Plazma Fizi�i - plazmafizigi.blogcu.com

Plazma Nedir? Maddenin Yeni Hali: Kuark-Gluon Plazmas�

10/4/2008 � Plazma: Plazma

Plazma, Kimya ve Fizikte "iyonize olmu� gaz" anlam�na gelmektedir. �yonize gaz i�in kullan�lan plazma kelimesi 1920 li y�llardan beri fizik literat�r�nde yer etmeye ba�lam��t�r. Kendine �zg� niteliklere sahip oldu�undan, plazma hali maddenin kat�, s�v� ve gaz halinden ayr� olarak incelenir. Kat� bir cisimde cismi olu�turan molek�llerin hareketi cok azd�r, molek�llerin ortalama kinetik enerjisi herhangi bir y�ntemle (�rne�in �s�tarak) artt�r�ld��nda cisim ilk �nce s�v�ya sonra da gaza d�n��r ki gaz faz�nda elektronlar gayet h�zl� hareket ederler. E�er gaz halinden sonrada �s� verilmeye devam edilirse iyonla�ma ba�layabilir, bir elektron �ekirdek �ekiminden kurtulur ve serbest bir elektron uzay� meydana getirerek maddeye yeni bir form kazand�r�r. Atomun bir elektronu eksik olacak ve net bir pozitif y�ke sahip olacakt�r. Yeterince �s�t�lm�� gaz i�inde iyonla�ma defalarca tekrarlan�r ve serbest elektron ve iyon bulutlar� olu�maya ba�lar. Fakat baz� atomlar n�tr kalmaya devam eder. Olu�an bu iyon, elektron ve n�tr atom kar��m�, plazma olarak adland�r�l�r.

Evrende madde d�rt halde bulunur. Bunlar kat�, s�v�, gaz ve plazma halidir. Mikroskobik a��dan plazma, s�rekli hareket eden ve etkile�en y�kl� par�ac�klar toplulu�u olarak ifade edilir. Plazma i�inde n�tral atom yada molek�llerin olmas� plazma halini de�i�tirmez.

Plazman�n birim hacim i�indeki negatif y�kl� par�ac�klar�n say�s� (genelde elektronlar) pozitif y�kl� par�ac�k say�s�na (genelde iyonlar) yakla��k olarak e�it oldu�undan, plazma elektriksel olarak n�traldir.

Maddelerin d�rt hali. Kat� halde atomlar belirli uzakl�klara sahiptir. S�v� halde atomlar aras� uzakl�k artar. Gaz halinde ise atomlar aras�ndaki ba� uzunluklar� daha da artar. Plazma halinde ise atomlar iyonla��r ve s�rekli olarak birbirleri ile �arp��rlar.

�lk bak��ta plazma halinin, �zellikleri a��s�ndan gaz halinden �ok farkl� olmad�� izlenimi olu�maktad�r. Oysaki plazma �ok �nemli �zelliklere sahiptir. Plazman�n temel karakteristik �zellikleri a�a��da verilmi�tir,

1) Yukar�da a��kland�� gibi plazma elektriksel olarak n�traldir ve plazma �ok iyi bir iletkendir. Bazen g�m��n ve bak�r�n iletkenli�inden 10² kat daha fazla iletkenlik g�sterebilmektedir.

2) Plazman�n i�inde bir noktada bir pert�rbasyon olu�ursa, bu pert�rbasyonun etkisi t�m plazmaya elektromagnetik dalga h�z� ile ta��n�l�r. Gaz halinde bu ta��n�m, akustik dalgalar�n h�z�yla, akustik sinyalin ta��n�m�na benzer. Gazlar�n ta��n� m� s�ras�nda par�ac�klar aras�ndaki �arp��ma k�sa mesafelidir. Plazman�n ta��n�m� durumunda ise y�kl� par�ac�klar aras�ndaki etkile�im elektromagnetik dalgalar yard�m�yla uzun mesafede olur.

3) Plazma elektriksel olarak n�tral olmas�na ra�men elektrik ve magnetik alanlarla etkile�ebilirler.

4) Plazma ko�ullar�ndaki kimyasal reaksiyonlar (plazma-kimyasal reaksiyonlar), gaz faz�ndaki kimyasal reaksiyonlardan b�y�kl�k mertebesi a��s�ndan �ok daha h�zl�d�r.

Evrende en �ok bulunan hal plazma halidir ve evrenin %99’undan fazlas� plazma halindedir. Evrende ki t�m y�ld�zlar, G�ne�, Gezegenler ve gezegenler aras� bo�luklar, �zerinde ya�ad��m�z d�nyam�z plazma halinden ba�layarak bu g�nk� hallerini alm��lard�r. Ger�ekte plazma hali bir maddenin ilk halidir. Plazma, do�al olarak kendisi ile, �evresi, elektrik ve magnetik alanlarla etkile�im bi�imleri a��s�ndan kendine �zg� niteliklere sahiptir. Plazma, iyonlar, elektronlar, y�ks�z atom ve molek�ller ile fotonlar dan olu�an, baz� atomlar iyonla��rken baz� iyonlar�n elektronlarla birle�ip atoma d�n��t��, protonlar�n s�rekli olarak bir yandan ortaya ��kt�� bir yandan da so�utuldu�u bir kar��m olarak d��n�lebilir.

D�nyam�zda bulunan maddelerin b�y�k �o�unlu�u kat�, s�v� ve gaz hallerindedirler. Maddenin plazma hali �rne�in, y�ld�r�mda, mum alevinde, kutup ��nda ve neon lambalar� gibi elektrik bo�almal� lambalarda g�zlenir.

Plazman�n temel bir farka kar��n gazlarla ortak belli say�da mekanik �zelli�i vard�r: Coulomb �ekim ve ritimleri �ok uzaklarda etkili oldu�undan plazman�n her par�ac�� di�eri ile s�rekli olarak etkile�im halindedir.

�lgin� bir farkl�l�k olarak gazlar�n bo�alan her �eyi doldurma �zelli�i varken plazman�n ise, topla�ma �zelli�i g�r�lebilir. Bir magnetik alan�n etkisi ile elektrikli tanecikler alan �izgilerini etraf�nda helisel y�r�ngeler �izerek harekete ba�lar.

Plazman�n �zellikleri

a) Plazma d�� ortama kar�� elektriksel olarak n�trd�r. Yani plazma i�erisindeki pozitif y�klerin ( iyonlar�n y�kleri) say�s�, negatif y�klerin (elektronlar) say�s�na e�ittir.

b) Plazma i�erisindeki ayr��ma, iyonizasyon ve bu olaylar�n tersi olan yeniden yap�lanma olaylar� s�rekli meydana gelir. Ad� ge�en bu olaylar kendi aralar�nda plazma i�erisinde bir dinamik denge halinde bulunurlar.

c) Plazma iyi bir elektrik ve �s� iletkenidir. Plazma i�erisindeki par�ac�klar bir enerji ta��y�c�s�d�rlar. Dolay�s�yla elektrik ve �s� enerjisini de iletirler (ta��n�rlar). Plazma i�erisindeki h�zlar�n�n y�ksek olu�u nedeniyle �zellikle elektronlar elektrik ve �s� iletiminde esas rol� oynarlar.

d) Plazma y�ksek s�cakl�k ve enerji yo�unlu�una sahiptir. Plazman�n s�cakl��, enerji yo�unlu�u, iyonizasyon derecesi ( iyonize olmu� atom say�s�n�n toplam atom say�s�na oran� ) ve plazma ��k�� h�z� (elektron h�z�) plazma ekseni �zerinde maksimumdur.

Plazmaya elektrik ve magnetik alan uyguland��nda plazmada bir tak�m de�i�ikliklere sebep olabilir. Plazma i�erisindeki par�ac��a Lorentz kuvveti etki eder (F=qE+qVB ).

Plazman�n bir�ok tan�m� yap�l�r. Bunlar�n hepsi bizi plazman�n y�kl� par�ac�klar toplulu�u oldu�u sonucuna g�t�r�r. Peki ama her y�kl� par�ac�klar toplulu�u plazma m�d�r? Tabi ki her y�kl� par�ac�klar toplulu�una plazma diyemeyiz. Bunu s�yleyebilmemiz i�in inceledi�imiz materyalin baz� �zelliklerini bilmeli ve ona g�re karar vermeliyiz. ��te bu karar verme s�recinde kulland��m�z k�staslar Plazma Parametreleridir. Bu parametreler sayesinde biz, �al��t��m�z materyalin bir plazma olup olmad��n� bulabilece�imiz gibi, o materyalin neyin plazmas� oldu�unu da bulabiliriz.

Temel parametreler d��nda plazma parametrelerini 6 ana ba�l�k alt�nda toplayabiliriz. Bunlar

- Plazma s�cakl�� veya daha basit�e Elektron s�cakl��.
- Plazma Yo�unlu�u
- �yonizasyon Derecesi
- Debye Uzunlu�u
- Plazma Frekans�
- Plazma Beta (β) d�r.

Plazmay� Olu�turan Elemanlar

a. N�tral atom ve n�tral molek�l: �htiva ettikleri pozitif y�klerin say�s�n�n, negatif y�klerin say�s�na e�it olan atom veya molek�llerdir. N�tral bir molek�le, o elemente �zel bir ayr��ma enerjisinden daha b�y�k bir enerji verilirse, bu molek�l atomlar�na ayr��r.

b. �yon : �htiva etti�i (+) y�k say�s�, (-) y�k say�s�ndan b�y�k olan atomlard�r ya da bunun tersi olabilir. N�tral bir atoma, o elementle �zel bir iyonizasyon enerjisinden daha b�y�k bir enerji verildi�i zaman, bu atom en az bir elektronunu ( negatif y�k�n�) kaybeder ve iyon haline ge�er, yani iyonize olur.

c. Elektron : Atomun negatif y�k� olup, de�eri 1,6x10^-19 culombdur.

d. Foton : Enerji y�kl� ��n par�as�d�r. I��n enerjisi ta��y�c�s�d�r.

e. Uyar�lm�� Atom : �zerine iyonizasyon enerjisinden daha k��k bir enerji alm��, elektron kaybetmi� atomdur. Bu atoma o elementin iyonizasyon enerjisinden daha k��k bir enerji verilirse, bu atomun �evresindeki elektronlar atomu terk etmeyip, bunlardan bir ve ya bir ka�� y�r�nge de�i�tirir. Yani bir �st enerji seviyesine ge�er. B�ylece uyar�lm�� atom olur.

f. Uyarma : Enerji alarak bir �st enerji seviyesine ge�i�.

g. S�kunete Gelme : Enerji vererek ( foton) bir alt seviyeye ge�i�.

Kaynak: Serdar DEM�RKOL, Lisans Tezi, Termiyonik Vakum Ark (TVA) Sistemiyle Nano-Katmanl� Yap�da Ag-Al2O3 Tabakal� Kompozit Malzeme �retimi ve Fiziksel �zelliklerinin �ncelenmesi, Eski�ehir Osmangazi �niversitesi, Fen-Edebiyat Fak�ltesi, Fizik B�l�m�, 2004

Maddenin Yeni Hali: Kuark-Gluon Plazmas�

D�rt temel do�a kuvvetinden biri olan g��l� etkile�menin kuram� Kuantum Renk Dinami�i'ne g�re, kritik bir s�cakl��n ve baryon yo�unlu�unun �st�nde madde, kuark ve gluonlara ayr��arak maddenin yeni hali olarak kabul edilen kuark-gluon plazmay� olu�turur.

Kuarklar, proton ve n�tron gibi �ekirdek par�ac�klar�n�, ta��d�klar� "renk y�k�" sayesinde �e�itli bile�imlerle olu�turan en temel madde par�ac�klar�. Gluonlar ise, kuarklar� birbirine ba�layan kuvvet ta��y�c� par�ac�klar. Bilim adamlar�na g�re, b�y�k patla-madan birka� mikrosaniye sonra ev-ren kuark-gluon plazmas� durumun-dayd�. Yery�z�nde kuark-gluon plazmas�n� inceleyebilmemizin tek yolu, y�ksek enerjilerde a��r iyonlar� �arp��t�rmak. Ancak bu �arp��malar sonu-cunda detayl� bilgi edinmek o kadar da kolay de�il. T�m deneylerde g�zle-nen tek �ey h�zland�r�c� t�nellerde par�ac�klar�n y�ksek enerjilerde �arp��t�r�lmas�yla olu�an par�ac�klar sa�ana��. Fizik�iler atomlar�n �ekirde�ini olu�turan proton ve n�tron gibi par�ac�klar olan her n�kleon ba��na 200 GeV (milyar elektronvolt) enerjili a��r iyonlari �arp��t�r�p, olu�an ate� topundan ��kan par�ac�klar� inceleyerek, kuark-gluon plazmas�n� g�zlemle-meye �al��yorlar. Kuark-gluon plazma sinyallerini belirleyebilmek i�in �ok say�da uluslararas� i�birli�iyle �al��malar yap�lmakta.

�svi�re'deki Avrupa Par�ac�k Fizi�i Laboratuvar� (CERN) ve Amerika'daki Brookhaven Ulusal Laboratuvar�'nda yap�lan deneylerde kuark-gluon plazmas�n�n varl��na i�aret eden g��l� kan�tlar elde edilmi� bulunuyor.

Neden Renkli Kuarklara �htiyac�m�z Var?

Kuarklar�n �� t�r renk y�k�ne sahip oldu�unun ilk i�areti, �� u (yukar�) kuark�n temel durumu olan delta A^ (uuu) ve �� s (garip) kuark�n temel durumu olan omega Q"(sss) baryonlar�n�n varl��. Bu baryonlar i�indeki u ve s kuarklar Pauli D��arlama �lkesine g�re farkl� kuantum say�lar�na sahip olmal�d�r. Fakat A^ ve Q" baryonlar�ndaki kuarklar temel durumda bulundu�undan ayn� kuantum say�lar�na sa-hipmi� gibi g�r�l�rler. Bu sorunu ortadan kald�rmak i�in 1969'da Nambu ve Gell-Mann birbirlerinden ba��ms�z olarak her bir kuark�n �� ayr� renkli kopyas� olmas� gerekti�ini iddia ettiler. Di�er deyi�le her bir kuark k�rm�z�, mavi ve ye�il diye adland�r�lan �� farkl� durumda bulunabilir. Ancak bu renklerin bildi�imiz renklerle hi�bir ilgisi yoktur. G�zlenen hadronlar, �� rengin t�m�n� ya da bir renk ve bir antirenk i�erdi�inden renksizdir. B�ylece A⁺⁺ve Q" baryonlar�ndaki �� ku�ark farkl� renklere sahiptir ve art�k Pa�uli D��arlama �lkesi ihlal edilmemektedir. Ayr�ca, antikuarklar da antirenk y�k�ne sahip bulunuyorlar.

�� rengin varl��n� g�steren bir di�er �nemli kan�t, elektron-pozitron �arp��ma (e^-+e⁺) deneylerinde elde edilen sonu�lard�r. e-+e+ �arp��mas�nda, y�kl� par�ac�k �iftleri elektromanyetik etkile�meyle olu�uyorlar. Bu olay-da sanal foton olu�makta ve olu�an foton ise e^-+e⁺, μ^-+μ⁺, τ^-+τ⁺ �eklinde leptonlara ya da farkl� hadronlara d�n��mekte. Mezon ve baryonlar�n olu�umu e^-+e⁺>q⁺q^{^}—> hadronlar kanal�yla ger�ekle�ir. Kuarklara �� farkl� renk y�k�ne sahip noktasal fermiyonlar gi�bi bak�ld��nda e^- + e⁺ �arp��mas�nda hadron olu�umu olas�l��n�n μ^-+μ⁺ olu�umu olas�l��na oran�, ka� �e�it renk y�k� oldu�una ve kuark �e�ni say�s�na ba�l�d�r. Bu oran i�in elde edilen deneysel sonu�lar kuark modelinin �ng�r�s�yle uyum sa�lamakta olup, kuarklar�n �� farkl� renk y�k�ne sahip olmas� gerekti�ini kan�tla-maktad�r. Buna g�re �rne�in bir u ku�ark k�rm�z� renk y�k�, mavi renk y�k� ve ye�il renk y�k� diye adland�r�lan y�klerden herhangi birine sahiptir. B�ylece birbirinden renk y�kleriyle ay�rt edilen �� e�it u kuark mevcuttur.

Sonu�ta renk y�k� nedeniyle kuarklar�n say�s� �� kat artarken, �e�ni uzay�ndan ba��ms�z yeni bir renk uzay� da ke�fedilmi� oluyordu. Bu geli�melerin sonucunda kuarklar�n etkile�melerini tan�mlayan Kuantum Renk Dinami�i (QCD) kuram� ortaya ��kt�. Elektromanyetik etkile�mede, par�ac�klar�n elektrik y�k� nedeniyle etkile�mesi gibi, g��l� etkile�mede de ku�arklar renk y�kleri nedeniyle etkile�irler. Elektrik y�kl� par�ac�klar birbirlerini foton de�i�-toku�u yaparak, iter ya da �ekerler. Kuarklarsa birbirleriyle fotona benzeyen renk y�kl� gluonlar arac�l��yla etkile�irler.

K��k mesafelerde kuarklararas� etkile�me zay�flar. Mesafe artt��ndaysa, kuarklar aras�ndaki etkile�me kuvveti b�y�mekte.

G��l� etkile�menin b�yle farkl� �zelliklere sa�hip olmas�n�n nedeni, gluonlar�n renk y�k� ta��mas�. Bilindi�i gibi elektro�manyetik etkile�meyi ile-ten fotonlar elektrik y�k�ne sahip olmad��ndan birbirleriyle do�rudan etkile�meye girmezler. Fotonlardan farkl� olarak gluonlar, bir di�er gluonu yakalay�p, so�urabilir ve bu olayda renk y�kleri de�i�ir. Kuarklararas� etkile�me yaln�z kuarklar�n renk y�k�ne ba�l� olmay�p, bu kuarklar� �evreleyen gluon bulutunun renk y�k�ne de ba�l�d�r. Kuarklararas� mesafe b�y�d�k�e, gluon bulutlar�n�n katk�s�ndan dolay� etkile�me kuvveti b�y�r. Sonu� olarak, kuarklar�n efektif renk y�kleri (kuarkla �evre-sindeki gluon ve kuark-antikuark bulutlar�n�n toplam�n� ifade eden renk y�k�), kuarklararas� mesafenin artmas�yla b�y�r. Bu �zellik kuark ve gluonlar�n s�rekli hapsine (confinement) sebep olur. QCD' ye g�re, yaln�z renksiz par�ac�klar g�zlenebilir. Renksiz bir hadronu bile�enlerine ay�rmaya �al��rsak, hadronu olu�turan kuarklararas� etkile�me alan�ndaki enerji bir kuark-antikuark �ifti olu�turmak i�in yeterli oldu�unda (E=mc²) , bu enerji yeni ku�ark-antikuark �iftlerinin olu�umuna sebep olur. Ortaya ��kan kuark ve antikuarklarla birle�erek yeni par�ac�klar olu�turur. Sonu� olarak, hadronlar� bile�enleri ay�rmak i�in verdi�imiz enerji, yeni par�ac�klar�n olu�umuna harcan�r. Be nedenle kuarklar� serbest halde g�zlemlememiz yani tuzaklamam�z m�mk�n olmaz.

Kuark-Gluon Plazma

Y�ksek enerji fizi�indeki son geli�meler �ok say�da kuarklar ve gluonlardan olu�mu� sistemlerin incelenmesini gerektirir. Kuark ve gluonlardan olu�mu� sistemin termodinamik �zelliklerini inceleyen teoriye Termal Kuantum Renk Dinami�i (Termal QCD) denir. Hadronik maddenin s�cakl��, dolay�s�yla enerji yo�unlu�u gittik�e artt�r�ld��nda, kuark ve gluonlar ser�best hale ge�erek, maddenin yeni hali olarak kabul edilen kuark-gluon plazmay� (KGP) olu�tururlar. KGP faz�nda kuarklar ve gluonlar herhangi bir hadrona ait olmay�p KGP' nin t�m hacmi boyunca serbest�e hareket etme olana�� bulurlar. Elektrik y�kl� par�ac�klardan olu�an plazman�n toplam elekt�rik y�k� s�f�r oldu�u gibi, renk y�kl� kuark ve gluonlardan olu�an plazman�n da toplam renk y�k� s�f�r olur. Termal QCD' ye g�re, KGP' de protonlar ve n�tronlar kimliklerini kaybeder ve hadron maddesi, normal n�kleer maddeden farkl� olarak kuark ve gluonlar�n etkile�mede bulundu�u bir kar��ma d�n��r. Bu kritik s�cakl��n 150 MeV (1,8 trilyon K) civar�nda oldu�u tahmin ediliyor.

�ncelemeler KGP'de kuarklararas� etkile�menin, uzun menzilli Coulomb etkile�mesi yap�s�nda oldu�unu g�ste-rir ve KGP pek�ok a��dan elektrik y�kl� par�ac�klardan olu�mu� plazma-ya benzer. En �nemli fark, kuark ve gluonlar�n elektrik y�k� de�il, renk y�k� ta��malar�d�r. Bu yeni fazda, g��l� etkile�me zay�flar ve ideal renk iletken bir KGP plazma olu�ur. KGP'de uzun menzilli renk kuvveti, elektron-iyon plazmas�nda oldu�u gibi kolektif etkiler y�z�nden perdelenir. Bilim adamlar� g��l� etkile�menin �zelliklerini KGP'yi inceleyerek daha iyi anlayabileceklerini d��n�yorlar.

KGP do�a'da bulunur mu? Termal QCD'ye g�re evrendeki madde, b�-y�k patlamadan yakla��k 10^-6 (saniye-nin milyarda biri) saniye sonra s�cak-l�k birka� trilyon derecenin alt�na d��ene kadar kuark-gluon plazmas� ha-lindeydi. Ayr�ca n�tron y�ld�z� gibi do-gal ortamlarda da KGP bulunabilir. N�tron y�ld�zlar�n�n merkezindeki maddenin, KGP olu�turabilecek ka�dar y�ksek enerjiye (normal n�kleer madde enerji yo�unlu�unun 10 kat�) sahip oldu�u d��n�l�yor. Ayr�ca, laboratuar ortam�nda n�kleon ba��na birka� y�z GeV’lik a��r iyon �arp��malar�nda KGP olu�abilir. Bu nedenle, fizik�iler son y�llarda evrenin ba�lang�c�ndaki ko�ullar� yaratmak amac�yla y�ksek enerjilerde (n�kleon ba��na 100 GeV) a��r iyonlar� �arp��t�rarak, KGP’yi olu�turmaya �al��yorlar. Bu �arp��malarda ortaya ��kan s�cakl�k 2 trilyon �C olup, G�ne�in merkezindeki s�cakl��n 100.000 kat�d�r. B�y�k patlama esnas�ndaysa s�cakl��n 10²⁹ (100 trilyon kere trilyon) �C oldu�u d��n�lmektedir.

Kaynak: Prof.Dr. E.V Veliev Bilim Teknik Dergisi

plazma, gaz, de�arj, iyonla�ma, kuark - gluon, plazma, maddenin yeni hali, 4. d�rd�nc�, hali, iyon iyon plazma yapmak plazmay� olu�turan elemanlar, plazman�n �zellikleri plazma, nedir, renkli kuark, fizik, fizi�i

Kal�c� Ba�lant� Yorum (0) Yorum yaz!

Plazma Fizigi

Yorumlar�n�z� Bekliyoruz...

Plazma Fizi�i Hakk�nda Ar�iv

Plazma Nedir? Maddenin Yeni Hali: Kuark-Gluon Plazmas�

Son Yaz�lar�m

Ba�lant�lar�m

istanbul

Son Yaz�lar�m