كيف يتم الحصول على البلازما

لتحويل غاز الى البلازما يلزم نزع قسم من الالكترونات عن ذراته فتصبح هذه الذرات ايونات مثل هذا النزع يدعى بالتأين ولن نتعرض هنا الى لآلية التأين بالتفصيل على المستوى الذري او الجزيئي بل سنكتفي بعرض الميزة العامة لهذا الفعل .

يحصل التأين بطرق شتى في كل من الطبيعة والاجهزة التقنية. ابرز هذه الطرق ثلاثة هي:

a- التأين الحراري.   b  - التأين بالإشعاع.     C - التأين بالانفراغ الكهربائي.

يمكن ان تتأين مادة اذا سخنت الى درجة حرارة عالية وكافية . وهذا ما يدعى بالتأين الحراري (التأين بالحرارة) . تنخفض درجة الحرارة اللازمة للتأين كلما ضعف ارتباط الالكترونات بالذرات اي كلما قلت طاقة تأين الذرة او الجزئية . تتعلق طاقة تأين ذرة عنصر كيميائي بمقامه في جدول مندلييف الدوري.

فالإلكترونات في ذرات عمود المعادن القلوية احادية التكافؤ هي الاكثر ضعفا في ارتباطها وهي ذرات المعادن: الليثيوم، الصوديوم، البوتاسيوم، الروبيديوم، والسيزيوم، التي يكون فيها الكترون التكافؤ موجودا في المدار الاخير لذا ينتزع بسهولة. في حين تكون الالكترونات في ذرات الغازات النادرة ذات ارتباط اقوى (امثال: الهليوم، النيون، الارغون، الكريبتون، والكزينون)، حيث تشكل الكتروناتها حلقات مغلقة يصعب اقتلاعها من اماكنها وكلما ازدادت كتلة الذرة حسب تدرجها في اعمدة جدول مندلييف سهل اقتلاع الالكترون الخارجي منها لاحتوائها على الكترونات داخلية كثيرة تحجب النواة عن الالكترون الخارجي وبالتالي تقل طاقة تأينها كلما ازدادت ثقلا. تتوفر في الذرة الثقيلة الكترونات داخلية كثيرة تحجب حقل النواة. لذلك تكون الاسهل تأينا في عمود هذه العناصر هي الاثقل والسيزيوم مثلا هو المعدن الاثقل ولذلك يستخدم بكثرة في المختبرات والمجالات التقنية للحصول على بلازما حرارية.

يمكن ملاحظة ناقلية الغاز عند درجات الحرارة ما بين   . 2000-3000 cعند وجود ابخرة المعادن القلوية . وللحصول على بلازما كاملة التأين بالطريقة الحرارية يلزم تسخينه حتى درجات تقارب عشرات الاف الكلفن.

في الطبيعة نجد ان النجوم تتكون من البلازما الحرارية يمكن الحصول على بلازما ضعيفة التأين عالية الكثافة  في درجة الحرارة منخفضة نسبيا بطريقة حرارية باستخدام اضافات سهلة التأين فناقلية اللهب مثلا ترتبط قبل كل شيء بوجود شوائب المعادن القلوية فيها ( مثل الصوديوم الذي يجعل اللهب ذا اللون اصفر).

يعد الحصول على البلازما بواسطة الافراغ الكهربائي في الغازات اكثر الطرق انتشارا في المختبرات والاجهزة التقنية ومن الامثلة في الطبيعة نذر البرق ونذكر في التقنيات الشرارة الكهربائية، قوس فولطا توهجات مصابيح الضوء الغازية وغيرها كثير من اجهزة الانفراغ الغازي. تكمن آلية التأين في الانفراغ في حصول انهيار الكتروني (الشكل 1).

يشبه الانهيار تفاعل الانشطار في الكيمياء او تكاثر المكروبات عند انتشار العدوى ولكي يتعاظم الانهيار يلزم ان يكون الحقل الكهربائي المطبق قادرا على تزويد الالكترون خلال مساره الحر الوسطي بطاقة اكبر مما يلزم الانتزاع الكترون واحد من الذرة وهنا يكفي ان نزود الغاز من اي مصدر ثانوي بكمية ليست كبيرة من الالكترونات الحرة بحيث يمكنها بعد تسريعها في الحقل اقتلاع الكترونات جديدة وبذلك تتكاثر وفق متوالية هندسية وذلك تماما كما تستطيع كمية قليلة من مكروبات او الصادرة عن سطوح معدنية يمكن ان تحدث تأينا لكل الغاز محولة اياه الى البلازما .

اضف الى هذه الطرق في توليد البلازما وجود طرق اخرى اقل اهمية فمثلا من بين الطرق الممكنة في الحصول على البلازما النووية الحرارية تدرس طريقة الحقن حيث تسرع الايونات الغازية في مسرعات خاصة حتى سرعات عالية ثم تقذف الى مصيدة مغنطيسية فتجذب اليها الالكترونات من الوسط المحيط . مشكلة معها على الفور بلازما حارة.

هنالك ايضا التأين بالضغط وهي طريقة في فصل الالكترونات عن الذرات وهي ذات خصوصية معينة. عند كثافة عالية جدا تنتقل كل مادة الى حالة متحللة تندفع فيها الالكترونات الى سويات طاقية عالية فاذا كانت طاقة هذه السويات (سويات طاقة فيرمي) اكبر من طاقة التأين فان الحلقات الالكترونية تنكسر وتفصل الالكترونات                

الشكل (1) الانهيار الالكتروني (الدوائر. ذرات النقاط السوداء. الكترونات)

عن الذرات مثل هذه الظاهرة يمكن ان تحصل في النجوم عالية الكثافة جدا وهي الاقزام البيضاء وتحص في داخل الكواكب الهيدروجينية الكبيرة وحتى في نواة الارض حسب بعض الفرضيات.

في التجارب المتعلقة بانضغاط المادة بموجبات صدم متلاحقة امكن الحصول على ناقلية كهربائية تفسر على اساس التأين بالضغط لكن الكثافات اللازمة لهذا الغرض عالية جدا لدرجة ان المادة تصبح اكثر شبها بالمعدن منها الى البلازما ومن المستبعد ان تكون مثل هذه الظاهرة تابعة لفيزياء البلازما.

___________________________________

(1) في علم الاطياف تم الاصطلاح على ان الذرة المعتدلة يرمز لها بالرمز الكيميائي لعنصرها وعلى يمينه الرقم 1 بينما للأيون احادي الشحنة بالرقم 11 الى يمين الرمز الكيميائي.