمعی که از خودشان نشان میدهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد، و اغلب طوری عمل میکند که گویا دارای رفتار مخصوص به خودش است.
! ((حفاظ دبای)):
یکی از مشخصات اساسی ((رفتار پلاسما)) ، توانایی آن برای ایجاد ((حفاظ پلاسمایی|حفاظ)) در مقابل ((پتانیسیل الکتریکی|پتانیسیلهای الکتریکی)) است که به آن اعمال میشوند. فرض کنید بخواهیم با وارد کردن دو گلوله بارداری که به یک باتری وصل شدهاند یک ((میدان الکتریکی)) در داخل پلاسما بوجود آوریم. این گلولهها ، ذرات یا بارهای مخالف خود را جذب میکنند و تقریبا بلافاصله ، ابری از یونهای اطراف گلوله منفی و ابری اطراف گلوله مثبت را فرا میگیرند.
اگر ((پلاسما)) سرد باشد و هیچگونه حرکت حرارتی وجود نداشته باشد، تعداد بار ابر برابر بار گلوله میگردد، در این صورت عمل حفاظ کامل میشود و هیچ میدان الکتریکی در حجم پلاسما در خارج از ناحیه ابرها وجود نخواهد داشت. این حفاظ را اصطلاحا حفاظ دبای می گویند.
! ((معیارهای پلاسما)):
طول موج دبای (λD) باید خیلی کوچکتر از ((ابعاد پلاسما)) ( L ) باشد. تعداد ذرات موجود در یک کره دبای ( ND ) باید خیلی بزرگتر باشد. حاصلضرب فرکانس نوسانات نوعی پلاسما ( W ) در زمان متوسط بین برخوردهای انجام شده با اتمهای خنثی ( t ) باید بزرگتر از یک باشد.
! کاربردهای فیزیک پلاسما:
*__((تخلیه گازی|تخلیههای گازی)) :__ قدیمیترین کار با پلاسما ، مربوط به ((لانگمیر)) ، ((تانکس)) و همکاران آنها در سال 1920 میشود. تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه میگرفت که برای توسعه لولههای خلائی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند، و در نتیجه میبایست از ((گاز یونیزه|گازهای یونیزه)) پر شوند احساس میشد.
*__همجوشی گرما هستهای کنترل شده:__ فیزیک پلاسمای جدید ( از حدود 1952 که در آن ساختن ((راکتور همجوشی|راکتوری)) بر اساس کنترل همجوشی ((بمب هیدروژنی)) پیشنهاد گردید، آغاز میشود.
*__((فیزیک فضا)):__ کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوستهای از ذرات باردار که ((باد خورشیدی)) خوانده میشود، به ((مگنتوسفر زمین)) برخورد میکند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند که میتوانند در حالت پلاسما باشند.
*__تبدیل ((انرژی مگنتو هیدرو دینامیک)) ( MHD ) و پیشرانش یونی:__ دو کاربرد عملی فیزیک پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک ((میدان مغناطیسی)) پیشرانده میشود، میباشد.
*__((پلاسمای حالت جامد)) :__ ((الکترون آزاد|الکترونهای آزاد)) و حفرهها در نیمه رساناها ، پلاسمایی را تشکیل میدهند که همان نوع ((نوسانات پلاسما|نوسانات)) و ((ناپایداری پلاسما|ناپایداریهای)) یک ((پلاسمای گازی)) را عرضه می دارد.
*__((لیزر گازی|لیزرهای گازی)):__ عادیترین ((پمپاژ)) ( تلمبه کردن ) یک لیزر گازی ، یعنی وارونه کردن جمعیت حالاتی که منجر به ((تقویت نور)) میشود، استفاده از ((تخلیه گازی)) است.
*شایان ذکر است که کاربردهای دیگری مانند ((چاقوی پلاسما)) ، ((تلویزیون پلاسما)) ، ((تفنگ الکترونی)) ، ((لامپ پلاسما)) و غیره نیز وجود دارد که در اینجا فقط کاربردهای پلاسما در حالت کلی بیان شده است.
فیزیک از واژه یونانی physikos به معنی « طبیعی» و physis به معنی « طبیعت» گرفته شده است. پس فیزیک علم طبیعت است، به عبارتی در عرصه علم پدیده‌های طبیعی را بررسی میکند.
علم فیزیک
علم فیزیک رفتار و اثر متقابل ماده و نیرو را مطالعه میکند. مفاهیم بنیادی پدیده‌های طبیعی تحت عنوان قوانین فیزیک مطرح میشوند. این قوانین به توسط علوم ریاضی فرمول بندی میشوند، بطوری که قوانین فیزیک و روابط ریاضی باهم در توافق بوده و مکمل هم هستند و دوتایی قادرند کلیه پدیده‌های فیزیکی را توصیف نمایند.
تاریخچه علم فیزیک
از روزگاران باستان مردم سعی می‌کردند رفتار ماده را بفهمند. و بدانند که: چرا مواد مختلف خواص متفاوت دارند؟ ، چرا برخی مواد سنگینترند؟ و ... همچنین جهان ، تشکیل زمین و رفتار اجرام آسمانی مانند ماه و خورشید برای همه معما بود.
قبل از ارسطو تحقیقاتی که مربوط به فیزیک میشد ، بیشتر در زمینه نجوم صورت میگرفت. علت آن در این بود که لااقل بعضی از مسائل نجوم معین و محدود بود و به آسانی امکان داشت که آنها را از مسائل فیزیک جدا کنند. در برابر سؤالاتی که پیش می‌آمد گاه خرافاتی درست می‌کردند، گاه تئوریهایی پیشنهاد میشد که بیشتر آنها نادرست بود.
این تئوریها اغلب برگرفته از عبارتهای فلسفی بودند و هرگز بوسیله تجربه و آزمایش تحقیق نمی‌شدند و بعضی مواقع نیز جوابهایی داده میشد که لااقل بصورت اجمالی و با تقریب کافی به نظر می‌رسید.
جهان به دو قسمت تقسیم میشد: جهان تحت فلک قمر و مابقی جهان. مسائل فیزیکی اغلب مربوط به جهان زیر ماه بود و مسائل نجومی مربوط به ماه و آن طرف ماه نیز «فیزیک ارسطو» یا بطور صحیحتر «فیزیک مشائی» بود که در چند کتاب مانند «فیزیک» ، « آسمان» ، « آثار جوی» ، « مکانیک» ، « کون و فساد» و حتی«مابعدالطبیعه» دیده میشد.
تا اینکه در قرن 17 ، گالیله برای اولین بار به منظور قانونی کردن تئوریهای فیزیک ، از آزمایش استفاده کرد. او تئوریها را فرمولبندی کرد و چندین نتیجه از دینامیک و اینرسی را با موفقیت آزمایش کرد. پس از گالیله ، اسحاق نیوتن ، قوانین معروف خود (قوانین حرکت نیوتن) را ارائه کرد که به خوبی با تجربه سازگار بودند.
بدین ترتیب فیزیک جایگاه علمی و عملی خود را یافت و روز به روز پیشرفت کرد، مباحث آن گسترده‌تر شد، تا آنجا که قوانین آن از ریزترین ابعاد اتمی تا وسیعترین ابعاد نجومی را شامل میشود. اکنون فیزیک مانند زنجیری محکم با بقیه علوم مرتبط است و هنوز هم به سرعت در حال گسترش و پیشرفت میباشد.
نقش فیزیک در زندگی
هر فرد بزرگ یا کوچک ، درس خوانده یا بی‌سواد ، شاغل یا بیکار خواه ناخواه با فیزیک زندگی میکند. عمل دیدن و شنیدن ، عکس العمل در برابر اتفاقات ، حفظ تعادل در راه رفتن و ... نمونه‌هایی از امور عادی ولی در عین حال وابسته به فیزیک می‌باشند.
فیزیک در صنعت ، معدن ، دریانوردی ، هوانوردی و ... نیز کاربرد فراوان دارد. اینکه ابزار کار هر شغلی و هر علمی مبتنی براستفاده ازقوانین و مواد فیزیکی است، نقش اساسی فیزیک در سایر علوم و رشته‌ها را نمایان میکند. علاوه برآن استفاده روز افزون از اشعه لیزر در جراحیها و |دندانپزشکی ، رادیوگرافی با اشعه ایکس در رادیولوژی ، جوشکاری صنعتی و ... نمونه‌هایی از کاربردهای بی‌شمار فیزیک در علوم دیگر می‌باشند.
با این روند رو به رشدی که علم فیزیک در کنار سایر علوم دارد، میتوان امیدوار بود که در آینده به چراها و چگونگی‌های عالم طبیعت پاسخ داده شود و این دنیای فیزیک سکوی پرتاب به عالم متا فیزیک باشد.
