Gazlar ve Plazmalar




Plazma, Kimya ve Fizikte "iyonize olmuş gaz" anlamına gelmektedir.İyonize gaz için kullanılan plazma kelimesi 1920 li yıllardan berifizik literatüründe yer etmeye başlamıştır. Kendine özgü nitelikleresahip olduğundan, plazma hali maddenin katı, sıvı ve gaz halinden ayrıolarak incelenir. Katı bir cisimde cismi oluşturan moleküllerinhareketi çok azdır, moleküllerin ortalama kinetik enerjisi herhangi biryöntemle (örneğin ısıtarak) arttırıldığında cisim ilk önce sıvıya sonrada gaza dönüşür ki gaz fazında elektronlar gayet hızlı hareket ederler.Eğer gaz halinden sonra da ısı verilmeye devam edilirse iyonlaşmabaşlayabilir, bir elektron çekirdek çekiminden kurtulur ve serbest birelektron uzayı meydana getirerek maddeye yeni bir form kazandırır.Atomun bir elektronu eksik olacak ve net bir pozitif yüke sahipolacaktır. Yeterince ısıtılmış gaz içinde iyonlaşma defalarcatekrarlanır ve serbest elektron ve iyon bulutları oluşmaya başlar.Fakat bazı atomlar nötr kalmaya devam eder. Oluşan bu iyon, elektron venötr atom karışımı, plazma olarak adlandırılır.
İyonize olma durumu, en az bir elektronun atom ya da moleküldenayrıldığı anlamına gelir. Serbest elektrik yükü sayesinde plazma yüksekbir elektrik iletkenliğine kavuşur ve elektromanyetik alanlardankolaylıkla etkilenir. Atmosferin üstünde, manyetosferde, özelliklekutuplara yakın bölgelerde görülen auroralar, güneş rüzgârlarındankaynaklanan yüklü parçacıklarla çarpışan oksijen atomlarının iyonizeolması ile oluşurlar ve enfes görüntüler verirler.

Evrende madde dört halde bulunur. Bunlar katı, sıvı, gaz ve plazmahalidir. Mikroskobik açıdan plazma, sürekli hareket eden ve etkileşenyüklü parçacıklar topluluğu olarak ifade edilir. Plazma içinde nötralatom ya da moleküllerin olması plazma halini değiştirmez.
Plazmanın birim hacmi içindeki negatif yüklü parçacıkların sayısı(genelde elektronlar) pozitif yüklü parçacık sayısına (genelde iyonlar)yaklaşık olarak eşit olduğundan, plazma elektriksel olarak nötraldir.

Maddenin dört hali. Katı halde atomlar belirli uzaklıklara sahiptir.Sıvı halde atomlar arası uzaklık artar. Gaz halinde ise atomlararasındaki bağ uzunlukları daha da artar. Plazma halinde ise atomlariyonlaşır ve sürekli olarak birbirleri ile çarpışırlar.

İlk bakışta plazma halinin, özellikleri açısından gaz halinden çokfarklı olmadığı izlenimi oluşmaktadır. Oysa ki plazma çok önemliözelliklere sahiptir. Plazmanın temel karakteristik özellikleri aşağıdaverilmiştir,

1) Yukarıda açıklandığı gibi plazma elektriksel olarak nötraldir veplazma çok iyi bir iletkendir. Bazen gümüşün ve bakırın iletkenliğinden102 kat daha fazla iletkenlik gösterebilmektedir.

2) Plazmanın içinde bir noktada bir pertürbasyon oluşursa, bupertürbasyonun etkisi tüm plazmaya elektromanyetik dalga hızı iletaşınılır. Gaz halinde bu taşınım, akustik dalgaların hızıyla, akustiksinyalin taşınımına benzer. Gazların taşınımı sırasında parçacıklararasındaki çarpışma kısa mesafelidir. Plazmanın taşınımı durumunda iseyüklü parçacıklar arasındaki etkileşim elektromanyetik dalgalaryardımıyla uzun mesafede olur.

3) Plazma elektriksel olarak nötral olmasına rağmen elektrik ve manyetik alanlarla etkileşebilir.

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

Evrende en çok bulunan hal plazma halidir ve evrenin %99’undan fazlasıplazma halindedir. Evrendeki tüm yıldızlar, Güneş, Gezegenler vegezegenler arası boşluklar, üzerinde yaşadığımız dünyamız plazmahalinden başlayarak bu günkü hallerini almışlardır. Gerçekte plazmahali bir maddenin ilk halidir. Plazma, doğal olarak kendisi ileçevresi, elektrik ve manyetik alanlarla etkileşim biçimleri açısındankendine özgü niteliklere sahiptir. Plazma, iyonlar, elektronlar, yüksüzatom ve moleküller ile fotonlardan oluşan, bazı atomlar iyonlaşırkenbazı iyonların elektronlarla birleşip atoma dönüştüğü, protonlarınsürekli olarak bir yandan ortaya çıktığı bir yandan da soğutulduğu birkarışım olarak düşünülebilir.

Dünyamızda bulunan maddelerin büyük çoğunluğu katı, sıvı ve gazhallerindedirler. Maddenin plazma hali örneğin, yıldırımda, mumalevinde, kutup ışığında ve neon lambaları gibi elektrik boşalmalılambalarda gözlenir.

Plazmanın temel bir farka karşın gazlarla ortak belli sayıda mekaniközelliği vardır: Coulomb çekim ve ritimleri çok uzaklarda etkiliolduğundan plazmanın her parçacığı diğeri ile sürekli olarak etkileşimhalindedir.

İlginç bir farklılık olarak gazların boşalan her şeyi doldurma özelliğivarken plazmanın toplaşma özelliği olduğu görülebilir. Bir manyetikalanın etkisi ile elektrikli tanecikler alan çizgilerini etrafındahelezonik yörüngeler çizerek harekete başlar.

Plazmanın Özellikleri

a) Plazma dış ortama karşı elektriksel olarak nötrdür. Yani plazmaiçerisindeki pozitif yüklerin ( iyonların yükleri ) sayısı, negatifyüklerin (elektronlar) sayısına eşittir.

b) Plazma içerisindeki ayrışma, iyonizasyon ve bu olayların tersi olanyeniden yapılanma olayları sürekli meydana gelir. Adı geçen bu olaylarkendi aralarında plazma içerisinde bir dinamik denge halinde bulunurlar.

c) Plazma iyi bir elektrik ve ısı iletkenidir. Plazma içerisindekiparçacıklar bir enerji taşıyıcısıdırlar. Dolayısıyla elektrik ve ısıenerjisini de iletirler (taşınırlar). Plazma içerisindeki hızlarınınyüksek oluşu nedeniyle özellikle elektronlar elektrik ve ısı iletimindeesas rolü oynarlar.

d) Plazma yüksek sıcaklık ve enerji yoğunluğuna sahiptir. Plazmanınsıcaklığı, enerji yoğunluğu, iyonizasyon derecesi ( iyonize olmuş atomsayısının toplam atom sayısına oranı ) ve plazma çıkış hızı (elektronhızı) plazma ekseni üzerinde maksimumdur.

Plazmaya elektrik ve manyetik alan uygulandığında plazmada bir takımdeğişikliklere sebep olabilir. Plazma içerisindeki parçacığa Lorentzkuvveti etki eder

(F= qE + qVB ).

Plazmanın birçok tanımı yapılır. Bunların hepsi bizi plazmanın yüklüparçacıklar topluluğu olduğu sonucuna götürür. Peki ama her yüklüparçacıklar topluluğu plazma mıdır? Tabii ki her yüklü parçacıklartopluluğuna plazma diyemeyiz. Bunu söyleyebilmemiz için incelediğimizmateryalin bazı özelliklerini bilmeli ve ona göre karar vermeliyiz.İşte bu karar verme sürecinde kullandığımız kıstaslar "PlazmaParametreleri"dir. Bu parametreler sayesinde biz, çalıştığımızmateryalin bir plazma olup olmadığını bulabileceğimiz gibi, omateryalin neyin plazması olduğunu da bulmamız mümkündür.

Temel parametreler dışında plazma parametrelerini 6 ana başlık altında toplayabiliriz. Bunlar
·   Plazma sıcaklığı veya daha basitçe Elektron sıcaklığı.
·   Plazma Yoğunluğu
·   İyonizasyon Derecesi
·   Debye Uzunluğu
·   Plazma Frekansı
·   Plazma Beta (β) dır.

Plazmayı Oluşturan Elemanlar

a. Nötral atom ve nötral molekül: İhtiva ettikleri pozitif yüklerinsayısının, negatif yüklerin sayısına eşit olan atom veya moleküllerdir.Nötral bir moleküle, o elemente özel bir ayrışma enerjisinden dahabüyük bir enerji verilirse, bu molekül atomlarına ayrışır.

b. İyon : İhtiva ettiği (+) yük sayısı, (-) yük sayısından büyük olanatomlardır ya da bunun tersi olabilir. Nötral bir atoma, o elementleözel bir iyonizasyon enerjisinden daha büyük bir enerji verildiğizaman, bu atom en az bir elektronunu ( negatif yükünü) kaybeder ve iyonhaline geçer, yani iyonize olur.

c. Elektron : Atomun negatif yükü olup, değeri 1,6x10-19 Coulomb'dur.

d. Foton : Enerji yüklü ışın parçasıdır. Işın enerjisi taşıyıcısıdır.

e. Uyarılmış Atom : Üzerine iyonizasyon enerjisinden daha küçük birenerji almış, elektron kaybetmiş atomdur. Bu atoma o elementiniyonizasyon enerjisinden daha küçük bir enerji verilirse, bu atomunçevresindeki elektronlar atomu terk etmeyip, bunlardan bir veya birkaçı yörünge değiştirir. Yani bir üst enerji seviyesine geçer. Böyleceuyarılmış atom olur.

f. Uyarma : Enerji alarak bir üst enerji seviyesine geçiş.

g. Sükunete Gelme : Enerji vererek ( foton ) bir alt seviyeye geçiş.


1.1. Bir gaz tabakası olarak atmosferin oluşumunu açıklarken gazlarınbelli bir hacim ve şekillerinin olmadığı, fakat bulundukları kapalıkabın içini doldurdukları vurgulanır. Bu durumdaki hacimlerin kabınhacmine eşit olduğu belirtilir. Günlük hayatta gazların neredekullanıldığına örnekler verilir. Bu gazların yoğunluk değerleriverilerek hangi durumlarda gazları ayırt etmede kullanılabileceğivurgulanır.
1.2.    Havanın atmosfer içinde toplam kütlesinin yüksekliğe göre yüzdelik değişimi verilir.
1.3. Kandaki plazma ile karşılaştırılmamalıdır. Plazmanın özelliklerihatırlatılır. Evrendeki maddelerin çoğunun plazma halinde olduğuverilir. Örnekler, üretilen plazmalardan ( plazma topu, flüoresan, neonlambaları, füzyon çalışmalarında, vb. ) dünyada görülenlerden ( şimşek,iyonosfer, kuzey ve güney kutup ışıkları ( Aurora borealis ve auroraaustralis ), vb. ) ve uzayda görülenlerden ( güneş, yıldızlar, güneşrüzgarları, vb. ) ayrı ayrı verilmelidir.

Yıldız, yoğun ve ışık saçan bir plazma küresidir. Bir araya toplananyıldızların oluşturduğu gökadalar görünür evrenin hâkimidir. Günışığıdahil olmak üzere Dünya üzerindeki erkenin (enerji) çoğunun kaynağı,bize en yakın yıldız olan Güneştir. Diğer yıldızlar, Güneş’in ışığıaltında kalmadıkları zaman yani geceleri gökyüzünde görünürler.Yıldızların parlamasının nedeni çekirdeklerinde meydana gelen çekirdekkaynaşması (füzyon) tepkimelerinde açığa çıkan erkenin yıldızın içindengeçtikten sonra dış uzaya ışınım (radyasyon) ile yayılmasıdır.Yıldızlar olmasaydı, ne yaşam ne de öğelerin (element) büyük bir kısmıvar olabilir di.
Gökbilimciler bir yıldızın tayfını, parlaklığını ve uzaydaki hareketinigözlemleyerek o yıldızın kütlesi, yaşı, kimyasal bileşimi ve bunun gibibirçok özelliğini belirleyebilirler. Bir yıldızın toplam kütlesi,yıldızın gelişiminin ve sonunun ana belirleyicisidir. Bir yıldızıngelişim süreci içinde bulunduğu aşamaya göre çapı, dönüşü, hareketi vesıcaklığı belirlenir. Sıcaklık ve parlaklık durumuna göreişaretlendikleri Hertzsprung-Russell diyagramı (H-R diyagramı),yıldızların güncel yaşını ve gelişim sürecindeki aşamasını belirlemekiçin kullanılır.
Yıldız gelişiminin ilk halkası, hidrojen, bir miktar helyum ve çok azmiktarda daha ağır öğelerden oluşan ve içe doğru çökmeye başlayan birmadde bulutudur. Yıldız çekirdeği yeteri kadar yoğunlaştıktan sonraiçinde bulunan hidrojenin bir kısmı sürekli olarak nükleer çekirdekkaynaşması tepkimesiyle helyuma çevrilir. Yıldızın geri kalan kısmı,açığa çıkan erkeyi, ışınım ve ısıyayım (konveksiyon) birleşimiyleçekirdekten uzağa taşır. Bu süreçler yıldızın kendi içine doğruçökmesini engeller ve erke, yıldız yüzeyinde bir yıldız rüzgârıyaratarak dış uzaya doğru ışınım yoluyla yayılır.

1.4. Plazma ile enerji üretiminin başlangıç aşamasında olduğu bazıülkelerde başlandığı ve diğer enerji üretim yöntemlerinden daha temizolduğu vurgulanır.

Öğrenilecek Bilimsel Kavramlar:
a.  Bir oranda büyütme veya küçültme
b.  Yapışma ve birbirini tutma
c.   Yüzey gerilimi
d.  Kılcallık
e.  Plazma

    Kavramları Vermek İçin Kullanılabilecek Yaşamdan Örnekler ( Bağlamlar )
a.  King Kong gerçek olabilir mi?
b.  Su damlacıklarının şekli ve yağmur yağarken penceredeki hareketleri
c.   Soğuk ve sıcak çorbanın tadı ve yüzeyinin değişimi
d.  Bitkilerin yerden sıvı alması
e.  Tavanda ve suda yürüyen böcekler
f.   Atmosferin yapısı ve oluşumu
g.  Floresan lambalar ve sokak aydınlatılmasında kullanılan gaz lambaları
h.  Kuzey ve güney kutup ışıkları ( Aurora borealis ve aurora australis )