Dünya Forum... Plazma: Görünen evrenin yüzde 99’luk parçası
Plazma, maddenin dördüncü hali olarak kabul edilir, maddenin diğer temel halleriyse sıvı, katı ve gaz formundadır. Plazma bir lazer, mikrodalga jeneratörü veya herhangi bir güçlü elektromanyetik alan kullanılarak üretilebilir. Bir plazma, yaklaşık olarak eşit sayıda pozitif yüklü iyon ve negatif yüklü elektronlardan oluşan sıcak iyonize bir gazdır. Plazmaların özellikleri sıradan nötr gazlardan önemli ölçüde farklıdır.
Plazma, atomik elektronlar herhangi bir atom çekirdeğine bağlanana kadar gaz fazının enerji verdiği bir madde halidir. Plazmalar pozitif yüklü iyonlar ve bağlanmamış elektronlardan oluşur. Bir gazın iyonize edilene kadar ısıtılmasıyla veya güçlü bir elektromanyetik alana maruz bırakılmasıyla üretilebilir.
Plazmanın ilk bilimsel tanımı, 1879 yılında İngiliz mucit ve bilim insanı Sir William Crookes tarafından, bir Crookes katot ışın tüpünde ‘radyant madde’ olarak adlandırdığı şeye atıfta bulunmasıyla ortaya çıktı. İngiliz fizikçi Sir J.J. Thomson’ın bir katot ışın tüpü ile yaptığı deneyler, atomların pozitif (proton) ve negatif yüklü atom altı parçacıklardan oluştuğu bir atom modeli önermesine yol açtı. 1928 yılında Irving Langmuir maddenin bu biçimine ismini verdi: ‘Plazma’ terimi, ‘jöle veya kalıplanabilir malzeme’ anlamına gelen Yunanca bir kelimeden geliyordu.
Plazma, katılar, sıvılar ve gazlar ile birlikte maddenin dört temel durumundan biri olarak kabul edilir. Diğer üç madde durumu günlük hayatta yaygın olarak görülürken, plazma nispeten nadirdir.
PLAZMANIN KÂŞİFİ WILLIAM CROOKES
17 Haziran 1832’de Londra’da doğan ve 4 Nisan 1919’da ölen fizikçi ve kimyager William Crookes, kimyasal bir element olan talyumu ve radyant maddeyi keşfetti; kendisi yorulmaz bir bilim insanı ve yaratıcı bir mucitti. Onun döneminde ‘Crookes (katot ışını) tüpü’, tüm deneysel laboratuvarların bir parçası haline geldi ve elektronun ve fotoelektrik etkinin keşfine yardımcı oldu. İngiliz bilim insanı, atom fiziğinin gelişmesine temel olan katot ışınlarıyla ilgili çalışmaların öncülüğünü yaptı. Kendisi, 19'uncu yüzyılın en büyük bilim adamlarından biri olarak kabul edilir. William Crookes, Londralı bir terzinin on yedi çocuğunun en büyüğüydü. Gençliğinde Royal College of Chemistry’de (Kraliyet Kimya Koleji) okudu. Kısa süre sonra öğretmeni August Wilhelm von Hofmann’ın asistanı oldu. Mezuniyetinin ardından Oxford Gözlemevi’nde asistan oldu ve bir yıl sonra Chester Üniversitesi Kimya Bölümü’nü kazandı. Uygulamalı yüksek lisansını tamamladıktan sonra, Londra’da kendi araştırma laboratuvarını açtı ve 1859-1906 arasında çığır açan kimyasal araştırmalar gerçekleştirdi.
Yaptığı birçok araştırma arasında, 1861’de, kaba bir selenyum parçasının emisyon spektrumunu inceleyerek, yeni bir kimyasal element olan Talyum’un izole edilmesine ve kimyasal özelliklerinin incelenmesine izin veren parlak, yeni bir yöntem geliştirdi. 1879’da ‘radyant madde’ olarak adlandırdığı yeni bir maddenin varlığını teyit etmeyi başardı bu keşfi kendisine Fransa Bilimler Akademisi’nden bir madalyanın yanı sıra 3 bin franklık bir para ödülü kazandırdı. Crookes ayrıca bir vakum tüpü içindeki elektrik boşalımlarını inceledi ve katot ışınlarının düz bir çizgide seyahat ettiğini ve manyetik alanlarla etkileşime girdiğini keşfetti. Bunların tamamının negatif elektrik yüklü parçacıklar olduğu sonucuna vardı. Bu keşiften yirmi yıl sonra, J.J. Thomson onları ‘elektron’ adıyla tanımlayacaktı.
Crookes’un bilimsel çabaları, tekstil endüstrisi için kimyasal boyalardan antiseptiklere kadar çok sayıda nesneyi icat etmesine yol açtı. Radyoaktif elementlerden alfa parçacıklarının salımını tespit etmek için ‘espintariscopio’yu icat etti. Endüstriyel elmasların elde edilmesini araştırdı, pancar şekerinin elde edilmesini inceledi. Yaşamı boyunca plazmadan dezenfektanlara varıncaya dek onlarca farklı kimya ve fizik alanında araştırmalar ve icatlar ortaya koydu.
TEMEL ÖZELLİKLER VE SINIFLANDIRMA
Plazma, bir anlamda içinde bulunduğu kabın biçimine ve hacmine göre şekil alan gaza benzer. Bununla birlikte, parçacıkları elektrik yüklü olduğundan, plazma gaz gibi serbest hareket etmez ve genellikle bir gazdan çok daha düşük bir basınca sahiptir. Madde plazma halindeyken karşıt yükler birbirini çeker ve bu durum plazmanın genel bir şekli veya akışı korumasına neden olur. Plazma, yüklü parçacıklardan oluştuğu için, elektromanyetik alanlara tepki verir ve elektrik iletir. Buna karşılık, çoğu gaz elektriği iletmez.
Plazma bir manyetik alana maruz kaldığında, katmanlar, filamentler ve kirişler de dahil olmak üzere yapılar oluşturabilir. Bu yapılardan bazılarının en bariz örneği bir plazma topunda görülebilir. Maddenin dördüncü hali, atomların iyonlaşmasının bir sonucudur. Atomların tümünün veya bir kısmının iyonize edilmesi mümkün olduğundan, farklı iyonlaşma dereceleri vardır. İyonlaşma seviyesi, esas olarak sıcaklık ile kontrol edilir ve sıcaklığın arttırılması iyonizasyon derecesini de arttırır. Parçacıkların yalnızca yüzde birinin iyonize edildiği madde, plazmanın özelliklerini gösterebilir, ancak plazma haline gelmez.
Plazma halindeyken, parçacıkların neredeyse tamamı iyonize edilirse ‘sıcak’ veya ‘tamamen iyonize’ diye sınıflandırılır; eğer moleküllerin küçük bir kısmı iyonize edilirse ‘soğuk’ veya ‘eksik iyonize’ diye nitelendirilir. ‘Soğuk’ plazmanın sıcaklığı ise binlerce santigrat gibi inanılmaz derecelere ulaşabilir.
Plazmayı sınıflandırmanın başka bir yolu ‘termal’ veya ‘termal olmayan’ biçimindedir. Termal plazmada, elektronlar ve daha ağır parçacıklar termal dengede veya aynı sıcaklıktadır. Termal olmayan plazmada, elektronlar iyonlardan ve nötr parçacıklardan çok daha yüksek bir sıcaklıktadır.
Plazmaların bir diğer özelliği, manyetik alanlar yardımıyla sabit tutulabilmeleridir. Çoğu füzyon araştırması yalnızca bunu yapmaya odaklanmıştır. Füzyon koşullarını yaratmak için, milyonlarca derecelik aşırı sıcak plazmaya ihtiyaç vardır. Hiçbir malzeme onu tutamayacağı için, bilim insanları ve mühendisler bu işi gerçekleştirebilmek amacıyla manyetik alanları kullanırlar.
‘PLAZMA EVRENİ’
Gözlemlenebilir evrendeki maddenin neredeyse tamamının plazma durumunda olduğu tahmin ediliyor. Bu nedenle ona ‘plazma evreni’ demek doğru olabilir. Yıldızlar, yıldız ve galaksiler arası jet akımları ve yıldızlararası ortam, astrofizik plazmaların sayısız örnekleriyle doludur. Güneş sistemimizde, Güneş, gezegenler arası uzay, Dünya’nın ve diğer gezegenlerin manyetosferleri veya iyonosferleri ile kuyrukluyıldızların iyonosferleri ve bazı gezegensel uyduların tamamı plazmadan oluşur.
Uzay fizikçilerinin ilgilendiği plazmalar son derece zayıftır; yoğunlukları, laboratuvardaki vakumlu tüplerde elde edilenlerden önemli ölçüde daha düşüktür. En iyi laboratuvar vakumundaki plazmanın yoğunluğu, santimetre küp başına yaklaşık 10 milyar parçacıktır. Buna karşılık, en yoğun manyetosferik plazma bölgesinin yoğunluğu, ‘iç plazmasfer’, santimetre küp başına sadece bin parçacıktır; plazma tabakasının yoğunluğu ise santimetre küp başına bir parçacıktan daha azdır.
Buna karşın, uzay plazmalarının sıcaklıkları aşırı derecede yüksektir; plazmasferde birkaç bin santigrat dereceyken bir plazma akımında birkaç milyon dereceye kadar yükselebilir. İyonosfer ve plazmasferin ‘soğuk’ plazmalarının sıcaklıkları tipik olarak Kelvin derecelerinde verilirken, ‘sıcak’ manyetosferik plazmaların sıcaklıkları, daha yaygın olarak, ‘elektron voltları’ ile ölçülen parçacıklarının ortalama kinetik enerjileri açısından ifade edilir. ‘Bir elektron volt’ (eV), bir elektronun, 11 bin 600 derece Kelvin’e eşdeğer olan enerjisini ifade eder.
Manyetosferik plazmalar genellikle ‘soğuk’ veya ‘sıcak’ biçiminde tanımlanır. Bu nitelemeler oldukça öznel olmasına rağmen, uzay fiziği literatüründe yaygın biçimde kullanılır. Kural olarak, yaklaşık 100 eV’den daha düşük sıcaklıklara sahip plazmalar ‘soğuk’, 100 eV ile 30 keV arasında değişen sıcaklıklara sahip olanlar ‘sıcak’ olarak kabul edilebilir.
BAZI PLAZMA ÖRNEKLERİ
Plazma topu, eğlence amaçlı plazmalara tipik bir örnektir. Ayrıca neon ışıklarında, plazma ekranlı televizyonlarda, kaynak makinelerinde ve Tesla bobinlerinde üretilir. Plazmanın doğal örnekleri arasında yıldırımlar, kutup ışıkları, atmosferin iyonosfer tabakası ve elektrik kıvılcımları bulunur.
Dünyada sıklıkla görülmese de, plazma (karanlık madde hariç) evrendeki en bol madde şeklidir. Yıldızlar, Güneş’in iç kısmı, Güneş rüzgârı ve koronası tamamen iyonize plazmadan oluşur. Bunların yanı sıra bir kuyruklu yıldızın kuyruğunda ve nükleer bir patlamanın yarattığı ateş topunda plazma bulunur. Yıldızlararası ortam ve galaksiler arası ortam da plazma içerir.
Gündelik hayatta kullanılan plazma teknolojisi basit bir fiziksel prensibe dayanır. Madde, enerji verildiğinde halini değiştirir: Katılar sıvı hale gelir ve sıvılar gaz haline gelir. Bir gaza daha fazla enerji verilirse iyonize olur ve maddenin dördüncü hali ve enerji açısından zengin olan plazma durumuna geçer.
Evrendeki görünür maddenin yüzde 99’undan fazlası plazma halindedir. Dünya üzerindeki doğal formunda, Arktik bölgede ve Antarktika’da yıldırım veya ‘aurora borealis’ formunda görülebilir. Bir güneş tutulması sırasında, plazma Güneş etrafında parlak bir ışık çemberi (korona) olarak gözlemlenebilir.
Plazma, yüksek, dengesiz bir enerji seviyesi ile maddeyi farklılaştırır; plastik ve metal gibi katı malzemelerle temas ettiğinde enerjisi yüzeylere etki eder ve yüzey enerjisi gibi önemli özellikleri değiştirir.
Kullanımı ve entegre edilmesi kolay olan plazma teknikleri, otomobil mühendisliği, nakliye, elektronik imalatı, ambalaj teknolojisi, tüketim malları, sağlık bilimleri, tekstil ve yeni enerji biçimleri de dahil olmak üzere endüstrinin hemen hemen tüm alanlarında uzun yıllardan beridir kullanılmaktadır.
Plazmalar ayrıca birçok bilimsel alan, özellikle füzyon reaktörleri bağlamında kapsamlı bir şekilde araştırılmaktadır. Bu amaçla, yıldızlara güç veren süreçle aynı biçimde Helyum üretmek için hidrojen atomlarını kaynaştırmak amacıyla yüksek enerjili plazmalar yaratılır. Bu tür reaktörlerde, plazma, nükleer füzyonun meydana gelebileceği bir ortama sahip olan bir yıldızdaki yüksek sıcaklık, yüksek basınç koşullarını taklit eder.
Kaynaklar:
https://www.thoughtco.com/definition-of-plasma-605524
https://www.plasmatreat.com/plasma-technology/what-is-plasma.html
https://www.livescience.com/54652-plasma.html