Plazma Nedir? Maddenin Yeni Hali: Kuark-Gluon Plazması
Plazma, Kimya ve Fizikte "iyonize olmuş gaz" anlamına gelmektedir. İyonize gaz için kullanılan plazma kelimesi 1920 li yıllardan beri fizik literatüründe yer etmeye başlamıştır. Kendine özgü niteliklere sahip olduğundan, plazma hali maddenin katı, sıvı ve gaz halinden ayrı olarak incelenir. Katı bir cisimde cismi oluşturan moleküllerin hareketi cok azdır, moleküllerin ortalama kinetik enerjisi herhangi bir yöntemle (örneğin ısıtarak) arttırıldığında cisim ilk önce sıvıya sonra da gaza dönüşür ki gaz fazında elektronlar gayet hızlı hareket ederler. Eğer gaz halinden sonrada ısı verilmeye devam edilirse iyonlaşma başlayabilir, bir elektron çekirdek çekiminden kurtulur ve serbest bir elektron uzayı meydana getirerek maddeye yeni bir form kazandırır. Atomun bir elektronu eksik olacak ve net bir pozitif yüke sahip olacaktır. Yeterince ısıtılmış gaz içinde iyonlaşma defalarca tekrarlanır ve serbest elektron ve iyon bulutları oluşmaya başlar. Fakat bazı atomlar nötr kalmaya devam eder. Oluşan bu iyon, elektron ve nötr atom karışımı, plazma olarak adlandırılır.
Evrende madde dört halde bulunur. Bunlar katı, sıvı, gaz ve plazma halidir. Mikroskobik açıdan plazma, sürekli hareket eden ve etkileşen yüklü parçacıklar topluluğu olarak ifade edilir. Plazma içinde nötral atom yada moleküllerin olması plazma halini değiştirmez.
Plazmanın birim hacim içindeki negatif yüklü parçacıkların sayısı (genelde elektronlar) pozitif yüklü parçacık sayısına (genelde iyonlar) yaklaşık olarak eşit olduğundan, plazma elektriksel olarak nötraldir.
İlk bakışta plazma halinin, özellikleri açısından gaz halinden çok farklı olmadığı izlenimi oluşmaktadır. Oysaki plazma çok önemli özelliklere sahiptir. Plazmanın temel karakteristik özellikleri aşağıda verilmiştir,
1) Yukarıda açıklandığı gibi plazma elektriksel olarak nötraldir ve plazma çok iyi bir iletkendir. Bazen gümüşün ve bakırın iletkenliğinden 102 kat daha fazla iletkenlik gösterebilmektedir.
2) Plazmanın içinde bir noktada bir pertürbasyon oluşursa, bu pertürbasyonun etkisi tüm plazmaya elektromagnetik dalga hızı ile taşınılır. Gaz halinde bu taşınım, akustik dalgaların hızıyla, akustik sinyalin taşınımına benzer. Gazların taşını mı sırasında parçacıklar arasındaki çarpışma kısa mesafelidir. Plazmanın taşınımı durumunda ise yüklü parçacıklar arasındaki etkileşim elektromagnetik dalgalar yardımıyla uzun mesafede olur.
3) Plazma elektriksel olarak nötral olmasına rağmen elektrik ve magnetik alanlarla etkileşebilirler.
4) Plazma koşullarındaki kimyasal reaksiyonlar (plazma-kimyasal reaksiyonlar), gaz fazındaki kimyasal reaksiyonlardan büyüklük mertebesi açısından çok daha hızlıdır.
Evrende en çok bulunan hal plazma halidir ve evrenin %99’undan fazlası plazma halindedir. Evrende ki tüm yıldızlar, Güneş, Gezegenler ve gezegenler arası boşluklar, üzerinde yaşadığımız dünyamız plazma halinden başlayarak bu günkü hallerini almışlardır. Gerçekte plazma hali bir maddenin ilk halidir. Plazma, doğal olarak kendisi ile, çevresi, elektrik ve magnetik alanlarla etkileşim biçimleri açısından kendine özgü niteliklere sahiptir. Plazma, iyonlar, elektronlar, yüksüz atom ve moleküller ile fotonlar dan oluşan, bazı atomlar iyonlaşırken bazı iyonların elektronlarla birleşip atoma dönüştüğü, protonların sürekli olarak bir yandan ortaya çıktığı bir yandan da soğutulduğu bir karışım olarak düşünülebilir.
Dünyamızda bulunan maddelerin büyük çoğunluğu katı, sıvı ve gaz hallerindedirler. Maddenin plazma hali örneğin, yıldırımda, mum alevinde, kutup ışığında ve neon lambaları gibi elektrik boşalmalı lambalarda gözlenir.
Plazmanın temel bir farka karşın gazlarla ortak belli sayıda mekanik özelliği vardır: Coulomb çekim ve ritimleri çok uzaklarda etkili olduğundan plazmanın her parçacığı diğeri ile sürekli olarak etkileşim halindedir.
İlginç bir farklılık olarak gazların boşalan her şeyi doldurma özelliği varken plazmanın ise, toplaşma özelliği görülebilir. Bir magnetik alanın etkisi ile elektrikli tanecikler alan çizgilerini etrafında helisel yörüngeler çizerek harekete başlar.
Plazmanın Özellikleri
a) Plazma dış ortama karşı elektriksel olarak nötrdür. Yani plazma içerisindeki pozitif yüklerin ( iyonların yükleri) sayısı, negatif yüklerin (elektronlar) sayısına eşittir.
b) Plazma içerisindeki ayrışma, iyonizasyon ve bu olayların tersi olan yeniden yapılanma olayları sürekli meydana gelir. Adı geçen bu olaylar kendi aralarında plazma içerisinde bir dinamik denge halinde bulunurlar.
c) Plazma iyi bir elektrik ve ısı iletkenidir. Plazma içerisindeki parçacıklar bir enerji taşıyıcısıdırlar. Dolayısıyla elektrik ve ısı enerjisini de iletirler (taşınırlar). Plazma içerisindeki hızlarının yüksek oluşu nedeniyle özellikle elektronlar elektrik ve ısı iletiminde esas rolü oynarlar.
d) Plazma yüksek sıcaklık ve enerji yoğunluğuna sahiptir. Plazmanın sıcaklığı, enerji yoğunluğu, iyonizasyon derecesi ( iyonize olmuş atom sayısının toplam atom sayısına oranı ) ve plazma çıkış hızı (elektron hızı) plazma ekseni üzerinde maksimumdur.
Plazmaya elektrik ve magnetik alan uygulandığında plazmada bir takım değişikliklere sebep olabilir. Plazma içerisindeki parçacığa Lorentz kuvveti etki eder (F=qE+qVB ).
Plazmanın birçok tanımı yapılır. Bunların hepsi bizi plazmanın yüklü parçacıklar topluluğu olduğu sonucuna götürür. Peki ama her yüklü parçacıklar topluluğu plazma mıdır? Tabi ki her yüklü parçacıklar topluluğuna plazma diyemeyiz. Bunu söyleyebilmemiz için incelediğimiz materyalin bazı özelliklerini bilmeli ve ona göre karar vermeliyiz. İşte bu karar verme sürecinde kullandığımız kıstaslar Plazma Parametreleridir. Bu parametreler sayesinde biz, çalıştığımız materyalin bir plazma olup olmadığını bulabileceğimiz gibi, o materyalin neyin plazması olduğunu da bulabiliriz.
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 yüklerin sayısının, negatif yüklerin sayısına eşit olan atom veya moleküllerdir. Nötral bir moleküle, o elemente özel bir ayrışma enerjisinden daha büyük bir enerji verilirse, bu molekül atomlarına ayrışır.
b. İyon : İhtiva ettiği (+) yük sayısı, (-) yük sayısından büyük olan atomlardır ya da bunun tersi olabilir. Nötral bir atoma, o elementle özel bir iyonizasyon enerjisinden daha büyük bir enerji verildiği zaman, bu atom en az bir elektronunu ( negatif yükünü) kaybeder ve iyon haline geçer, yani iyonize olur.
c. Elektron : Atomun negatif yükü olup, değeri 1,6x10-19 culombdur.
d. Foton : Enerji yüklü ışın parçasıdır. Işın enerjisi taşıyıcısıdır.
e. Uyarılmış Atom : Üzerine iyonizasyon enerjisinden daha küçük bir enerji almış, elektron kaybetmiş atomdur. Bu atoma o elementin iyonizasyon enerjisinden daha küçük bir enerji verilirse, bu atomun çevresindeki elektronlar atomu terk etmeyip, bunlardan bir ve ya bir kaçı yörünge değiştirir. Yani bir üst enerji seviyesine geçer. Böylece uyarılmış atom olur.
f. Uyarma : Enerji alarak bir üst enerji seviyesine geçiş.
g. Sükunete Gelme : Enerji vererek ( foton) bir alt seviyeye geçiş.
Kaynak: Serdar DEMİRKOL, Lisans Tezi, Termiyonik Vakum Ark (TVA) Sistemiyle Nano-Katmanlı Yapıda Ag-Al2O3 Tabakalı Kompozit Malzeme Üretimi ve Fiziksel Özelliklerinin İncelenmesi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, 2004
Dört temel doğa kuvvetinden biri olan güçlü etkileşmenin kuramı Kuantum Renk Dinamiği'ne göre, kritik bir sıcaklığın ve baryon yoğunluğunun üstünde madde, kuark ve gluonlara ayrışarak maddenin yeni hali olarak kabul edilen kuark-gluon plazmayı oluşturur.
İsviçre'deki Avrupa Parçacık Fiziği Laboratuvarı (CERN) ve Amerika'daki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda yapılan deneylerde kuark-gluon plazmasının varlığına işaret eden güçlü kanıtlar elde edilmiş bulunuyor.
Neden Renkli Kuarklara İhtiyacımız Var?
Kuarkların üç tür renk yüküne sahip olduğunun ilk işareti, üç u (yukarı) kuarkın temel durumu olan delta A^ (uuu) ve üç s (garip) kuarkın temel durumu olan omega Q"(sss) baryonlarının varlığı. Bu baryonlar içindeki u ve s kuarklar Pauli Dışarlama İlkesine göre farklı kuantum sayılarına sahip olmalıdır. Fakat A^ ve Q" baryonlarındaki kuarklar temel durumda bulunduğundan aynı kuantum sayılarına sa-hipmiş gibi görülürler. Bu sorunu ortadan kaldırmak için 1969'da Nambu ve Gell-Mann birbirlerinden bağımsız olarak her bir kuarkın üç ayrı renkli kopyası olması gerektiğini iddia ettiler. Diğer deyişle her bir kuark kırmızı, mavi ve yeşil diye adlandırılan üç farklı durumda bulunabilir. Ancak bu renklerin bildiğimiz renklerle hiçbir ilgisi yoktur. Gözlenen hadronlar, üç rengin tümünü ya da bir renk ve bir antirenk içerdiğinden renksizdir. Böylece A++ ve Q" baryonlarındaki üç kuark farklı renklere sahiptir ve artık Pauli Dışarlama İlkesi ihlal edilmemektedir. Ayrıca, antikuarklar da antirenk yüküne sahip bulunuyorlar.
Üç rengin varlığını gösteren bir diğer önemli kanıt, elektron-pozitron çarpışma (e-+e+) deneylerinde elde edilen sonuçlardır. e-+e+ çarpışmasında, yüklü parçacık çiftleri elektromanyetik etkileşmeyle oluşuyorlar. Bu olay-da sanal foton oluşmakta ve oluşan foton ise e-+e+, μ-+μ+, τ-+τ+ şeklinde leptonlara ya da farklı hadronlara dönüşmekte. Mezon ve baryonların oluşumu e-+e+>q+q^—> hadronlar kanalıyla gerçekleşir. Kuarklara üç farklı renk yüküne sahip noktasal fermiyonlar gibi bakıldığında e- + e+ çarpışmasında hadron oluşumu olasılığının μ-+μ+ oluşumu olasılığına oranı, kaç çeşit renk yükü olduğuna ve kuark çeşni sayısına bağlıdır. Bu oran için elde edilen deneysel sonuçlar kuark modelinin öngörüsüyle uyum sağlamakta olup, kuarkların üç farklı renk yüküne sahip olması gerektiğini kanıtla-maktadır. Buna göre örneğin bir u kuark kırmızı renk yükü, mavi renk yükü ve yeşil renk yükü diye adlandırılan yüklerden herhangi birine sahiptir. Böylece birbirinden renk yükleriyle ayırt edilen üç çeşit u kuark mevcuttur.
Sonuçta renk yükü nedeniyle kuarkların sayısı üç kat artarken, çeşni uzayından bağımsız yeni bir renk uzayı da keşfedilmiş oluyordu. Bu gelişmelerin sonucunda kuarkların etkileşmelerini tanımlayan Kuantum Renk Dinamiği (QCD) kuramı ortaya çıktı. Elektromanyetik etkileşmede, parçacıkların elektrik yükü nedeniyle etkileşmesi gibi, güçlü etkileşmede de kuarklar renk yükleri nedeniyle etkileşirler. Elektrik yüklü parçacıklar birbirlerini foton değiş-tokuşu yaparak, iter ya da çekerler. Kuarklarsa birbirleriyle fotona benzeyen renk yüklü gluonlar aracılığıyla etkileşirler.
Küçük mesafelerde kuarklararası etkileşme zayıflar. Mesafe arttığındaysa, kuarklar arasındaki etkileşme kuvveti büyümekte.
Güçlü etkileşmenin böyle farklı özelliklere sahip olmasının nedeni, gluonların renk yükü taşıması. Bilindiği gibi elektromanyetik etkileşmeyi ile-ten fotonlar elektrik yüküne sahip olmadığından birbirleriyle doğrudan etkileşmeye girmezler. Fotonlardan farklı olarak gluonlar, bir diğer gluonu yakalayıp, soğurabilir ve bu olayda renk yükleri değişir. Kuarklararası etkileşme yalnız kuarkların renk yüküne bağlı olmayıp, bu kuarkları çevreleyen gluon bulutunun renk yüküne de bağlıdır. Kuarklararası mesafe büyüdükçe, gluon bulutlarının katkısından dolayı etkileşme kuvveti büyür. Sonuç olarak, kuarkların efektif renk yükleri (kuarkla çevre-sindeki gluon ve kuark-antikuark bulutlarının toplamını ifade eden renk yükü), kuarklararası mesafenin artmasıyla büyür. Bu özellik kuark ve gluonların sürekli hapsine (confinement) sebep olur. QCD' ye göre, yalnız renksiz parçacıklar gözlenebilir. Renksiz bir hadronu bileşenlerine ayırmaya çalışırsak, hadronu oluşturan kuarklararası etkileşme alanındaki enerji bir kuark-antikuark çifti oluşturmak için yeterli olduğunda (E=mc2) , bu enerji yeni kuark-antikuark çiftlerinin oluşumuna sebep olur. Ortaya çıkan kuark ve antikuarklarla birleşerek yeni parçacıklar oluşturur. Sonuç olarak, hadronları bileşenleri ayırmak için verdiğimiz enerji, yeni parçacıkların oluşumuna harcanır. Be nedenle kuarkları serbest halde gözlemlememiz yani tuzaklamamız mümkün olmaz.
Kuark-Gluon Plazma
Yüksek enerji fiziğindeki son gelişmeler çok sayıda kuarklar ve gluonlardan oluşmuş sistemlerin incelenmesini gerektirir. Kuark ve gluonlardan oluşmuş sistemin termodinamik özelliklerini inceleyen teoriye Termal Kuantum Renk Dinamiği (Termal QCD) denir. Hadronik maddenin sıcaklığı, dolayısıyla enerji yoğunluğu gittikçe arttırıldığında, kuark ve gluonlar serbest hale geçerek, maddenin yeni hali olarak kabul edilen kuark-gluon plazmayı (KGP) oluştururlar. KGP fazında kuarklar ve gluonlar herhangi bir hadrona ait olmayıp KGP' nin tüm hacmi boyunca serbestçe hareket etme olanağı bulurlar. Elektrik yüklü parçacıklardan oluşan plazmanın toplam elektrik yükü sıfır olduğu gibi, renk yüklü kuark ve gluonlardan oluşan plazmanın da toplam renk yükü sıfır olur. Termal QCD' ye göre, KGP' de protonlar ve nötronlar kimliklerini kaybeder ve hadron maddesi, normal nükleer maddeden farklı olarak kuark ve gluonların etkileşmede bulunduğu bir karışıma dönüşür. Bu kritik sıcaklığın 150 MeV (1,8 trilyon K) civarında olduğu tahmin ediliyor.
İncelemeler KGP'de kuarklararası etkileşmenin, uzun menzilli Coulomb etkileşmesi yapısında olduğunu göste-rir ve KGP pekçok açıdan elektrik yüklü parçacıklardan oluşmuş plazma-ya benzer. En önemli fark, kuark ve gluonların elektrik yükü değil, renk yükü taşımalarıdır. Bu yeni fazda, güçlü etkileşme zayıflar ve ideal renk iletken bir KGP plazma oluşur. KGP'de uzun menzilli renk kuvveti, elektron-iyon plazmasında olduğu gibi kolektif etkiler yüzünden perdelenir. Bilim adamları güçlü etkileşmenin özelliklerini KGP'yi inceleyerek daha iyi anlayabileceklerini düşünüyorlar.
KGP doğa'da bulunur mu? Termal QCD'ye göre evrendeki madde, bü-yük patlamadan yaklaşık 10-6 (saniye-nin milyarda biri) saniye sonra sıcak-lık birkaç trilyon derecenin altına düşene kadar kuark-gluon plazması ha-lindeydi. Ayrıca nötron yıldızı gibi do-gal ortamlarda da KGP bulunabilir. Nötron yıldızlarının merkezindeki maddenin, KGP oluşturabilecek kadar yüksek enerjiye (normal nükleer madde enerji yoğunluğunun 10 katı) sahip olduğu düşünülüyor. Ayrıca, laboratuar ortamında nükleon başına birkaç yüz GeV’lik ağır iyon çarpışmalarında KGP oluşabilir. Bu nedenle, fizikçiler son yıllarda evrenin başlangıcındaki koşulları yaratmak amacıyla yüksek enerjilerde (nükleon başına 100 GeV) ağır iyonları çarpıştırarak, KGP’yi oluşturmaya çalışıyorlar. Bu çarpışmalarda ortaya çıkan sıcaklık 2 trilyon °C olup, Güneşin merkezindeki sıcaklığın 100.000 katıdır. Büyük patlama esnasındaysa sıcaklığın 1029 (100 trilyon kere trilyon) °C olduğu düşünülmektedir.
plazma, gaz, deşarj, iyonlaşma, kuark - gluon, plazma, maddenin yeni hali, 4. dördüncü, hali, iyon iyon plazma yapmak plazmayı oluşturan elemanlar, plazmanın özellikleri plazma, nedir, renkli kuark, fizik, fiziği


