🎤 🤨 📠 هل يوجد بلازما في الفضاء؟ 🖖🏼 👲🏽 🔫

هل فكرت يومًا فيما هو موجود في الفضاء بين النجوم أو بين المجرات؟ هناك فراغ تقني في الفضاء ، وبالتالي لا يتم احتواء أي شيء (ليس بالمعنى المطلق أنه لا يوجد شيء موجود ، ولكن بالمعنى النسبي). وستكون على صواب ، لأنه في المتوسط بين الفضاء بين النجوم حوالي 1000 ذرة لكل سنتيمتر مكعب وعلى مسافات كبيرة جدًا ، فإن كثافة المادة لا تذكر. لكن هذا ليس بسيطًا ومباشرًا. التوزيع المكاني للوسط النجمي غير بديهي. بالإضافة إلى الهياكل المجرية العامة ، مثل الطائر (البار) والأذرع الحلزونية للمجرات ، هناك أيضًا غيوم باردة ودافئة منفصلة محاطة بغاز أكثر حرارة. يحتوي الوسط النجمي (MLM) على عدد كبير من الهياكل: السحب الجزيئية العملاقة ، السدم الانعكاسية ، السدم الكوكبية الأولية ، السدم الكوكبية ، الكريات ، إلخ. وهذا يؤدي إلى مجموعة واسعة من المظاهر والعمليات الرصدية التي تحدث في الوسط. تسرد القائمة أدناه الهياكل الموجودة في وزارة الصحة:

غاز الاكليلية
مناطق مشرقة HII
مناطق HII منخفضة الكثافة
البيئة السحابية
المناطق الدافئة HI
تكثيف مازر
مرحبا الغيوم
غيوم جزيئية عملاقة
غيوم جزيئية
الكريات

لن ندخل في التفاصيل الآن حيث يوجد كل هيكل ، لأن موضوع هذا المنشور هو البلازما. يمكن أن يعزى ما يلي إلى هياكل البلازما: الغاز التاجي ، مناطق HII الساطعة ، مناطق HI الدافئة ، غيوم HI ، أي يمكن تسمية القائمة بأكملها تقريبًا بالبلازما. لكن ، أنت تعترض ، أن الفضاء فراغ فيزيائي ، وكيف يمكن أن يكون هناك بلازما بمثل هذا التركيز من الجسيمات؟

للإجابة على هذا السؤال ، من الضروري إعطاء تعريف: ما هي البلازما وما هي المعايير التي يعتبرها الفيزيائيون هذه الحالة هي البلازما؟
وفقًا للمفاهيم الحديثة للبلازما ، هذه هي الحالة الرابعة للمادة التي تكون في حالة غازية ، شديدة التأين (الحالة الأولى صلبة ، والثانية هي حالة سائلة ، وأخيرًا تكون الثالثة غازية). لكن ليس كل غاز ، حتى متأين ، هو بلازما.

تتكون البلازما من جزيئات مشحونة ومحايدة. الجسيمات المشحونة بشكل إيجابي هي أيونات وثقوب موجبة (بلازما الحالة الصلبة) ، والجسيمات المشحونة سلبًا هي إلكترونات وأيونات سالبة. بادئ ذي بدء ، تحتاج إلى معرفة تركيز نوع معين من الجسيمات. تعتبر البلازما ضعيفة التأين إذا كانت درجة ما يسمى التأين تساوي

r = N_{e} / N_{n}

$r = N_e / N_n$

أين

N_{e}

$N_e$ هو تركيز الإلكترونات ،

N_{n}

$N_n$ - يقع تركيز جميع الجسيمات المحايدة في البلازما في النطاق

(r < 10^{- 2} - 10^{- 3})

$(r <10 ^ {- 2} - 10 ^ {- 3})$ . تحتوي البلازما المتأينة بالكامل على درجة من التأين

r t o i n f t y

$r \ to \ infty$

ولكن كما قيل أعلاه ، ليس كل غاز مؤين هو بلازما. من الضروري أن تمتلك البلازما خاصية شبه التغذية ، أي في المتوسط ، لفترات زمنية كبيرة بما فيه الكفاية وعلى مسافات كبيرة بما فيه الكفاية ، كانت البلازما محايدة بشكل عام. ولكن ما هي هذه الفترات الزمنية والمسافة التي يمكن اعتبار الغاز فيها بلازما؟

لذا ، فإن متطلبات شبه التغذية هي كما يلي:

s u m_{a l p h a} e_{a l p h a} N_{a l p h a} = 0

$\ sum _ {\ alpha} e _ {\ alpha} N _ {\ alpha} = 0$

لنكتشف أولاً كيف يقدر الفيزيائيون مقياس الوقت لفصل الشحنة. تخيل أن بعض الإلكترونات في البلازما انحرفت عن توازنها الأصلي في الفضاء. تبدأ قوة كولوم في العمل على الإلكترون ، وتسعى إلى إعادة الإلكترون إلى حالة التوازن ، أي

F ت ق ر ي ب ً ا e^{2} / {r^{2}}_{c p}

$F \ تقريبًا e ^ 2 / {r ^ 2} _ {cp}$ أين

r_{ا ل أ ر ب ع ا ء}

$r_ {الأربعاء}$ هو متوسط المسافة بين الإلكترونات. يتم تقدير هذه المسافة تقريبًا على النحو التالي. لنفترض أن تركيز الإلكترونات (أي عدد الإلكترونات لكل وحدة حجم) هو

N_{e}

$N_e$ . الإلكترونات في المتوسط على مسافة من بعضها البعض

r_{ا ل أ ر ب ع ا ء}

$r_ {الأربعاء}$ ، لذلك يشغلون الحجم في المتوسط

V = f r a c 43 p i r_{c p}^{3}

$V = \ frac {4} {3} \ pi r_ {cp} ^ 3$ . ومن ثم ، إذا كان هناك إلكترون واحد في هذا المجلد ،

r_{c p} = (f r a c 3 4 p i N_{e})^{1 / 3}

$r_ {cp} = (\ frac {3} {4 \ pi N_e}) ^ {1/3}$ . ونتيجة لذلك ، سيبدأ الإلكترون في التذبذب بالقرب من موضع التوازن بتردد

o m e g a a l m o s t s q r t f r a c F m r_{c p} a l m o s t s q r t f r a c 4 p i e^{2} N_{e} 3 m

$\ omega \ almost \ sqrt {\ frac {F} {mr_ {cp}}} \ almost \ sqrt {\ frac {4 \ pi e ^ 2 N_e} {3m}}$

صيغة أكثر دقة

o m e g a_{L e} = s q r t f r a c 4 p i e^{2} N_{e} m

$\ omega_ {Le} = \ sqrt {\ frac {4 \ pi e ^ 2 N_e} {m}}$

يسمى هذا التردد تردد Langmuir الإلكتروني . تم إخراجه من قبل الكيميائي الأمريكي إيروين لانغموير ، الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء "للاكتشافات والبحث في مجال كيمياء الظواهر السطحية".

وبالتالي ، من الطبيعي أن تأخذ تبادلاً لتردد Langmuir كمقياس زمني لفصل الشحنة

t a u = 2 p i / o m e g a_{L e}

$\ tau = 2 \ pi / \ omega_ {Le}$

في الفضاء ، على نطاق واسع ، بمرور الوقت

t >> t a u

$t >> \ tau$ تقوم الجسيمات بعمل اهتزازات عديدة حول وضع التوازن ، وستكون البلازما ككل شبه محايدة ، أي من حيث المقياس الزمني ، يمكن الخلط بين الوسط النجمي والبلازما.

ولكن من الضروري أيضًا تقييم المقاييس المكانية من أجل إظهار بدقة أن الكون هو بلازما. من الاعتبارات الفيزيائية ، من الواضح أن هذا المقياس المكاني يتحدد بالطول الذي يمكن أن يتحول فيه اضطراب كثافة الجسيمات المشحونة بسبب حركتها الحرارية على مدار فترة تساوي فترة تذبذبات البلازما. وبالتالي ، فإن المقياس المكاني يساوي

r_{D e} a l m o s t f r a c u p s i l o n_{T e} o m e g a_{L e} = s q r t f r a c k T_{e} 4 p i e^{2} N_{e}

$r_ {De} \ almost \ frac {\ upsilon_ {Te}} {\ omega_ {Le}} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {4 \ pi e ^ 2 N_e}}$

أين

u p s i l o n_{T e} = s q r t f r a c k T_{e} m

$\ upsilon_ {Te} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {m}}$ . تسألون من أين أتت هذه الصيغة الرائعة. سنفكر مثل هذا. تتحرك الإلكترونات في البلازما عند درجة حرارة توازن الترموستات باستمرار مع الطاقة الحركية

E_{k} = f r a c m u p s i l o n^{2} 2

$E_k = \ frac {m \ upsilon ^ 2} {2}$ . من ناحية أخرى ، يُعرف قانون توزيع الطاقة الموحد من الديناميكا الحرارية الإحصائية ، وفي المتوسط لكل جسيم

E = f r a c 12 k T_{e}

$E = \ frac {1} {2} kT_e$ . إذا قارنا هذين الطاقين ، نحصل على صيغة السرعة المعروضة أعلاه.

لذا ، حصلنا على الطول ، الذي يسمى في الفيزياء نصف قطر أو طول Debye الإلكتروني .

الآن سأظهر اشتقاق أكثر صرامة لمعادلة ديباي. مرة أخرى ، تخيل إلكترونات N التي يتم إزاحتها بمقدار معين تحت تأثير المجال الكهربائي. في هذه الحالة ، طبقة من شحنة الفضاء بكثافة تساوي

s u m e_{j} n_{j}

$\ sum e_j n_j$ أين

e_{j}

$e_j$ هي شحنة الإلكترون ،

n_{j}

$n_j$ هو تركيز الإلكترونات. من الكهرباء الساكنة ، فإن صيغة Poisson معروفة جيدًا

b i g t r i a n g l e d o w n^{2} p h i (r) = - f r a c 1 e p s i l o n e p s i l o n_{0} s u m e_{j} n_{j}

$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi ({r}) = - \ frac {1} {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum e_j n_j$

هنا

e p s i l o n

$\ epsilon$ - ثابت عازل الوسط. من ناحية أخرى ، تتحرك الإلكترونات بسبب الحركة الحرارية ويتم توزيع الإلكترونات وفقًا لتوزيع بولتزمان

n_{j} (r) = n_{0} e x p (- f r a c e_{j} p h i (r) k T_{e})

$n_j ({r}) = n_0 \ exp (- \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e})$

نستبدل معادلة بولتزمان في معادلة بواسون التي نحصل عليها

b i g t r i a n g l e d o w n^{2} p h i (r) = - f r a c 1 e p s i l o n e p s i l o n_{0} s u m e_{j} n_{0} e x p (- f r a c e_{j} p h i (r) k T_{e})

$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi ({r}) = - \ frac {1} {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum e_j n_0 \ exp (- \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e})$

هذه هي معادلة بواسون-بولتزمان. نقوم بتوسيع الأس في هذه المعادلة في سلسلة تايلور وتجاهل الكميات من الدرجة الثانية وأعلى.

e x p (- f r a c e_{j} p h i (r) k T_{e}) = 1 - f r a c e_{j} p h i (r) k T_{e}

$\ exp (- \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e}) = 1 - \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e}$

استبدل هذا التوسع في معادلة Poisson-Boltzmann واحصل عليها

b i g t r i a n g l e d o w n^{2} p h i (r) = (s u m f r a c n_{0 j} e_{j}^{2} e p s i l o n e p s i l o n_{0} k T_{e}) p h i (r) - f r a c 1 e p s i l o n e p s i l o n_{0} s u m n_{0 j} e_{j}

$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi ({r}) = (\ sum \ frac {n_ {0j} e_ {j} ^ 2} {\ epsilon \ epsilon_0 kT_e}) \ phi ({r}) - \ frac {1 } {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum n_ {0j} e_ {j}$

هذه هي معادلة ديباي. اسم أكثر دقة هو معادلة Debye-Hückel. كما اكتشفنا أعلاه ، في البلازما ، كما هو الحال في وسط شبه محايد ، فإن المصطلح الثاني في هذه المعادلة يساوي الصفر. في المصطلح الأول ، لدينا طول ديبي بشكل أساسي.

في الوسط النجمي ، يبلغ طول ديباي حوالي 10 أمتار ، في الوسط بين المجرات

10^{5}

$10 ^ 5$ أمتار. نرى أن هذه كميات كبيرة جدًا ، على سبيل المثال ، مع العوازل. وهذا يعني أن المجال الكهربائي ينتشر دون توهين عبر هذه المسافات ، ويوزع الشحنات في طبقات مشحونة بكميات كبيرة ، تتأرجح جزيئاته حول مواضع التوازن بتردد يساوي Langmuir.

من هذه المقالة تعلمنا كميتين أساسيتين تحددان ما إذا كان وسيط الفضاء هو بلازما ، على الرغم من حقيقة أن كثافة هذه الوسيلة صغيرة للغاية والفضاء ككل هو فراغ فيزيائي في المقاييس الميكروسكوبية. على المستوى المحلي ، لدينا غاز أو غبار أو بلازما

هل يوجد بلازما في الفضاء؟

More articles: