პლაზმა

პლაზმა — აირი რომელიც მთლიანად ან ნაწილობრივ იონიზირებულია. დამუხტული ნაწილაკების არსებობა განაპირობებს იმას, რომ პლაზმა ელექტული დენის გამტარია, რის გამოც იგი ძლიერად რეაგირებს მასზე მოდებულ ელექტრომაგნიტურ ველებზე. პლაზმის თვისებები მნიშვნელოვნად განსხვავდება მყარი სხეულების, სითხეებისა და აირების თვისებებისგან, რის გამოც პლაზმა ნივთიერების განსხვავებულ მდგომარეობად განიხილება. აირების მსგავსად პლაზმას არ აქვს განსაზღვრული ფორმა ან მოცულობა, გარდა იმ შემთხვევისა, როდესაც ის რაიმე ჭურჭელში/კონტეინერშია მოთავსებული. აირებისგან განსხვავებით მაგნიტური ველის გავლენით პლაზმაში შესაძლებელია სხვადასხვა სტრუქტურების ფორმირება, როგორიცაა ფილამენტები, ნაკადები და ორმაგი შრეები. პლაზმის ტიპური მაგალითებია ალი, ელვა და მზე.

ბუნებაში პლაზმა ნივთიერების ყველაზე გავრცელებული მდგომარეობაა, როგორც მასით, ასევე დაკავებული მოცულობით. ხშირად ამბობენ, რომ პლაზმა სამყაროში არსებული ნივთიერების 99%-ზე მეტს შეადგენს. კოსმოსიდან მომავალი გამოსხივება თითქმის მთლიანად მოდის ვარსკვლავებიდან, რომლებიც წარმოადგენენ პლაზმას, რომელსაც ისეთი ტემპერატურა აქვს, რომ ხილულ სინათლეს ასხივებს. სამყაროში არსებული ნივთიერების უმეტესობა განთავსებულია გალაქტიკათაშორის სივრცეში (გალაქტიკათაშორისი ნივთიერება), რომელიც ასევე პლაზმის მდგომარეობაშია, თუმცა ვარსკვლავებზე გაცილებით მაღალი ტემპერატურისაა, რის გამოც ძირითადად რენტგენის დიაპაზონში ასხივებს. მეცნიერთა თანამედროვე შეხედულებით, სამყაროში არსებული სრული ენერგიის დაახლოებით 96% არ წარმოადგენს პლაზმას, ან ჩვეულებრივი ნივთიერების რაიმე სხვა ფორმას, არამედ შედგება ფარული მასისა და ფარული ენერგიისაგან. ყველა ვარსკვლავი წარმოადგენს პლაზმას, (გაუხშოებული) ნივთიერება ვარსკვლავებს შორის აგრეთვე პლაზმურ მდგომარეობაშია. მზის სისტემაში იუპიტერი არის ყველაზე დიდი "არაპლაზმური" ობიექტი (რომელიც მზის სისტემის მასის დაახლოებით 0.1%-ს შეადგენს).

უხეშად პლაზმა შეიძლება განიმარტოს, როგორც ელექტრულად ნეიტრალური ნივთიერება, რომელიც შედგება დადებითად და უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკებისგან. უფრო ზუსტი განმარტება გულისხმობს შემდეგი სამი კრიტერიუმის დაკმაყოფილებას^[1][2]:

1. პლაზმური მიახლოება: დამუხტულ ნაწილაკებს შორის საშუალო მანძილი უნდა იყოს საკმაოდ მცირე, რათა ყოველი ნაწილაკი განიცდიდეს მრავალი ახლომდებარე ნაწილაკის გავლენას (მხოლოდ ერთ/რამდენიმე ახლომდებარე ნაწილაკთან ურთიერთქმედების საპირისპიროდ). პლაზმური მიახლოება სრულდება, როდესაც რომელიმე ნაწილაკის გავლენის არეში (რომელსაც დებაის სფერო ეწოდება) მოქცეულია ბევრი ნაწილაკი, რაც დამუხტული ნაწილაკების მოძრაობის კოლექტიურ ხასიათს განაპირობებს (ასეთი კოლექტიური ეფექტები ნებისმიერი პლაზმის გამორჩეული თვისებაა). ნაწილაკების საშუალო რაოდენობა დებაის სფეროში განისაზღვრება უგანზომილებო სიდიდით, რომელსაც პლაზმური პარამეტრი ეწოდება.

1. შიდა ურთიერთქმედების პრიორიტეტი: დებაის რადიუსი მცირე უნდა იყოს პლაზმის მახასიათებელ ზომებთან შედარებით. ეს პირობა გულისხმობს, რომ ურთიერთქმედებები პლაზმის შიგნით დომინირებენ იმ ურთიერთქმედებებზე, რომლებსაც შეიძლება ადგილი ჰქონდეს პლაზმის საზღვრებზე. როდესაც ეს პირობა დაკმაყოფილებულია, მაშინ პლაზმა შეიძლება ჩაითვალოს კვაზინეიტრალურად.
2. პლაზმური სიხშირე: ელექტრონული პლაზმური სიხშირე უნდა იყოს დიდი ელექტრონ-იონების დაჯახების სიხშირესთან შედარებით. როდესაც ეს პირობა შესრულებულია, ელექტროსტატიკური ურთიერთქმედებები დომინირებენ გაზურ კინეტიკურ ურთიერთქმედებებზე.

სხვადასხვა ტიპის პლაზმის მახასიათებელი პარამეტრებს შეიძლება ჰქონდეთ ძალიან განსხვავებული მნიშვნელობები, თუმცა ამის მიუხედავად პლაზმის თვისებები შეიძლება ძალიან მსგავსი იყოს. ცხრილში მოცემულია სხვადასხვაგვარი პლაზმის მახასიათებელი პარამეტრები.

გარკვეული იონიზაცია აუცილებელია პლაზმის არსებობისთვის. პლაზმის სიმკვრივის ქვეშ როგორც წესი იგულისცმება ელექტრონების სიმკვრივე, ანუ თავისუფალი ელექტრონების რაოდენობა მოცულობის ერთეულში. პლაზმის იონიზაციის ხარისხი არის პლაზმაში დამუხტული ნაწილაკების კონცენტრაციის ფარდობა ნაწილაკების სრულ კონცენტრაციაზე და ძირითადად დამოკიდებულია პლაზმის ტემპერატურაზე. ისეთ ნაწილობრივ იონიზირებულ გაზსაც კი, რომელშიც ნაწილაკების მხოლოდ 1% არის იონიზირებული, შეიძლება გააჩნდეს პლაზმური თვისებები (ანუ აქტიურად რეაგირებდეს მაგნიტურ ველზე და ჰქონდეს მაღალი გამტარებლობა). იონიზაციის ხარისხი α განიმარტება როგორც α = n_i/(n_i + n_a) სადაც n_i არის იონების კონცენტრაცია, ხოლო n_a არის ნეიტრალური ნაწილაკების კონცენტრაცია. ელექტრონების კონცენტრაცია დაკავშირებულია იონების კონცენტრაციასთან იონების საშუალო მუხტის <Z>-ის მეშვეობით: n_e = <Z> n_i, სადაც n_e ელექტრონების კონცენტრაციაა.

პლაზმის ტემპერატურას როგორც წესი ზომავენ კელვინებში ან ელექტრონვოლტებში. უმეტესად ელექტრონები ახლო არიან თერმოდინამიკურ წონასწორობასთან, მაშინაც კი როდესაც არსებობს საკმაოდ ძლიერი გადახრა მაქსველის განაწილებიდან, მაგალითად პლაზმის ძლიერი გამოსხივების, ენერგეტიკული ნაწილაკების არსებობს ან გარეშე ელექტრული ველის არსებობის გამო. ელექტრონებისა და იონების მასებს შორის ძალიან დიდი განსხვავების გამო ელექტრონები აღწევენ თერმოდინამიკული წონასწორობის მდგომარეობას გაცილებით ადრე, ვიდრე ისინი მოვლენ წონასწორობაში იონებთან ან ნეიტრალებთან. ამ მიზეზის გამო იონური ტემპერატურა პლაზმაში შეიძლება მნიშვნელოვნად განსხვავდებოდეს ელექტრონული ტემპერატურისგან. ეს ეფექტი განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია ლაბორატორიულ პლაზმაში, რომელშიც ხშირად იონბის ტემეპერატურა გარემოს ტემპერატურის რიგისაა.

ელექტრონების, იონებისა და ნეიტრალების ტემპერატურების მიხედვით განარჩევენ თერმულ და არათერმულ პლაზმას. თერმულ პლაზმაში ელექტრონებისა და მძიმე ნაწილაკების ტემპერატურები ტოლია, ანუ სხვადასხვა ტიპის ნაწილაკები იმყოფებიან თერმოდინამიკურ წონასწორობაში, ხოლო არათერმულ პლაზმაში იონების ტემპერატურა განსხვავდება (როგორც წესი გაცილებით ნაკლებია) ელექტრონების ტემპერატურაზე.

(ელექტრონული) ტემპერატურა არის ძირითადი სიდიდე, რომელიც განსაზღვრავს პლაზმის იონზაციის ხარისხს. პლაზმას ზოგჯერ ეძახიან ცხელს თუკი იგი თითქმის მთლიანად იონიზირებულია, და ცივს თუკი იონიზაციის ხარისხი დაბალია.

რადგან პლაზმა კარგი გამტარია, ელექტრული პოტენციალი მასში მნიშვნელოვან როლს თამაშობს. პოტენციალს, რომელიც პლაზმაში არსებობს (იმის მიუხედავად, როგორ არის შესაძლებელი მისი გაზომვა) პლაზმის პოტენციალი ჰქვია. თუ პლაზმაში მოვათავსებთ გარკვეული პოტენციალის მქონე ელექტროდს, მისი პოტენციალიიქნება გაცილებით მცირე პლაზმის პოტენციაზე დებაის ეკრანირების გამო. კარგი გამტარებლობა უზრუნველუოფს, რომ პლაზმაში არსებული ელექტრული ველები ძალზე მცირეა. ეს შედეგი უკავშირდება ძალზე მნიშვნელოვან კვაზინეიტრალურობის ცნებას, რომლის მიხედვითაც პლაზმაში უარყოფითად დამუხტული ნაწიკების მუხტის სიმკვრივე დაახლოებით ტოლია დადებითად დამუხტული ნაწილაკების მუხტის სიმკვრივისა პლაზმის საკმაოდ დიდ მოცულობაში (n_e = <Z>n_i), თუმცა დებაის რადიუსის რიგის მანძილებზე შესაძლებელია არსებობდეს მუხტის დისბალანსი.

ელექტრული პოტენციალის მნიშვნელობა პლაზმაში არ შეიძლება განისაზღვროს მხოლოდ მუხტის სიმკვრივით. მის საპოვნელად ხშირად უშვებენ, რომ ელექტრონები ექვემდებარებია ბოლცმანის განაწილებას:

${\displaystyle n_{e}\propto e^{e\Phi /k_{B}T_{e}}}$.

ამ თანაფარდობის გაწარმოება საშუალებას გვაძლევს ვიპოვოთ ელექტრული ველი თუ ცნობილია მუხტის სიმკვრივე:

${\displaystyle {\vec {E}}=(k_{B}T_{e}/e)(\nabla n_{e}/n_{e})}$.

შესაძლებელია არსებობდეს პლაზმა, რომელიც არაა კვაზიანეიტრალური , მაგალითად ელექტრონული ჭავლები მხოლოდ უარყოფითად დამუხტულ ნაწილაკებს შეიცავენ, თუმცა ასეთი პლაზმის კონცენტრაცია საკმაოდ დაბალი უნდა იყოს. წინააღმდეგ შემთხვევაში ასეთი პლაზმა განეიტრალებული იქნება წარმოქმნილი ელექტროსტატიკური ძალების მეშვეობით.

ასტროფიზიკურ პლაზმაში დებაის ეკრანირება ხელს უშლის ელექტრულ ველებს პლაზმაზე პირდაპირი გავლენა მოახდინონ, თუმცა დამუხტული ნაწილაკების არსებობა და მათი მოძრაობა აგენერირებს მაგნიტურ ველებს, რომლებიც გავლენის ახდენენ პლაზმის დინამიკაზე. ასეთი ბმა იწვევს პლაზმის დინამიკის ძალიან რთულ ხასიათს, რომელიც გამოიხატება მაგალითად ორმაგი შრეების გენერაციაში. პლაზმისა და მის მიერ გენერირებული მაგნიტური ველების თვითშეთანხმებულ დინამიკას სწავლობს პლაზმის ფიზიკის დარგი მაგნიტური ჰიდროდინამიკა.

პლაზმა, რომელშიც მაგნიტური ველი იმდენად ძლიერია, რომ გავლენას ახდენს დამუხტული ნაწილაკების მოძრაობაზე, დამაგნიტებული ეწოდება. დამაგნიტების რაოდენობრივი კრიტერიუმი იმაში მდგომარეობს, რომ ნაწილაკმა უნდა შეასრულოს ერთი ბრუნი მაინც მაგნიტური ველის ძალწირის გარშემო, მანამ, სანამ იგი განიცდის ერთ დაჯახებას. (ანუ ω_ce/ν_coll > 1, სადაც ω_ce არის ელექტრონის ციკლოტრონული სიხშირე, ხოლო ν_coll არის ელექტრონების დაჯახების სიხშირე). ხშირად ხდება ისე, რომ ელექტრონები არიან დამაგნიტებული, ხოლო იონები არიან დაუმაგნიტებელი. დამაგნიტებული პლაზმა ანიზოტროპულია: მისი თვისებები მაგნიტური ველის პარალელურად და მის პერპენრიკულარულად განსხვავებულია. პლაზმაში ელექტრული ველი როგორც წესი ძალიან მცირეა მაღალი გამტარებლობის გამო, ხოლო პლაზმა, რომელიც მოძრაობს მაგნიტურ ველში განიცდის E = -v x B (სადაც E ელექტრული ველია, v სიჩქარეა და B მაგნიტური ველია), ველის მოქმედებას, რომელიც არ ექვემდებარება დებაის ეკრანირებას.^[4].

პლაზმა ხშირად ნივთიერების მეოთხე მდგომარეობას უწოდებენ. ის განსხვავდება ნივთიერების დამარჩენი, დაბალენერგიული მდგომარეობებისგან, როგორიცაა აირადი, თხევადი და მყარი სხეულის მდგომარეობები. მიუხედავად იმისა, რომ პლაზმა საკმაოდ ჰგავს აირად მდგომარეობას (იმითი, რომ ვერცერთი მათგანი ვერ ინარჩუნებს ვერც გარკვეულ ფორმას და ვერც მოცულობას), ეს ორი მდგომარეობა ერთმანეთისგან მნიშვნელოვნად განსხვავდება:

მიუხედავად იმისა, რომ პლაზმის აღმწერი განტოლებები შედარებით მარტივია, პლამური მოვლენების დინამიკა უაღრესად მრავალფეროვანია. მარტივ მოდელებში მოულოდნელი მრავალფეროვნება კომპლექსური სისტემების დამახასიათებელი თვისებაა. პლაზმისთვის ხშირად მახასიათებელია სხვადასხვა ზომის მრავალფეროვანი სტრუქტურების ფორმირება.