באמצע המאה ה-19 לקח החוקר הגרמני היינריך גייסלר שפופרת זכוכית, רוקן ממנה את האוויר כמעט לחלוטין והכניס לתוכה שני לוחות מתכת. הוא חיבר את לוחות המתכת למקור חשמל, והפלא ופלא – נוצר בתוכה אור יפהפה. מהר מאוד מצאה השפופרת החדשה את דרכה למעבדות המחקר, וגם לידיהם של אמנים שהציגו אותה במופעי רחוב.
כעבור 20 שנה בערך, החליט החוקר הבריטי וויליאם קרוקס לשפר את השפופרות של גייסלר ולהבין איך זה בכלל עובד. להפתעתו, הוא הבין שהצליח, לא פחות ולא יותר - למצוא את מצב הצבירה הרביעי של החומר, שבמאה ה-20 זכה לשם "פלזמה".
מאז שימשו השפופרות הללו למספר גדול של תגליות והמצאות.
שלושת מצבי הצבירה העיקריים של החומר הם מוצק, נוזל וגז. המוצק הוא קשיח ובעל צורה מוגדרת, הנוזל נשפך ומקבל את צורת הכלי שבו הוא נמצא, והגז מתנדף ומתפזר.
את השוני בין מצבי הצבירה אפשר להסביר אם מביטים על הסידור המיקרוסקופי של חלקיקי החומר. במצב מוצק, המולקולות קשורות יחדיו בכוח, ולכן הן מסודרות בסדר מופתי זו לצד זו.
כאשר מחממים את החומר, המולקולות נעשות יותר אנרגטיות עד שהן מצליחות להתנתק מהקשרים החזקים ונעות בחופשיות. ברגע זה החומר הותך, כלומר עבר ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזלי.
בנוזל הקשרים בין המולקולות הרבה יותר חלשים. הם עדיין לא מאפשרים למולקולות להתפזר לכל עבר, אך החומר רך יותר וקל מאוד לשנות את צורתו.
אם ממשיכים להעלות את הטמפרטורה, המולקולות הופכות לאנרגטיות כל כך עד שהן מצליחות להתנתק זו מזו. כעת החומר רותח, ועובר למצב צבירה של גז. אם כך, ממה בדיוק נותר למולקולות להתנתק במצב הצבירה פלזמה?
כל חומר בטבע מורכב ממולקולות, שהן קטנות כל כך עד שגרגר חול אחד קטן מורכב ממיליארדים של מולקולות. כל מולקולה מורכבת בעצמה מאטומים, וכל אטום בנוי מגרעין זעיר, שסביבו נעים חלקיקים קטנים בהרבה הקרויים אלקטרונים.
לאלקטרונים יש תכונה פיזיקאלית הנקראת מטען חשמלי. כשמדליקים מכשיר חשמלי, האלקטרונים זורמים אליו דרך החוטים בקיר, מעבירים אליו חשמל וגורמים לו לפעול.
בתוך האטום, האלקטרונים אינם חופשיים, אלא סובבים סביב גרעיני האטומים בחומר, שגם להם יש מטען חשמלי, אבל הפוך בדיוק לזה של האלקטרונים.
זו הסיבה שהאטום כולו, הכולל את האלקטרונים והגרעינים ביחד הוא ניטראלי, כלומר חסר מטען חשמלי. במצב כזה, של אטום ניטראלי, אומרים שהאלקטרונים "קשורים" לאטום.
במעבר ממצב צבירה גז למצב צבירה פלזמה, האלקטרונים עצמם מתנתקים מגרעיני האטומים. ניתן לנתק אותם על ידי חימום של גז לטמפרטורה גבוהה מאוד או באמצעות מתח חשמלי גבוה במיוחד, ובשיטות נוספות שבהן מעניקים להם אנרגיה גבוהה.
| העולם בקטן |
|
| תמונות ראשונות: כך נראית מולקולה / ynet |
|
לראשונה אי פעם - תמונה של מולקולה הקטנה פי 100 אלף מגרגיר חול. בעזרת מיקרוסקופ כוח אטומי, הצליחו מדעני IBM לייצר תמונה של מבנה האטומים במולקולה בודדת |
| לכתבה המלאה |
|
|
|
גם האטומים מחוסרי האלקטרונים טעונים במטען חשמלי. וכך, מצב הצבירה המוזר הזה הוא מין מרק מבעבע של אלקטרונים חופשיים, ואטומים מחוסרי אלקטרונים, כולם טעונים במטענים חשמליים.
הפלזמה היא מוליך חשמלי מצוין. אם מדובר בגז חם מאוד, הוא פולט אור רק בגלל הטמפרטורה שלו. צבע האור תלוי בטמפרטורה, והוא נוטה להיות כחול כשהיא גבוהה ואדום כשהיא נמוכה יותר.
הצבע מופיע לעיתים גם כשהאלקטרונים נקשרים בחזרה לאטומים, מאבדים אנרגיה ופולטים קרינת אור. על עיקרון זה מבוססים שלטי ניאון, נורות פלורוסנטיות ומסכי טלוויזיה מודרניים המכונים מסכי פלזמה. צבע האור הנפלט תלוי בסוג הגז ובסוג הציפוי של הנורה.
כיום נערכים במקומות שונים בעולם מחקרים בפלזמה שמטרתם למצוא מקור אנרגיה שיפתור את בעיות האנרגיה של האנושות, ומחקרים אחרים שמטרתם ליצור כלי נשק הרסניים המבוססים על פלזמה. חלק מהמחקרים הללו מסווגים כ"סודיים ביותר".
עם זאת, ודאי תופתעו לגלות שיותר מ-99 אחוזים מהחומר המוכר לנו ביקום מצויים במצב הצבירה הייחודי הזה. מה עשוי ממנו? השמש שלנו ורובם של הכוכבים ביקום עשויים מפלזמה, למשל.
גם על כדור הארץ נוצרת פלזמה באופן טבעי, ואתם בעצמכם הייתם עדים לכך – הזוהר הכחלחל של הברקים מסגיר את מצב הצבירה הייחודי שלהם.
כמעט כל החומרים בטבע יכולים להיות בכל אחד מארבעת מצבי הצבירה, כמובן בתנאי טמפרטורה ולחץ מתאימים. מים, למשל, בלחץ האטמוספרי הקיים על פני כדור הארץ, יותכו מקרח לנוזל בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס, וירתחו ויהפכו לאדים בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס.
רוצים להפוך את אדי המים לפלזמה? בשביל זה תצטרכו להמשיך ולהעלות את הטמפרטורה לאלפי מעלות צלזיוס, או להשתמש במתח חשמלי של אלפי וולט! אבל לפני שאתם מתחילים בחימום, כדאי לסגור את הדלת ולתלות שלט "נא לא להפריע". אל תשכחו שזה סודי ביותר...
הכתבה התפרסמה במגזין "גלילאו צעיר"
מבית מוטו תקשורת.
לכתבות נוספות של גליליאו צעיר באתר ifeel
