البلازما (حالة رابعة للمادة)

اعتدنا منذ ان كنا في المدرسة على اعتبار المادة ذات ثلاث حالات : صلبة وسائلة وغازية 

لكن مؤخرا اصبحت صفات المادة في حالتها الرابعة تستدعي الانتباه اكثر فأكثر وهذه الحالة دعيت بالبلازما .فكلما ارتفعت درجة الحرارة جنحت جسيمات المادة للتأين اكثر والتحرر وانطلاق الالكترونات .

ففي الجسم الصلب تكون الذرات والجزيئات خاضعة لنظام متين حيث انها تقع في بناء محكم في السائل تستطيع الذرات والجزيئات الحركة لكن حريتها تبقى مقيدة.

في الغاز تتحرك كل من الجزيئات وحتى الذرات بحرية اما الالكترونات الموجودة داخل الذرات فتقوم بتذبذب متناغم في مداراتها وفقا لقوانين الميكانيك الكوانتي واما في حالة البلازما فتكون الالكترونات قد انفصلت عن الذرات واكتسبت حرية كاملة للحركة . ان الذرات والجزيئات بفقدانها لجزء من الكتروناتها تصبح ذات شحنة كهربائية موجبة وتدعى عندئذ بالأيونات .

فالبلازما هي غاز مؤلف من جسيمات مشحونة بشحنات موجبة وسالبة بنسب معينة بحيث تجعل الشحنة الكلية للغاز معدومة.

ومادامت الالكترونات المتحركة بحرية تستطيع نقل التيار الكهربائي. نستطيع ان نقول ان البلازما عبارة عن غاز ناقل.

 الا ان التقنية الكهربائية تعتمد حتى الان على المواد الصلبة (المعادن) كنواقل للكهرباء بالنظر لتوفر الالكترونات الحرة في المعدن ايضا وهذه الالكترونات تنتزع من الذرات بفعل القوى الناتجة عن الكثافة العالية لان الذرات في المعدن تكون مضغوطة لدرجة تجعل طبقاتها (حلقاتها) الالكترونية تتكسر اما في البلازما فتنتزع الالكترونات بفعل قوي اخرى ناتجة عن الحركة السريعة للجسيمات الساخنة او عن تأثير الضوء او بالانفراغ الكهربائي .

تسمع الصفات المدهشة للبلازما بتوقع تطبيقات واسعة في تقنيات مختلفة منها نقل الكهرباء كناقل للكهرباء او كوسط ناقل عالي درجة الحرارة.

وتفضل البلازما في التقنية الكهربائية بدرجة واضحة على المعادن لأنها اخف منها لا بألاف فقط بل بملايين المرات.

اخذ الفيزيائيون بالحديث عن البلازما منذ زمن غير بعيد التي شاهدها كل واحد منا سواء في اللوحات المهيبة للبرق والشفق الشمالي حيث تلعب البلازما فيها الدور الرئيس هذا ويمكن مصادفة البلازما في حوادث القصر في الشبكة الكهربائية . كما ان الشرارة التي تعبر ما بين ناقلين تتكون ايضا من بلازما الانفراغ الكهربائي في الهواء حتى ان مصابيح الاعلانات في المدن تعمل على البلازما سواء بلازما او الارغون او غيرها.

 فعند تسخين أي مادة الى درجة حرارة عالية تنتقل الى حالة البلازما وهذا ما يحصل بسهولة قصوى عند تسخين ابخرة المعادن القلوية مثل الصوديوم او البوتاسيوم وعلى الاخص عند تسخين اثقلها الا وهو السيزيوم. هذا ويتمتع اللهب العادي بناقلية كهربائية معينة، على الرغم من ان اللهب ضعيف التأين لانه يعد من حالات البلازما ايضا.

ويعود سبب ناقلية اللهب هذه الى وجود كمية ضئيلة من شوائب الصوديوم التي يمكن التعرف عليها من خلال اللون الاصفر لأضاءتها وللحصول على التأين الكامل للغاز تلزم درجات الحرارة العالية التي تقدر بعشرات الاف الدرجات. وفي ظروف كوكبنا (الارض) من النادر وغير المعتاد ان تكون المواد في مثل حالة البلازما هذه على عكس الحالة في الكون حيث يندر ان تكون المواد في الحالة الصلبة كما هو الحال على الارض . فالكتلة الاساسية لمادة الكون متأينة أي هي في حالة بلازما ينتج التأين في النجوم عن درجات الحرارة العالية اما في الكتل الضبابية المتخلخلة وفي الغاز ما بين النوم فيحصل التأين بفعل الاشعاع فوق البنفسجي الصادر عن النجوم .

في المجموعة الشمسية تتكون كتلة الشمس بكاملها من البلازما وهي تساوي 330 الف مرة كتلة الارض . وتكون الطبقات العالية من الغلاف الجوي الارضي متأينة بفعل اشعاع الشمس اي انها مكونة ايضا من البلازما يدعى هذا الغلاف الجوي العلوي بالغلاف الأيوني (الايونوسفير) وعلى طبقته العلوية هذه يتوقف الارسال اللاسلكي بعيد المدى.

فمنذ القدم عد العلماء العالم مكونا من اربعة عناصر هي التراب والماء والهواء والنار.

وفي الوقت الحاضر تقابل العناصر الثلاثة الاولى الحالات الصلبة والسائلة والغازية على الترتيب وتقابل البلازما العنصر الرابع وهو النار التي تحتل في الفضاء المقام الاول بين العناصر الاربعة.

لا يوجد بين البلازما والغاز حد فاصل دقيق فالبلازما تخضع لقوانين الغازات وهي في اغلب الاحيان تسلك سلوك الغاز. لماذا اذن يجري الحديث عن البلازما كحالة جديدة رابعة للمادة ؟

تظهر الصفات غير الاعتيادية للبلازما عندما يطبق عليها حقل مغناطيسي شديد مثل هذه البلازما تدعى بالبلازما المتمغنطة .

قلنا ان الالكترونات داخا الذرة تقوم باهتزاز توافقي حول النواة اما في البلازما يمكن ترتيب حركة الجسيمات فيها. أي يمكن ان نجعل جسيمات البلازما تتحرك وفق طريقة منتظمة لكن ما الذي يستطيع ارغام الالكترونات على الخضوع لنظام شديد؟ هو الحقل المغناطيسي ففي الذرة تتذبذب الالكترونات والنواة في مجموعة صغيرة وفي الجسم الصلب (البلورة) توجد الذرات في اماكن محدودة وفي البلازما تسير كل من الالكترونات والايونات الموجبة وكأنها جماعة متماسكة واحدة.

تتقيد حركة الجسيمات في الغاز العادي بالتصادمات فيما بينها وفيما بين جدار الحيز الذي توجد فيه. ويمكن ان تخضع حركة الجسيمات في البلازما الى الحقل المغنطيسي ايضا كما يمكن حجز البلازما بجدار مغنطيسي وحبسها في مصيدة مغنطيسية تدور جسيمات البلازما المتحركة في غير اتجاه حقل مغنطيسي شديد حول خطوط القوة المغنطيسية وتكون جسيمة البلازما حرة الحركة في اتجاه الحقل المغنطيسي . ويتركب الحركة الحرة على طول خط القوة واذا اجبرت البلازما على الحركة عموديا على خطوط القوة فأنها سوف تسحب معها هذه الخطوط. في مثل هذه الحالة يقال ان جسيمات البلازما ملتصقة بخطوط القوة او ان خطوط القوة متجمدة في البلازما. لكن قانون التجمد هذا يفعل فعله في البلازما الحارة فقط. لانه في مثل هذه البلازما تتحرك الجسيمات البلازما بسرعة الواحدة تلو الاخرى دون ان تتمكن من التعلق بعضها ببعض مثل هذه البلازما لا تبدي تقريبا اية مقاومة للتيار الكهربائي وهي ذات ناقلية عالية جدا في البلازما الباردة ذات الناقلية المنخفضة يسمح التفاعل بين الجسيمات اثناء تصادمها للحقل المغنطيسي بالتسرب عبر البلازما.

عندما نقول بلازما باردة يجب الاخذ بالحسبان ان مقدار درجة الحرارة في البلازما يختلف عن المقادير المألوفة لدينا عن درجة الحرارة . تقاس درجة الحرارة هنا بوحدة الالكترون فولت (ev1 ) ، حيث ev 1= 11600k  توصف البلازما التي تبلغ درجة حرارتها عشرة الاف او مئة الف درجة فيزيائيا بأنها باردة، اذ ان درجة حرارتها تساوي عدة الكترونات فولت اما البلازما الحارة فتقاس درجة حرارتها بمئات الالكترون فولت وهذا يعادل ملايين الدرجات المطلقة. ولو لم ينتقل الغاز الى حالة البلازما لكان تسخينه الى تلك الدرجات مستحيلا لانه عندها لا يمكن احتواءه بشيء. اي لا يمكن لاي جدار صلب مهما كان ان يقف في وجه هذا اللهيب لان الغاز سوف يتطاير عبره غير ان البلازما الحارة يكن حجزها بواسطة حقل مغنطيسي. فبما ان جسيمة البلازما تتحرك بشكل لولبي حول خط القوة فهي لا تخرج عن مسارها قبل ان تصطدم بجسيمة اخرى. لكن التصادمات في البلازما الحارة نادرة كما هي الحال في الحركة على سكة الحديد التي تكفل امان حركة القطارات بالتنظيم الجيد. وقبل ان يقع انهيار تبقى الجسيمة حول خط القوة ولا تغادر البلازما الى الجدار . وعلى هذه الفكرة تقوم مشاريع صنع المصايد المغنطيسية لحفظ البلازما الحارة.

للأسف تبين انه ليست التصادمات فقط هي المسؤولة عن حيود (انهيار) الجسيمات عن خطوط القوة هناك سبب اخر لذلك الا وهو التأثر (التفاعل) الجماعي بين الجسيمات لنتصور طريقا معبدا يسير عليه رتل من السيارات بانتظام الواحدة تلو الاخرى يكفي ان تخل سيارة واحدة بالنظام حتى ينتقل هذا الخلل الى بقية سيارات الرتل الخلفية السيارات الخلفية سوف تتوافد الى السيارات الامامية التي يخل توقفها بحركة السيارات الخلفية . وما ان يبدأ هذا اللاانتظام في نقطة حتى ينتشر بالتدرج الى كل انحاء الرتل فعندما يحدث اضطراب صغير حالة لا انتظام متكامل تدعى مثل هذه الحالة باللامستقرة ويتصادف وجودها في البلازما اغلب الاحيان .

ان احدى المسائل الصعبة والمثيرة في الفيزياء الحديثة هي الحصول على بلازما حارة وحصرها . وهذا يعني تسخين المادة حتى درجات حرارة لا يستطيع عندها اي جدار صلب مهما كان ان يتحملها حتى ولو لبرهة وجيزة يمكن حصر البلازما الحارة بواسطة الحقل المغنطيسي فقط الذي يجب ان يشكل في وجه البلازما حاجزا غير نفوذ يفصل جسيماتها عن الجدار دون ان يسمح لها بالسقوط او نقل طاقتها اليه تلعب الحالة اللامستقرة دور عقبة رئيسية في هذا المجال ولو لم تكن هذه الظاهرة موجودة لكان حل مسألة حصر البلازما سهلا وبأكثر من طريقة لنتصور انبوبة مملوءة بالبلازما يلف حولها سلك بحيث يشكل وشيعة يمرر عبرها تيار كهربائي فتتحول الى مغنطيس كهربائي يتولد داخله حقل مغنطيسي وتوضع خطوط القوة على طول الانبوبة من الداخل والخارج اذا تحركت الجسيمات كلها وفق انساق الحقل المغنطيسي فلن يسمح لها بالسقوط على الجدران لكن الجسيمات تطير بحرية على طول الانبوبة ويمكنها ان تغادر من كلا طرفيها ولكي نمنع ذلك نتبع احدى طريقتين : اولاهما بأحناء الانبوبة لتصبح بشكل حلقة اي يصبح جسمها على شكل الكعكعة التي يسمونها في الهندسة باسم السوار  torus وهي ما تسمى ايضا بالمصيدة المغنطيسية السوارية وثانيتهما ان يصار الى ايجاد حقول مغنطيسية اكثر شدة على طرفي الانبوبة لكي تمنع جسيمات الغاز من الخروج وهي لذلك تسمى بالسدادات المغنطيسية .

ويمكن القول بكلام اخر بان الجسيمات تنعكس على هذه الحقول الشديدة لذا يسمونها بالمرايا المغنطيسية ايضا.

يسهل تسخين البلازما في المصيدة السوارية حيث تملا المصيدة بغاز يمرر عبره تيار كهربائي قوي فيعمل هذا التيار على تسخين الغاز وذلك تماما كما يسخن السلك (الحلزوني) في السخانة الكهربائية جراء مرور التيار فيه او كما يسخن سلك مصباح الاضاءة بالتيار ايضا. وهكذا يمكن بتسخين اولي نقل الغاز الى حالة بلازما.

لكم مع ارتفاع درجة الحرارة يهبط وبشكل حاد مقدار المقاومة الكهربائية للبلازما وتتوقف بذلك عن التسخين ومن اجل الحصول على درجات الحرارة العالية اقترحت طرق تسخين اكثر فعالية وذلك عبر الانفراغات العالية التواتر او الانضغاط السريع بواسطة مكبس مغنطيسي كما يمكن ادخال ايونات سريعة يتم تسريعها مسبقا بواسطة حقول كهربائية عبر السدادات المغنطيسية الى المصيدة وهكذا يتم الحصول فورا على بلازما حارة. لكن هذه الطريقة تبقى صالحة للاستعمال فقط عند توفر شرط اساسي الا وهو ان البلازما يجب ان تلامس جدران صلبة لانه لا يمكن تسخين البلازما وهي على تماس مع جدران صلبة كمن يريد ان يغلي الماء في وعاء من الجليد.

وحتى لا تتصادم جسيمات البلازما مع الجدران يجب اجبارها على ان تتحرك وفق نسق مغلق ومنتظم وهذا ما يجب على المصيدة المغنطيسية تأمينه لكن ظاهرة اللااستقرار تعمل على معاكستها في ذلك يكون الامر حال الاطفال الذين يركضون في اوقات الفرص في كل اتجاه لا على التعيين. ومثلهم الايونات والالكترونات تقفز في حالة اللااستقرار في اتجاهات مختلفة لتصدم بالجدران فتفقد جراء ذلك طاقتها دون طائل.

اضف الى ذلك ان اصطدام الجسيمات بالجدران ان يؤدي الى انتزاع ذرات من مادة الجدران وهكذا فان اللااستقرار يؤدي الى خلق شوائب غريبة في البلازما كما ان الذرات الثقيلة للشوائب تشع الطاقة بدرجة اعلى على هيئة ضوء واشعة فوق بنفسجية وهكذا يتزايد فقدان الطاقة بأشكال شتى وعوضا عن البلازما الحارة تمتلئ المصيدة بالنواتج الباردة لتبخر الجدران.

ولو ان رتل جسيمات البلازما الهائل سرى دائما على نفس الايقاع لامكن بقاء البلازما محصورة بشكل جيد وموحد سواء في المصيدة المغنطيسية الحلقية او في المصيدة ذات السدادات المغنطيسية لكن للأسف لا يحصل هذا في الحقيقية لان البناء البلازمي يتكسر وينتج دوما اللااستقرار من اجل مكافحة هذه الظاهرة جند الفيزيائيون انفسهم كرجل واحد لان ترويض البلازما سيفتح افاقا واسعة.   

في جوف الشمس مثلا تفوق درجة حرارة البلازما المنضغطة على القيمة k 1×10⁷ عند هذه الدرجة تتصادم نوى الذرات بعضها مع بعض بقوة تسبب اندماجها من جديد اذ تحصل تفاعلات نووية حرارية تؤدي الى تحول الهيدروجين الى هليوم مع انتشار كمية هائلة من الطاقة وهذه الطاقة التي تصدرها الشمس بالتحديد ما والت وحتى هذه اللحظات مصدر كل الخيرات التي نتمتع بها على الارض كما نشاء؟ فالهيدروجين العادي على الارض حتى عند درجات الحرارة العالية جدا متلكئ كثيرا في اعطاء الطاقة لكنه في الشمس فقط حيث كميته وانضغاطه شديد بفعل قوة الثقالة فيها يكون مصدرا عظيما للطاقة وتعطي نظائره الثقيلة ومنها الدوتريوم والتريتيوم الطاقة بسرعة محسوسة فاذا امكن حصر هذه النظائر بشكل استقراري في مصيدة مغنطيسية عند درجات الحرارة المقدرة بعشرات ملايين الدرجات فان مسألة الطاقة النووية الحرارية سوف تصبح محولة من اجل هذا يلزم تحقيق البلازما المستقرة اي ازالة اللااستقرار من البلازما . انها عقبة واحدة فقط لكن لا احد يستطيع ان يأخذ على عاتقه القول ان وقت تجاوزها قد حان او الى اية مسافة من الحل وصلت الامور.

 تعد المسألة النووية الحرارية اكثر المسائل في علم البلازما اغراء وان البحث الواسع حول صفات البلازما كان بسببها. لكن وكما هو دائما يأتي تطور العلم عادة بثمار غير متوقعة. فكولومبوس نفسه ابحر من اجل البحث عن الهند واذا به يكتشف امريكا هذا ما حصل غالبا في تاريخ العلم واثناء دراسة صفات البلازما تبين انه يمكن دفعها بحقل مغنطيسي كما تم اقتراح مدفع بلازمي يطلق قذائف بلازمية بسرعة s/100km . هذه السرعة اكبر بمائة مرة وتزيد على سرعة الطلقة العادية واكبر بعشر مرات من سرعة الصاروخ الفضائي . في البداية اخترع هذا المدفع من اجل قذف البلازما الى داخل المصيدة المغنطيسية لكن تبين انه يمكن تحويله الى محرك بلازمي.

يشبه المحرك البلازمي الى حد بعيد جدا مبدأ عمل المحرك الكهربائي . بفارق واحد هو ان ناقا الكهرباء فيه ليس معدنيا بل البلازما نفسها لكن المحرك الكهربائي يمكن وبتبديل بسيط تحويله الى مولد كهربائي . من الطبيعي بالمقابل ان تظهر هنا فكرة مولد الكهرباء البلازمي وفيه يؤدي كبح جريان البلازما في الحقل المغناطيسي الى توليد تيار كهربائي ينتج من هنا انه يمكن التوقع بان التقنية الكهربائية بكاملها يمكن ان تتحول من المعادن الخرقاء الثقيلة الى البلازما المتحركة الخفيفة.

تعد افاق تطبيق البلازما في التقنية الراديوية ضعيفة الدراسة والبحث فيها مستمر حتى الان. توجد في البلازما في الحقل المغناطيسي انواع كثيرة من الاهتزازات تصدر امواجا راديوية . وقد لوحظت اهتزازات عشوائية في البلازما وهي ما تدعى بالضجيج. لكن النظرية تقول انه يمكن انشاء مجاوبات بلازمية ودلائل موجية. اي اجهزة تهتز بتواترات محددة بدقة. هذا ويوجد كثير من الغرائب في سلوك البلازما المتمغنطة. فالقوة الكهربائية تحدث فيها حركة جماعية (تدعى بالانحراف) واما القوى التي هي من طبيعة غير كهربائية فأنها تثير في البلازما تيارا كهربائيا. ولا تكون سرعة وحركة التيار بذات جهة القوى الفاعلة بل تكون معامدة لها. ولا تكسب القوة البلازما تسارعا بل سرعة انجراف ثابتة.

لابد ان تجد هذا الصفات الغريبة لبلازما تطبيقات تخدم البشربة وليس مستهجنا ان تجد الصفة السيئة للبلازما الا وهي اللااستقرار تطبيقا مفيدا في المستقبل كوسيلة الاثارة اهتزازات في البلازما .

يشغل الكثير من ظواهر البلازما ابعادا هائلة في الفضاء الكوني فمثلا ان الوميض الشمسي الذي يحصل على ما يبدو جراء الانضغاط السريع للبلازما بفعل الحقول المغنطيسية ينفث عند حصول الوميض كميات من البلازما الى ارجاء الفضاء. فتقع ضمن مصايد مغنطيسية الموجودة فيه . من هذه المصايد الممتلئة بالبلازما ما يقع بالقرب من الارض وهي احزمة الاشعاع المعروفة التي تشكل خطرا على رواد الفضاء بتعرضهم للإشعاع  وكذلك على الارض عند حدوث الوميض الشمسي يلاحظ الشفق القطبي وتعطل الاتصالات اللاسلكية وحدوث العواصف المغناطيسية يعد كل هذا اضطرابات للبلازما المكونة للغلاف الجوي للأرض بسبب التدفقات البلازمية او موجات الصدم المنتشرة في البلازما ما بين الكواكب.

ان انتشار موجة الصدم في الفراغ ما بين الكواكب الخالي تقريبا يعد من الصفات المحيرة للبلازما الجوي المتمغنطة . تؤكد كل من الصواريخ الفضائية والاقمار الاصطناعية الدور الذي تلعبه البلازما المتمغنطة في الفضاء الكوني وهذا الدور يتزايد باستمرار.

فها هي البشرية تدخل عصرا جديدا هو عصر الفضاء الذي يعتبر الى حد ما عصر البلازما . وهذه المرحلة الجديدة في تطور العلم والتقنية تبدي متطلبات جديدة من الفرع الفتي في الفيزياء هو علم البلازما.