Plazma Fiziği

Plazma Nedir?

Evrende madde dört halde bulunur. Bunlar katı, sıvı, gaz ve plazma halidir. Mikroskobik açıdan plazma, sürekli hareket eden ve etkileşen yüklü parçacıklar topluluğu olarak ifade edilir. Plazma içinde nötral atom yada moleküllerin olması plazma halini değiştirmez.

Plazmanın birim hacim içindeki negatif yüklü parçacıkların sayısı (genelde elektronlar) pozitif yüklü parçacık sayısına (genelde iyonlar) yaklaşık olarak eşit olduğundan, plazma elektriksel olarak nötraldir.

İlk bakışta plazma halinin, özellikleri açısından gaz halinden çok farklı olmadığı izlenimi oluşmaktadır. Oysaki plazma çok önemli özelliklere sahiptir. Plazmanın temel karakteristik özellikleri aşağıda verilmiştir,



1) Yukarıda açıklandığı gibi plazma elektriksel olarak nötraldir ve plazma çok iyi bir iletkendir. Bazen gümüşün ve bakırın iletkenliğinden 102 kat daha fazla iletkenlik gösterebilmektedir.



2) Plazmanın içinde bir noktada bir pertürbasyon oluşursa, bu pertürbasyonun etkisi tüm plazmaya elektromagnetik dalga hızı ile taşınılır. Gaz halinde bu taşınım, akustik dalgaların hızıyla, akustik sinyalin taşınımına benzer. Gazların taşını mı sırasında parçacıklar arasındaki çarpışma kısa mesafelidir. Plazmanın taşınımı durumunda ise yüklü parçacıklar arasındaki etkileşim elektromagnetik dalgalar yardımıyla uzun mesafede olur.



3) Plazma elektriksel olarak nötral olmasına rağmen elektrik ve magnetik alanlarla etkileşebilirler.



4) Plazma koşullarındaki kimyasal reaksiyonlar (plazma-kimyasal reaksiyonlar), gaz fazındaki kimyasal reaksiyonlardan büyüklük mertebesi açısından çok daha hızlıdır.



Evrende en çok bulunan hal plazma halidir ve evrenin %99’undan fazlası plazma halindedir. Evrende ki tüm yıldızlar, Güneş, Gezegenler ve gezegenler arası boşluklar, üzerinde yaşadığımız dünyamız plazma halinden başlayarak bu günkü hallerini almışlardır. Gerçekte plazma hali bir maddenin ilk halidir. Plazma, doğal olarak kendisi ile, çevresi, elektrik ve magnetik alanlarla etkileşim biçimleri açısından kendine özgü niteliklere sahiptir. Plazma, iyonlar, elektronlar, yüksüz atom ve moleküller ile fotonlar dan oluşan, bazı atomlar iyonlaşırken bazı iyonların elektronlarla birleşip atoma dönüştüğü, protonların sürekli olarak bir yandan ortaya çıktığı bir yandan da soğutulduğu bir karışım olarak düşünülebilir.



Dünyamızda bulunan maddelerin büyük çoğunluğu katı, sıvı ve gaz hallerindedirler. Maddenin plazma hali örneğin, yıldırımda, mum alevinde, kutup ışığında ve neon lambaları gibi elektrik boşalmalı lambalarda gözlenir.



Plazmanın temel bir farka karşın gazlarla ortak belli sayıda mekanik özelliği vardır: Coulomb çekim ve ritimleri çok uzaklarda etkili olduğundan plazmanın her parçacığı diğeri ile sürekli olarak etkileşim halindedir.



İlginç bir farklılık olarak gazların boşalan her şeyi doldurma özelliği varken plazmanın ise, toplaşma özelliği görülebilir. Bir magnetik alanın etkisi ile elektrikli tanecikler alan çizgilerini etrafında helisel yörüngeler çizerek harekete başlar.
Maddenin 4. hali plazma

Düşen ve Çakan Plazma Şiddetli gök gürültülerinin eşliğinde bardaktan boşanırcasına yağan yağmuru yüksekçe bir evin penceresinden seyretme fırsatını yakaladıysanız, hele bir de üstüste çakan şimşekler karşınızdaki bulutların arasında meydana geliyorsa, en pahalı havai fişek gösterilerinin yanında sönük kaldığı muhteşem bir ışık gösterisine şahit olursunuz.
Bu ışık gösterisi büyüleyici olduğu kadar ürkütücü hâli ile de Yaratıcı'nın celâl ve cemâl sıfatını aynı anda sergiler. Bulutların sürtünme ile elektriklenmesinden kaynaklanan bir elektrik boşalması olduğu herkesçe bilinen şimşek ve yıldırım, yüz milyonlarca voltluk potansiyel farkı sıfırlanana kadar yaklaşık 20.000 Amperlik bir akım şiddetinde ve aktığı kanalda 30.000 Kelvin (K)'lik bir sıcaklık meydana getirerek akar ve bu olay bir saniyeden daha kısa sürer. Bu yüzden yıldırımın ürkütücü yanının küçümsenmemesi ve gereken yerlerde tedbir alınması yerinde bir harekettir.

Yıldırım, bulut ile yeryüzü arasındaki potansiyel farkı havayı delecek bir büyüklüğe (delinme gerilimi) ulaştığı anda meydana gelir. Bu anda akım şiddeti çok yüksek olduğundan, boşalma elektrik arkı şeklindedir.

 Buluttaki negatif yüklü serbest elektronlar ve yerdeki pozitif yüklü iyonlar bulutla yer arasındaki potansiyel farkını sıfırlamak için birbirine doğru büyük bir hızla harekete başlar. Elektronlar iyonlardan çok daha küçük olduklarından hızları çok yüksektir. Bu yüzden iki akım yere oldukça yakın bir yükseklikte birleşirler. Elektronların buluttan yere doğru hareketi ile birlikte akımın geçtiği yol boyunca iyonizasyon süreci başlamış olur.

Elektronlar hızla çarptıkları hava atomlarından bazen elektron koparırken, bazen de bu elektronlar iyonlar tarafından yakalanırlar ve iyon nötral atom hâline gelir. İşte yıldırımın parlak ışığı, iyonlarca yakalanan bu elektronların fazla enerjilerini fotonlar şeklinde dışarıya neşretmesi neticesi oluşur.

Böylece yıldırımın aktığı yol; nötral atom ve moleküller, uyarılmış atom ve moleküller, pozitif iyonlar, elektronlar ve fotonlardan oluşan çok sıcak bir gaz çorbası hâline gelir. Bu ideal gaz kanunu sağlayan bir hâl olmasına rağmen; gaz hâlinden çok farklı özellikler taşıdığından, maddenin dördüncü hâli olarak kabul edilir ve "plazma" hâli olarak bilinir.

Yıldırım örneğine bakarak plazma hâlini gaz hâlinden ayıran önemli özellikleri hemen görebiliriz. Bunlar çok yüksek sıcaklık ve elektrik iletkenliğidir. Bütün maddelerin gaz hâli yalıtkan olduğu hâlde, plazma hâli elektriği son derece iyi iletir. Hattâ bu iletkenlik katı iletkenlerden de daha iyidir, çünkü plazma hâli tamamen serbest elektronlara sahiptir. Yıldırım, bu olağanüstü özellikleri ile günlük hayatımızda kullandığımız fluoresan ve neon lâmbalarına ve metallerin kaynak edilmesinde kullandığımız elektrik arkına ilham kaynağı olmuştur. Son olarak, ark oluşması, yani plazma hâli ile elektrik boşalması oluşabilmesi için gereken "delinme gerilimi" miktarına bir örnek verelim: Bu değer 1 cm hava aralığı için 30.000 Volttur. Ancak lâmbalarda daha düşük delinme gerilimine sahip neon, cıva buharı gibi gazlar kullanılır.

Çak Bir Plazma
Eğer "ben plazmaya daha yakından bakmak istiyorum" diyorsanız, yapmanız gereken çok basit. Kibriti elinize alın ve çakın. İşte pırıl pırıl alevi ile plazma karşınızda duruyor. Evet alev de bir plazma hâlidir. Alevin kibritteki sıcaklığı kibritin elinizle söndürebileceğiniz kadar düşük olabileceği gibi Güneşin çekirdeğindeki gibi milyonlarca santigrad kadar yüksek de olabilir.
Plazma hâli sadece elektrikî gerilim altında oluşmaz. Gaz hâline gelen bir maddeyi çok yüksek sıcaklıklara ısıtırsanız; enerji alanı elektronlar çekirdeklerinden kurtulur ve gaz plazma hâline geçer.
Sıcaklık güneş çekirdeğindeki gibi çok yüksek ise; atomlar tüm elektronlarını kaybetmiş hâlde bulunabilirler. Bizim günlük hayatımızda kullandığımız alev nispeten düşük sıcaklıktadır. Ancak burada düşük sıcaklıktaki alevin enerjisi ile ısınma ve yemek pişirme gibi ihtiyaçlarımızı giderdiğimizi unutmayalım. Bu arada çaktığınız kibrit bitmek üzere. En iyisi siz onunla bir mumu tutuşturup plazmayı öyle seyredin. Mumun alevi de düşük sıcaklıkta bir plazma hâlidir.

Ancak "bu sıcaklık bana yetmez" demeyin. Yıllar önce merhum Barış Manço'nun bir programında konuk ettiği bir grup insan masanın etrafına oturmuş, mum alevi ile altını ergiterek zincir yapıyorlardı. Altın 1066 oC'de ergir. Mumun normal alevi ile altın ergitmeniz mümkün değildir. Altın işleyen bu insanlar ağızlarındaki ince bir boru ile üfleyerek mumun alevini küçültüyorlardı. Bu şekilde küçülerek mavileşen alevin sıcaklığı artıyor ve altını ergitebilecek sıcaklığa erişiyordu.
Bu anlattığımız hâdise plazmaya yapabileceğimiz etkilerden biridir. Plazmayı etrafından eşit miktarda soğutursak plazmanın kesiti küçülür, böylece enerji yoğunluğu, dolayısıyla sıcaklığı artar.

Bu hâdiseye "termik sıkıştırma" adı verilir ki, aynı yöntem arkı sıkıştırmak için kaynak işleminde de uygulanır. Son olarak alevin iletkenliğinden bahsedelim.

Alev bir plazma hâli olduğundan elektriği iletir. Bu özelliğinden faydalanarak gaz emniyetli sobalar yapılmıştır. Bu sobalar yanarken alevin içerisinden elektrik akımı geçirilir. Bu elektrik akımı sobanın gaz pompasını çalıştırır. Alev herhangi bir sebeple sönerse akım geçmeyeceğinden gaz otomatik olarak kesilmiş olur.

Plazma, Heryerde Plazma
Maddenin plazma hâline dünya üzerinde çok az rastlamamıza rağmen kâinatta plazma hâli fazlalık bakımından maddenin diğer hâllerine karşı ezici bir üstünlüğe sahiptir. Şöyle ki; kâinattaki toplam madde miktarının % 99'unun plazma hâlinde olduğu sanılmaktadır. Örnek verecek olursak tüm yıldızlar, nebulalar ve yıldızlararası uzay plazma hâlindeki maddeden oluşur.
Bunların sıcaklığı ve partikül yoğunluğu şekil üzerinde gösterilmiştir. Birim hacimdeki partikül yoğunluğu da plazmanın bilinmesi gereken bir özelliğidir. Sıcaklığı yüksek olsa da, yoğunluğu düşük bir plazma fazla enerji yaymaz. Kâinatın boşluk diyebileceğimiz madde yoğunluğu çok düşük olan bölgelerinde ise; sıcaklık 3 K yani -270 C derece kadardır. Bir yanda hiç bir canlının hattâ cansızların bile mukavemet edemeyeceği kadar yüksek bir sıcaklık, diğer yanda atomları bile donduracak derecede bir soğuk. Bunların ortasında mükemmel techizatlarla donatılarak koruma altına alınan cennet gibi bir dünya....


Hayat Kaynağı Plazma Küresi
Işık ve ısı kaynağı olarak dünyamızda hayatın devamını sağlayan Güneş dev bir plazma küresidir. Bu dev plazma küresinin çekirdeğindeki 15 milyon K'lik sıcaklık ve kurşundan 11 kat daha fazla olan yoğunluk, termonükleer reaksiyonların gerçekleşmesini sağlar. Bu reaksiyonlarda özetle hidrojen çekirdekleri birleşerek helyum çekirdeklerine dönüşür ve muazzam bir enerji açığa çıkar. Ancak dünyamıza ısı göndererek hayatın devamını sağlayan ışıkkürenin sıcaklığı ancak 6.000 K'dir. Bu tabakanın üzerinde yer alan ve korona adı verilen güneş tacının 2 milyon K'lik sıcaklığının sebebi ise tam anlaşılamamıştır. Bu tabaka dünyanın da ötesine uzanır ancak çok düşük yoğunlukta olduğu için sıcaklık tesiri fazla değildir. Bu tabakanın yoğunluğu ışıkküre gibi yüksek olsaydı dünya üzerinde hayat mümkün olmazdı. Yine güneşten kopup gelen elektrik yüklü parçacıkların, dünya atmosferine yapabileceği muhtemel etkiler dünyanın manyetik alanı tarafından önlenmiştir. Bu manyetik alana manyetosfer adı verilir.
Güneş'in oluşturduğu yüklü parçacık, akımı bu manyetik alan tarafından saptırılarak kutup bölgelerine doğru itilir. Bunun sonucunda kutup bölgelerinde atmosferin oksijen ve azot atomları ile etkileşime girerek ışımalara sebep olurlar ki bunlara aurora adı verilir. Auroralar yaklaşık ikiyüz km yüksekte oluşurlar ve sıcaklıkları bir kaç yüz derecedir. Güneş etkinliğinin yüksek olduğu günlerde telsiz ve radyo haberleşmelerinin olumsuz etkilendiğini hatırlarsak manyetosferin önemi daha iyi anlaşılır.

Manyetosfer örneği plazmanın bir özelliğini daha ortaya koyar ki bu da plazmaya manyetik veya elektrik alanı ile etki edilebilmesidir. Plazma yıldırımda veya kaynak arkında olduğu gibi elektrik akımı oluşturuyorsa, etrafında bir manyetik alan oluşacaktır. Bu manyetik alana yabancı bir manyetik alanla tesir edilebilir. Böylece plazmaya etkiyen kuvvetin yönü değiştirilebilir. Bu etki termik sıkıştırmada olduğu gibi tüm çevresinden yapılarak plazmanın kesitini küçültmek de mümkündür. Böylece plazmanın sıcaklığı artırılmış olur ki, çekirdek füzyonu reaktörlerinde bu yolla 250 milyon K'lik bir sıcaklığa erişilmiştir. Ancak bu reaktörlerde yeterli parçacık yoğunluğuna ulaşılamadığından, henüz hidrojeni helyuma çevirmek ve enerji üretmek mümkün olmamıştır.

Eğer bu yolla enerji üretmek mümkün olursa, yakıt olarak deniz suyunda oldukça bol bulunan ağır su kullanılacak ve böylece dünya üzerindeki enerji ihtiyacı temiz bir şekilde ucuz olarak karşılanabilecektir. Ayrıca termonükleer tepkime hidrojen bombasında olduğu gibi yok edici bir gâyeye değil, insanların mutluluğuna hizmet etmiş olacaktır. Güneş gibi bir plazma küresinde oluşturduğu termonükleer reaksiyonlarla dünyayı yaşanabilir kılan Yaratıcı'nın, insanlara bir mesajı da bu olabilir mi?