Maddenin Plazma Hali By: anderameda Date: September 25, 2008, 11:45:09 AM
Maddeyi oluşturan atomların enerjisi bakımından plazma; katı, sıvı ve gaz hallerinden farklı olarak maddenin dördüncü halidir. Gaz halindeki bir maddeye yeterli enerji verilirse maddenin dördüncü hali plazma üretilebilir. Örneğin atmosfer basıcında su 100oC’ye ısıtılırsa buharlaşır ve gaz haline gelir. Su buharı 100.000oC’nin üzerine ısıtılırsa plazma haline getirilebilir. Plazma; maddeye ısı enerjisi gibi elektrik, ışık, nükleer veya kimyasal enerji verilerek de üretilebilir. Plazma için iyonlaşmış gaz tanımı yapılsa da bu tamamıyla doğru değildir. Plazmanın en önemli özelliği yüklü parçacıklardan oluşmasına rağmen sanki yüksüz gibi davranmasıdır. Bununla birlikte bir sistemin plazma olabilmesi için birim hacimde kritik değerde yüklü parçacık olması gerekir. Bu çalışmada plazmanın tanımı ve plazma yoğunluğu, plazma sıcaklığı, plazma frekansı, debye uzunluğu, plazma frekansı, plazma kılıfı gibi bazı önemli plazma parametreleri açıklanmıştır. Bununla birlikte maddenin dördüncü hali olan plazma haline sahip olmak için gerekli üç temel şart bazı sayısal değerlerle verilmiştir. Son olarak plazma haline en yakın hal olan gaz hali ile plazma hali arasındaki farklar açıklanmıştır.
M.Ö. filozofları, tüm evrenin toprak, su ve havadan oluştuğunu söylemişlerdir. Bunların, maddenin katı, sıvı ve gaz halinde olduğunu da şüphesiz bilmekteydiler. Ancak ateşi herhangi bir sınıflandırmaya koyamıyorlardı ve yalnızca enerjinin bir hali olarak düşünüyorlardı. Ateşin ne olduğunu anlamamız biraz uzun sürse de bugün ateşin maddenin dördüncü hali plazma olduğu bilinmektedir. Plazmayı daha yakından görmek istiyorsanız daha önce pek çok kez yaptığınız gibi bir kibrit ya da çakmak yakın ve daha yakından inceleyin. Eğer imkanınız varsa, bir mum alevini iki plaka arasına yerleştirip bu plakalara dc voltaj uygulayın. Mum alevinin uygulanan voltaj doğrultusunda saptığını göreceksiniz (Mum alevinin uç kısmı eksi kutuba, alt kısmı ise artı kutuba yönelir). Hatta bu plakalara ac voltaj uygulayarak muhteşem bir plazma hareketi izleyebilirsiniz. Günlük hayatta ateş gibi çok bildiğimiz floresan lambalar, büyük restoran ve eğlence yerlerinde kullanılan neon lambalar, şehirlerin gece aydınlatılmasında kullanılan sarı renkli sodyum lambaları da plazmadır. Az bildiğimiz fakat çok kullandığımız plazma, içinde bulunduğumuz evrenin % 99' unu oluşturmaktadır. Yerin yaklaşık 50-300 km üzerinde bulunan kısmi olarak iyonlaşmış gaz bölgesi olan atmosferin katmanlarından iyonosfer, 106 cm-3 elektron yoğunluğuna ve 0.1 eV elektron sıcaklığına sahip bir plazmadır. 1 eV yaklaşık 11600 oK’ dir. Yerin manyetik alanı tarafından yüksek mesafelerde tuzaklanmış, enerjitik iyonlaşmış parçacıkların Van Allen kuşakları, güneşten kopan plazmaların atmosferin üst katmanlarında oluşturduğu ve genelde kutuplarda gözüken ve kutup ışıkları olarak da bilinen Aurora, güneşin dış atmosferindeki korona kısmından yüksek sıcaklıklar nedeniyle kopup evrene dağılan yüklü parçacıkların sürekli şekilde akışı olan elektron yoğunluğu 5 cm-3 ve elektron sıcaklığı 50 eV olan güneş rüzgarları ve hemen hemen her yağmurlu günde gördüğümüz şimşek, evrende doğal olarak oluşan plazmalardır. Yıldızlar arası ortam nebulalar ve gaz bulutlarından oluşmuştur. Bu nebulalar yeni yıldızların oluşmasına neden olurlar ve plazma halindedirler. Yıldızlar arası ortamı oluşturan gaz bulutları 1 cm-3 kadar yüksek yoğunluklu, hidrojen plazması içerir. Güneş ve yıldızların yüzey sıcaklıkları 5.000 °K' den 70.000 °K' e kadar değişmektedir ve bunlar tümüyle plazmadan oluşurlar. Dış kısımları kısmi olarak iyonlaşmışken, iç kısımları % 100 iyonlaşacak kadar sıcaktır. Örneğin güneşin merkezindeki sıcaklık 2 keV civarındadır [2]. Evren, galaksiler ve galaksiler arası ortamdan oluşmaktadır. Galaksiler, yıldızlar ve yıldızlar arası ortamdan oluşmaktadır. Yıldızlar arası uzayda dünyamız gibi bir süpernova patlaması sonucu oluşmuş ve plazma halinde olmayan soğuk gezegenler, evrenin ancak %1’ni oluştururlar.
Güneş, yıldızlar ve yıldızlararası ortamın plazma halinde olması Büyük Patlama (Big-Bang) teorisine de başka bir bakış açısı getirmiştir. Big-bang kozmonoglarına göre evrenin var oluşu, "ylem" ile başlar. Ylem kelimesi ilk olarak filozof Aristotle tarafından, "Bütün elementlerin kendisinden türediği ilk orijinal madde" anlamında kullanılmıştır. Son derece küçük olan bu kararsız top, çok yüksek şiddetle patladı ve tüm zamanların en büyük patlaması gerçekleşti. Evreni oluşturan madde öylesine sıcaktı ki, her şey plazma halindeydi. Yani başlangıçta plazma, maddenin ilk haliydi. Evrenimizin genişleme sürecinde madde soğudu ve böylece plazmanın bir kısmı gaz haline dönüştü; soğumaya devam etti ve su haline dönüştü ve son olarak katı haline dönüştü.
2. PLAZMANIN TANIMI
Plazma; bütünüyle elektriksel olarak nötral olan ve rasgele doğrultularda hareket eden pozitif ve negatif yüklü parçacıklar topluluğudur. Plazma içindeki yüklü parçacıklar birbirinden bağımsız hareket ederken, sistem bütünüyle sanki yüksüzdür. Bu nedenle plazma içindeki parçacıkların hareketi bireysel değil kollektiftir.
Bilindiği gibi termal dengedeki katı bir madde, genelde sabit bir basınçta, sıcaklığının arttırılması ile sıvı haline geçer. Sıcaklık biraz daha arttırılırsa sıvı, gaz haline geçer. Yeterince yüksek bir sıcaklıkta gaz içindeki moleküller, rasgele doğrultularda serbestçe hareket eden gaz atomlarını oluşturmak için ayrışırlar. Eğer sıcaklık daha fazla arttırılırsa gaz atomlarından bir ya da birkaç elektron kopar ve gaz atomları serbestçe hareket eden yüklü parçacıklara (pozitif iyonlar ve elektronlar) ayrışarak maddenin dördüncü hali "PLAZMA" oluşur. Plazma halinde, maddenin atomları parçalanmıştır ve sürekli hareket halinde olan pozitif yüklü iyonların ve elektronların oluşturduğu bir sistem haline gelmiştir. Plazma içinde aynı zamanda elektronlar, fotonlar, uyarılmış atomlar veya moleküller, radikaller, metastable atomlar, nötral atom veya moleküller de vardır [3].
3. PLAZMANIN ÖZELLİKLERİ
Bazı özellikler plazmayı karakterize eder ve bu özellikler plazmayı katı, sıvı ve gazlardan ayırt eder. Plazmanın en önemli ve diğer hallerden farklı özelliği, plazmayı oluşturan parçacıkların yüklü olması ve bu yüklü parçacıkların Coulomb kuvvetleri ile birbirlerine etki etmesidir. Plazma içindeki her parçacık komşusu bulunan her parçacığa ve hatta kendisinden daha uzakta bulunan parçacıklara aynı zamanda etki eder. Bu nedenle plazma içindeki parçacıklar sürekli birbirleriyle etkileşerek kollektif bir davranış içindedirler. Plazma içindeki yüklü parçacıkların difüzyonu bundan dolayı elektronların ve iyonların bireysel difüzyon katsayıları ile değil, ambipolar difüzyon katsayısı ile verilir [4]. Şekil 3 ile maddenin hal değişimi, maddenin sıcaklığının arttırılması ile açıklanmıştır. Plazma, maddeye ısı enerjisi verilmesi ile elde edildiği gibi başka yöntemlerle de elde edilebilir. Bu farklı üretim yöntemleri laboratuar plazmalarının farklı isimlerle anılmalarına neden olur. dc elektriksel deşarj, ac elektriksel deşarj, rf deşarj, mw deşarj, puls deşarj, dielektrik bariyer deşarj gibi farklı üretim mekanizmalarına ve farklı özelliklere sahip plazmalar vardır. Şekil 4’te Osmangazi Üniversitesi Plazma Fiziği Laboratuar’ında üretilen bazı plazmaların fotoğrafları verilmiştir.
Plazmalar üretim yöntemlerine göre sınıflandırılabildiği gibi, plazması elde edilen gazın basıncına, parçacık yoğunluğuna, iyonlaşma derecelerine göre de sınıflandırılabilir. En genel sınıflandırma, plazma içindeki parçacıkların sıcaklığına göre yapılır. Buna göre plazmalar Toplam Termodinamik Dengede Olan Plazmalar (TTD Plazmaları), Lokal Termodinamik Dengede Olan Plazmalar (LTD Plazmaları) ve Lokal Termodinamik Dengede Olmayan Plazmalar (Non-LTD Plazmalar) olarak üç gruba ayrılır [5]. Bu sınıflandırmayı, plazma içindeki parçacıkların tanımlanması ve bazı plazma parametrelerinin açıklaması ile birlikte yapalım.
Plazma Yoğunluğu: Moleküler gazların karışımında oluşturulan plazma, çok sayıda nötral ve yüklü parçacıklar içerir. Plazma içinde birbirinden ayırt edilebilen her bir parçacık grubu “türler” olarak ifade edilir. Bu türlerden, ne ; elektron yoğunluğu ve ni ; iyon yoğunluğu olarak ifade edilir. Plazma, “yaklaşık olarak nötral” özelliğe sahip olduğu için,
ni ne n
dir. Burada n; “Plazma Yoğunluğu” olarak tanımlanır [5].
