تاريخچة مختصري از فيزيك پلاسما

وقتي خون از گلبول‌ها و ذرات ديگر تصفيه مي‌شود مايعي شفاف باقي مي‌ماند كه پلاسما ناميده مي‌شود. پلاسما از كلمه يوناني      به معني بسته شده يا ژله‌اي گرفته شده است و اولين بار بوسيله دانشمند چك جوناس پاركيج[1] (1869-1787) استفاده شد در 1927 شيميدان آمريكايي برنده جايزه نوبل ايروبنگ لانگمير[2] اولين بار اين لغت را براي توصيف يك گاز يونيزه استفاده كرد. لانگمير در روشي كه پلاسماي خون گلبول‌هاي قرمز و سفيد را انتقال مي‌دهد و روشي كه يك سيال الكتريكي الكترون‌ها و يونها را انتقال مي‌دهد تأمل كرده بود. لانگمير همراه با هم دانشگاهي‌اش لويي تانگ[3] روي فيزيك و شيمي يك فيلامان تنگستن يك لامپ تحقيق مي‌كردند هدف آنها يافتن راهي براي افزايش بيشتر طول عمر فيلامنت بود (هدفي كه نهايتاً به آن رسيدند) در اين فرآيند او نظريه غلاف‌هاي پلاسما[4] را بسط و توسعه داد.

همچنين او مناطق خاصي از پلاسماي لامپ تخليه را كشف كرد كه تغييرات متناوبي از چگالي الكترون را نشان مي‌داد كه امروزه امواج لانگمير مي‌گوييم اين سرآغاز فيزيك پلاسما بود. امروزه تحقيقات لانگمير به صورت اصول نظري در بسياري از فرآيندهاي فني براي ساختن مدارهاي مجتمع دخالت زيادي دارد.

بطور كلي بعد از لانگموير تحقيقات پلاسما در جهات ديگري گسترش يافت كه به ويژه پنج تا از آنها مهمترند.

·                اول توسعه پخش راديويي عامل كشف يونسفر زمين شد، لايه‌اي از گاز قسمتي يونيزه در بالاي اتمسفر كه امواج راديويي را انعكاس مي‌دهد و عاملي براي اين پديده است كه وقتي علامت‌هاي راديويي فرستنده بالاي افق هستند مي‌توانند دريافت شوند. البته گاهي اوقات متأسفانه يونسفر امواج راديويي را جذب و وا مي‌پيچاند براي نمونه ميدان مغناطيسي زمين عامل موجهايي با قطبيت متفاوت (نسبت به جهت ميدان مغناطيسي) با سرعت‌هاي انتشار متفاوت است، اثري كه منشاء «علامت‌هاي سايه‌اي» (يعني علامت‌هايي كه كمي قبل يا كمي بعد از علامت اصلي مي‌رسند) مي‌‌تواند باشد.

·                 دوم در اختر فيزيك به زودي درك شد كه بيشتر جهان از پلاسما تشكيل شده و بنابراين براي فهميدن بهتر پديده‌هاي اختر فيزيك نيازمند يك درك بهتر از فيزيك پلاسما هستيم. پيشگام اين حيطه هانس آلفون[5] بود كه حدود 1940 نظريه مگنتو هيدورديناميك[6] يا M.H.D را كه در آن پلاسما اساساً مانند يك سيال هادي (رسانا) رفتار ميكند توسعه داد. اين نظريه به طور گسترده و هم موفق براي بررسي لكه‌هاي خورشيدي، زبانه‌هاي خورشيدي، باد خورشيدي تشكيل ستارگان و يك لشكر از ديگر موضوع‌هاي كيهان‌شناسي به كار گرفته شد. دو موضوع خاص و جالب در نظريه M.H.D اتصال مجدد مغناطيسي[7] و نظريه دينامو[8] است. اتصال مجدد مغناطيسي فرايندي است كه در آن توپولوژي خطوط ميدان مغناطيس ناگهان تغيير مي‌كند اين منشاء تبديل ناگهاني مقدار زيادي انرژي مغناطيسي به انرژي حرارتي مي‌تواند باشد، همانطور كه تعدادي از ذرات باردار به انرژي‌هاي فوق‌العاده زياد شتاب داده مي‌شود. عموماً تصور بر اين است كه اتصال مجدد مغناطيسي مكانيزم اصلي توصيف‌كننده زبانه‌هاي خورشيدي است. تئوري دينامو چگونگي حركت يك سيال M.H.D را كه مي‌تواند منشاء توليد يك ميدان مغناطيسي ماركوسكوپيك باشد مطالعه مي‌كند اين فرآيند مهم است زيرا وقتي كه فعاليت دينامو ادامه پيدا نكند هم در زمين و هم در خورشيد ميدان‌هاي مغناطيسي نسبتاً به سرعت (به زبان اخترفيزيك) از بين مي‌روند. ميدان مغناطيسي زمين به وسيله حركت هستة مذابش حفظ مي‌شود كه مي‌تواند با يك تقريب مناسب مانند يك سيال M.H.D رفتار كند.

·                 سوم اختراع بمب هيدروژني در 1952 در مورد گداخت گرما هسته‌اي كنترول شده علاقه‌مندي زيادي به عنوان يك منبع توان امكان‌پذير براي آينده ايجاد كرد. در ابتدا اين تحقيقات محرمانه و منحصراً به وسيله ايالات متحده، شوروي و انگلستان به پيش مي‌رفت، با اين وجود در 1958 تحقيق گداخت گرما هسته‌اي طبقه‌بندي شده نبود و اين منجر به انتشار تعداد زيادي مقاله‌اي با اهميت و قوي در اواخر دهة 1950 و اوايل دهة 1960 شد در اين سال‌هاي بطور گسترده بحث فيزيك پلاي نظري با يك نظم شديد رياضي پديدار گشت. عجيب نيست كه اساساً فيزيكدان‌هاي گداخت يا همجوشي بيشتر به دنبال درك چگونگي محبوس كردن پلاسماي گرما هسته‌اي در متداولترين حالت بوسيله ميدان مغناطيسي هستند و تحقيق در مورد ناپايداري‌هايي كه امكان فرار به آن مي‌دهد.

·                 چهارم در 1958 وان آلن كمربندهاي تشعشي وان آلن كه زمين را دربرگرفته‌اند كشف كرد. با استفاده از اطلاعات انتقال يافته بوسيله ماهواره كاشف آمريكا[9]، كاوش منظم مگنتوسفر[10] از طريق ماهواره شروع شد و حوزه فيزيك پلاسماي فضا گشوده شد. دانشمندان فضا نظريه پلاسماي محبوس شده به وسيله ميدان مغناطيسي را از تحقيقات همجوشي نظريه امواج پلاسما را از فيزيك يونسفر و مفهوم اتصال مجدد را به عنوان ساز و كاري براي آزاد كردن انرژي و شتاب دادن به ذرات از اخترفيزيك قرض گرفتند.  

·             

    سرانجام با پيشرفت ليزرهاي پرقدرت در دهة 1960 حوزة فيزيك پلاسماي ليزري گشوده شد. وقتي يك شعاع ليزر قدرتمند به يك هدف جامد مي‌خورد ذرات بلافاصله كنده مي‌شوند و اشكالي از پلاسما در مرز بين پرتو ليزر و هدف ايجاد مي‌شود. پلاسماي ليزري به خواص (به عنوان مثال چگالي‌هاي مشخصه يك جامد) حداكثر نهايي گرايش دارند كه در بسياري از پلاسماهاي مرسوم يافت نمي‌شوند. كاربرد اصلي فيزيك پلاسماي ليزري رويكردي ديگر به انرژي همجوشي است كه معروف به همجوشي محبوش شدة ماند[11] است در اين رويكرد پرتوهاي قوي متمركز شده ليزر براي از داخل منفجر كردن يك هدف جامد كوچك استفاده مي‌شود تا به مشخصة چگالي‌ها و دماهاي همجوشي هسته‌اي (مانند مركز يك بمب هيدروژني) برسند. كاربرد جالب ديگر فيزيك پلاسماي ليزر توليد ميدان‌هاي فوق‌العاده قوي است، وقتي كه پالس ليزر با چگالي بالا از بين پلاسما عبور مي‌كند ذرات را شتاب مي‌دهد فيزيكدان‌هاي انرژي‌هاي بالا اميدوارند با استفاده از شيوة شتاب دادن به وسيله پلاسما اندازه و هزينة شتاب دهنده‌هاي ذرات را كاهش دهند. [1]

ترجمه محمدسياري زاده