تعریف مجدد فیزیک -اکتشافات شگفت انگیز در رفتار پلاسما
تعریف مجدد فیزیک -اکتشافات شگفت انگیز در رفتار پلاسما -تحقیقات دو دهه ای پروفسور پل بلان، پروفسور Caltech بر روی جت های پلاسما، رفتارهای غیرمنتظره ای را در پلاسماهای “سرد” نشان می دهد.
بلان که در ابتدا یک مکانیسم جلوگیری از برخورد برای شتاب الکترون را نظریه‌پردازی کرد، بعداً این را از طریق شبیه‌سازی‌ها رد کرد و کشف کرد که برخی از الکترون‌ها، با از دست دادن انرژی به ندرت در گذرهای نزدیک به یون، به طور پیوسته شتاب می‌گیرند و اشعه ایکس تولید می‌کنند.
این یافته که برای درک شعله های خورشیدی و آزمایش های همجوشی مهم است، نظریه های پلاسما مرسوم را به چالش می کشد.
آزمایش‌های جت پلاسما Caltech به رهبری پل بلان، رفتارهای جدید الکترونی را نشان می‌دهد که به درک شعله‌های خورشیدی و انرژی همجوشی کمک می‌کند.
برای حدود 20 سال، پل بلان، استاد فیزیک کاربردی Caltech و گروهش جت های پلاسما با شتاب مغناطیسی، گازی رسانای الکتریکی متشکل از یون ها و الکترون ها، در یک محفظه خلاء به اندازه کافی بزرگ برای نگه داشتن یک فرد ایجاد کرده اند. (علائم نئون و رعد و برق نمونه های روزمره پلاسما هستند).
در آن محفظه خلاء، گازهای گاز با چندین هزار ولت یونیزه می شوند.
سپس صد هزار آمپر در پلاسما جریان می‌یابد و میدان‌های مغناطیسی قوی تولید می‌کند که پلاسما را به یک جت تبدیل می‌کند که حدود 10 مایل در ثانیه حرکت می‌کند.
ضبط‌های با سرعت بالا نشان می‌دهند که جت در چند ده میکروثانیه از چندین مرحله متمایز عبور می‌کند.
بلان می گوید که جت پلاسما شبیه چتری است که درازا می کند.
هنگامی که طول به یک یا دو فوت می رسد، جت دچار ناپایداری می شود که باعث می شود آن را به یک چوب پنبه باز کن به سرعت در حال گسترش تبدیل کند.
این انبساط سریع باعث ایجاد ناپایداری متفاوت و سریع‌تر می‌شود که موج‌هایی را ایجاد می‌کند.
بلان می‌گوید: «این موج‌ها جریان الکتریکی 100 کیلو آمپری جت را خفه می‌کنند، دقیقاً مانند قرار دادن انگشت شست روی شیلنگ آب، جریان را محدود می‌کند و یک گرادیان فشار ایجاد می‌کند که آب را تسریع می‌کند.
خفه کردن جریان جت میدان الکتریکی به اندازه کافی قوی ایجاد می کند که الکترون ها را به انرژی بالا شتاب دهد.
اکتشافات شگفت انگیز در رفتار پلاسما
این الکترون‌های پرانرژی قبلاً در آزمایش جت توسط پرتوهای ایکسی که تولید می‌کنند شناسایی شده‌اند، و بلان می‌گوید حضور آنها غافلگیرکننده بود.
دلیل آن این است که درک متعارف می گوید پلاسمای جت برای الکترون ها خیلی سرد بود که نمی توانست به انرژی بالا شتاب بگیرد.
توجه داشته باشید که “سرد” یک اصطلاح نسبی است: اگرچه این پلاسما دمایی در حدود 20000 کلوین (35500 درجه فارنهایت ) داشت – بسیار گرمتر از هر چیزی که معمولاً انسان با آن روبرو می شود – اما به دمای تاج خورشید که بیش از یک میلیون است نزدیک نیست. کلوین (1.8 میلیون درجه فارنهایت)
او می‌گوید: «بنابراین، سؤال این است که چرا ما اشعه ایکس را می‌بینیم؟»
تصور می‌شد که پلاسمای سرد قادر به تولید الکترون‌های پرانرژی نیستند، زیرا آنها بیش از حد در معرض «برخورد» هستند، به این معنی که یک الکترون نمی‌تواند قبل از برخورد با ذره‌ای بسیار دور سفر کند.
مانند راننده ای است که سعی می کند مسابقه را از طریق گره بزرگراه بکشد.
راننده ممکن است به پدال گاز برخورد کند، اما قبل از برخورد با ماشین دیگر، فقط چند فوت حرکت می کند. در مورد پلاسمای سرد، یک الکترون قبل از برخورد و کاهش سرعت فقط حدود یک میکرون شتاب می گیرد.
اولین تلاش گروه بلان برای توضیح این پدیده، مدلی بود که نشان می‌داد بخشی از الکترون‌ها می‌توانند در طول اولین میکرون سفر از برخورد با ذرات دیگر جلوگیری کنند.
طبق این تئوری، این به الکترون‌ها اجازه می‌داد تا به سرعت کمی بیشتر شتاب بگیرند و زمانی که سریع‌تر رفتند، می‌توانستند قبل از برخورد با ذره دیگری که ممکن است با آن برخورد کنند، کمی دورتر حرکت کنند.
بخشی از آن الکترون‌هایی که اکنون سریع‌تر هستند، دوباره برای مدتی از برخورد اجتناب می‌کنند و به آنها اجازه می‌دهد تا به سرعت بالاتری برسند، که به آنها امکان می‌دهد حتی دورتر سفر کنند و یک حلقه بازخورد مثبت ایجاد کند که به چند الکترون خوش شانس اجازه می‌دهد دورتر بروند. و سریع تر، دستیابی به سرعت های بالا و انرژی های بالا.
بلان می‌گوید، اما اگرچه این نظریه قانع‌کننده بود، اما اشتباه بود.
او می‌گوید: «متوجه شد که این استدلال یک نقص دارد، زیرا الکترون‌ها واقعاً به معنای برخورد یا برخورد نکردن با چیزی با هم برخورد نمی‌کنند.
همه آنها در واقع همیشه کمی منحرف می شوند. بنابراین، چیزی به نام الکترون وجود ندارد که در حال برخورد یا عدم برخورد باشد.»
بینش جدید از شبیه سازی های کامپیوتری
با این حال، الکترون های پرانرژی در پلاسمای سرد آزمایش جت ظاهر می شوند.
بلان برای پی بردن به چرایی این امر، یک کد کامپیوتری ایجاد کرد که اعمال 5000 الکترون و 5000 یون را محاسبه می کرد که به طور مداوم از یکدیگر در میدان الکتریکی منحرف می شوند.
او برای اینکه بفهمد چگونه چند الکترون موفق می‌شوند به انرژی‌های بالا برسند، پارامترها را تغییر داد و نحوه تغییر رفتار الکترون‌ها را مشاهده کرد.
همانطور که الکترون ها در میدان الکتریکی شتاب می گیرند، از نزدیک یون ها عبور می کنند اما در واقع هرگز آنها را لمس نمی کنند.
گاهی اوقات، یک الکترون به قدری از کنار یک یون عبور می کند که انرژی را به الکترون متصل به یون منتقل می کند و سرعتش را کاهش می دهد، با یون “هیجان زده” که اکنون نور مرئی ساطع می کند.
از آنجایی که الکترون‌ها فقط گاهی از نزدیک عبور می‌کنند، معمولاً فقط کمی از یون منحرف می‌شوند بدون اینکه آن را تحریک کنند.
این نشت انرژی گاه به گاه در اکثر الکترون ها اتفاق می افتد، به این معنی که آنها هرگز به انرژی های بالایی نمی رسند.
هنگامی که بلان شبیه سازی خود را بهینه کرد، چند الکترون پرانرژی که قادر به ایجاد اشعه ایکس بودند ظاهر شدند.
او می افزاید: «تعدادی خوش شانس که هرگز به اندازه کافی به یک یون نزدیک نمی شوند تا آن را تحریک کنند، هرگز انرژی خود را از دست نمی دهند.
این الکترون ها به طور مداوم در میدان الکتریکی شتاب می گیرند و در نهایت انرژی کافی برای تولید اشعه ایکس به دست می آورند.
بلان می گوید که اگر این رفتار در جت پلاسما در آزمایشگاه Caltech او رخ دهد، احتمالاً در شراره های خورشیدی و موقعیت های اخترفیزیکی نیز اتفاق می افتد.
این همچنین ممکن است توضیح دهد که چرا گاهی اوقات پرتوهای ایکس با انرژی بالا و غیرمنتظره در طول آزمایش های انرژی همجوشی دیده می شود.
او می‌گوید: «سابقه‌ای طولانی در مورد دیدن چیزهایی وجود دارد که فکر می‌کردند ترکیب مفیدی هستند. «معلوم شد که فیوژن بود، اما واقعاً مفید نبود.
این میدان‌های الکتریکی گذرا شدید بود که توسط ناپایداری‌هایی که چند ذره را به انرژی بسیار بالا شتاب می‌دادند، ایجاد می‌شدند.
این ممکن است توضیح دهد که چه اتفاقی در حال رخ دادن است. این چیزی نیست که مردم می خواهند، اما احتمالاً همان چیزی است که اتفاق می افتد.»
مقاله توصیف کار در شماره 20 اکتبر فیزیک پلاسما ظاهر شد و در 3 نوامبر در شصت و پنجمین نشست سالانه بخش فیزیک پلاسما انجمن فیزیک آمریکا در دنور، کلرادو ارائه شد.
