|
|
|
|
01.09.10, 17:53
|
||||
|
||||
Maddenin Plazma Hali ||
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 olan 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. Anahtar Kelimeler: Maddenin 4.hali, Plazma, İyonlaşmış gaz, Gaz deşarj, Plazma parametre 1. GİRİŞ 1808 yılında Sir Humpry Davy tarafından kararlı-hal dc ark deşarjın geliştirilmesi ve 1830’ lu yıllarda Michael Faraday ve arkadaşları tarafından, yüksek voltaj dc elektriksel deşarj tüpünün geliştirilmesi, maddenin dördüncü halinin keşfine sebep olan ilk çalışmalar olmuştur. Gazlarda elektriksel deşarj daha sonra Sir William Crookes tarafından incelenmiş ve Crookes 1879' da iyonlaşmış bir gazın; "MADDENİN 4. HALİ" olduğunu ifade etmiştir. 1926 yılında F. M. Penning, alçak basınç civa buharında radyo dalgası titreşimlerini bulmuştur. 1929 yılında Irving Langmuir bu titreşimlerin bulunduğu bölge için ilk kez "PLAZMA" terimini kullanmıştır [1]. 1932 yılında I. Langmuir plazma üzerindeki çalışmalarında Kimya dalında, 1970 yılında İsveçli Hannes Alfven "Plazmaya verilen pertürbasyonun manyetik alan yönünde plazma frekansı ile yayılması" çalışması ile Fizik dalında Nobel ödülü almışlardır. Şekil 1. Çevremizde gördüğümüz plazmalar, a) Mum alevi, b) floresan lamba, c) şimşek, d) güneş. 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 olan 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 sebebiyle 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 sebep 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. Şekil 2. Evrenin %99’u maddenin dördüncü hali plazmadır. Güneş, yıldızlar ve yıldızlararası ortamın plazma halinde olması Büyük Patlama (Big-Bang) teorisine de farklıbir 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. Nötral Atom Pozitif İyon Elektron KATI SIVI GAZ PLAZMA ENERJİ ARTIŞI Şekil 3. Maddenin dört hali. Katı haldeki bir maddeye sürekli enerji aktarılırsa örneğin ısıtılırsa maddenin diğer halleri elde edilebilir. 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]. Plazma, maddeye ısı enerjisi verilmesi ile elde edildiği gibi farklı yöntemlerle de elde edilebilir. Bu farklı üretim yöntemleri laboratuar plazmalarının farklı isimlerle anılmalarına sebep olur. dc elektriksel deşarj, ac elektriksel deşarj, rf deşarj, mw deşarj, puls deşarj, dielektrik bariyer deşarj gibi farklı üretim mekanizmalarına ve farklı özelliklere sahip olan 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. a) b) c) Osmangazi Üniversitesi Plazma Fiziği laboratuarında üretilen bazı plazmalar . a) Argon+Neon gazı glow deşarj, c) Metan gazı puls deşarj. 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 olan olduğu için, ni @ ne @ n dir. Burada n; “Plazma Yoğunluğu” olarak tanımlanır [5]. Plazma İyonlaşma Derecesi: Plazma içindeki yüklü parçacık sayısını ifade eden parametre, gazın iyonlaşma derecesidir. Gaz içindeki iyonlaşmış parçacık sayısı olan iyonlaşma derecesi; (2) şeklinde ifade edilir. Burada N; nötral atomların yoğunluğudur. aiz =1 olduğunda plazma tümüyle iyonlaşmış demektir [6]. Bu durum yıldızlarda ve termonükleer füzyon reaktörlerinde gözlenir. Magnetron sputtering (söktürme) için kullanılan plazmalarda, sökülen metalin iyonizasyon derecesi, söktürme işlemini gerçekleştiren çalışma gazının iyonizasyon derecesinden çok daha büyüktür. Kritik iyonizasyon değeri; ac @ 1.73 x 1012 sea Te2 (3) ile verilir [7]. Burada sea ; cm2 cinsinden ortalama elektron hızında elektron-atom çarpışma tesir kesiti, Te ; eV cininden plazmanın elektron sıcaklığıdır. İyonizasyon derecesi, kritik iyonizasyon değerinden çok büyük olursa yüklü parçacıklar tümüyle iyonlaşmış gaz içinde gibi davranırlar. Plazma Sıcaklığı: Termodinamik dengedeki bir nötral gaz halini tanımlayan en önemli parametre, sistem içindeki molekülün ortalama taşınım enerjisini ifade eden sıcaklıktır. Plazma içinde, farklı elektrik yüklü ve kütleli parçacıkların bir karışımı vardır. Plazma içindeki her tür, farklı sıcaklık terimleri ile ifade edilir. Örneğin Tg; nötral atomların yani plazması oluşturulan gazın sıcaklığını, Tu; uyarılmış atomların sıcaklığını, Ti; iyonların sıcaklığını, Te; elektronların sıcaklığını, Ta; molekül durumundan atoma ayrışmış atomlar için ayrışmış atom sıcaklığını ve Tf; fotonların enerjisini karakterize eden foton sıcaklığını ifade etmektedir. Eğer plazma içindeki her türün sıcaklığı eşit ise yani, Tg @ Tu @ Ti @ Ta @ Tf @ Te = Tp (4) ise bu plazma, “TTD Plazma” olarak isimlendirilir. Burada Tp ; “Plazma Sıcaklığı” olarak tanımlanır. Bu tip plazmalar yalnızca güneşte ve yıldızlarda meydana gelir. Eğer plazma içinde foton sıcaklığı haricinde her türün sıcaklıkları eşit ise yani, Tg @ Tu @ Ti @ Ta @ Te ¹ Tf (5) ise bu plazma, “LTD Plazma” olarak isimlendirilir. Laboratuar koşullarında atmosferik basınçlarda lokal termodinamik dengede olan plazmalar üretilebilir ve bunlar genellikle “Termal Plazmalar” olarak adlandırılır. Termal plazmalar yüksek basınçlarda meydana geldiği için “Yüksek Basınç Plazmaları” olarak da adlandırılırlar. Termal plazmalar yüksek basınçlarda meydana geldiği için “Yüksek Basınç Plazmaları” olarak da adlandırılırlar. Plazma içinde basıncın artmasıyla, elektronlar ile nötral atomlar arasındaki çarpışma sayısı artar. Bu nedenle 1 atmosfer civarındaki yüksek basınçlarda meydana gelen, elektriksel ark ve plazmatron olarak adlandırılan plazma jetleri ve kontrol edilebilen termonükleer füzyon reaktörlerinde oluşturulan plazmalar, laboratuvar koşullarında üretilen lokal termodinamik dengedeki plazmalara örnek olarak verilebilir. Daha düşük basınçlarda elektronlar ile nötral atomlar ve iyonlar arasında termal dengeye ulaşılamaz. Bu nedenle, Te >>Ti > Tg > Tu şeklinde, elektronların sıcaklıklarının diğer türlerden çok büyük olduğu ve hiçbir tür arasındaki sıcaklığın eşit olmadığı plazmalar “Non-LTD plazmalar” olarak adlandırılır. Elektronların kütlesi plazma içindeki diğer türlerden çok daha küçüktür. Bu nedenle elektronlar, plazmanın oluşması için dışarıdan verilen elektrik alanı ya da enerjiyi diğer türlerden çok daha fazla absorbe ederler. Plazması elde edilen gazın basıncı düşük olduğu için elektronlar, diğer türlerle çok sayıda çarpışma yapamaz ve böylece diğer türlere enerjisini aktaramaz. Bu nedenle düşük basınç plazmalarında elektronların sıcaklıkları, diğer türlerden her zaman çok daha büyük olur. “Düşük Basınç Plazmaları” olarak adlandırılan Non-LTD plazmalarında nötral atomların sıcaklığı yani gazın sıcaklığı çok düşük (oda sıcaklığı) olduğu için, bu plazmalar aynı zamanda “Soğuk Plazmalar” olarak adlandırılır. 
|
| Teşekkür Edenler: | ||
| Sponsor |
|
02.09.10, 02:00
|
||||
|
||||
|
Cevap: Maddenin Plazma Hali ||
Biz bunu bu sene gördük ya.
Fizikte gördük.Yanılmıyorsam kimyada da bununla bağıntılı bir konu vardı. Bu arada teşekkürler.Bunu "Dersler" ile ilgibi başlıkta açsaydın daha iyi olabilirdi 
|
|
02.09.10, 16:14
|
||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
Cevap: Maddenin Plazma Hali ||
Yalnızca Bilim ve Teknoloji bölüğmüyle arada kaldım ama sonuç olarak buraya açtım.
|
|
02.09.10, 17:36
|
||||
|
||||
|
Cevap: Maddenin Plazma Hali ||
Biz görmedik, sizde değişmiş herlade müfredat olsa gerek. Bizde hocalar maddeleri anlatırken artistik yapardı böylede bişler var falan diye ama özellikle konu olarak işlemedik.
|
