البلازما والاشعاع

ان تألق السماء في القطب الشمالي وكذلك البرق واضواء الاعلان في شوارع مدينة كبيرة تشهد كلها على ان البلازما تشع وتصدر ضوءا وبالإضافة الى اشعاع الضوء المرئي تقدر البلازما على اصدار اشعاع فوق البنفسجي غير مرئي كما يمكن للبلازما الحارة اصدار اشعاع سيني ايضا. ولهذه الاشعة جميعها كما نعلم ذات طبيعة واحدة ولا تختلف فيما بينها الا بالتواترات فقط.

وتقسم هذه الاشعاعات حسب آلية الاصدار الى اشعاع متقطع واخر مستمر دمجي (ناتج عن اعادة الاتحاد) او كبحي ويصدر كل من هذه الانواع ضمن نطاق طيفي معين.

فالإشعاع المتقطع: هو اشعاع خطوط معينة يرتبط كل خط منها بانتقال الكترون من سوية طاقية الى اخرى داخل الذرة. اما الاشعاعات الاخرى فلها طيف مستمر ويصدر الاشعاع الدمجي عند التقاط الكترون حر من قبل ايون يملك شحنة Z من تشكيا ايون بعدد شحنة اقل او تشكيل ذرة معتدلة ويصدر الاشعاع الكبحي من تفاعل اضعف بين الالكترون الحر والايون أي عندما لا يتم التقاط الالكترون وانما تكبح حركته فقط محولة طاقته الى اشعاع.

يلعب الاشعاع الخطي (المتقطع) دورا اساسيا في البلازما ضعيفة التأين في درجات الحرارة المنخفضة. فالجزيئات غير المتفككة والمتبقية في البلازما في درجات الحرارة المنخفضة جدا تصدر عوضا عن الخطوط الرفيعة شرائط جزيئية واسعة ومع ارتفاع درجات الحرارة يتعاظم دور الطيف المستمر- الدمجي ومن اجل درجات الحرارة الاكثر ارتفاعا يتعاظم طيف اشعاع الكبح. واذا تمكنا من بلوغ حالة التأين الكامل وذلك عند انتزاع كل الكترونات الذرة( وهذا سهل في حالة بلازما الهدروجين حيث يوجد الكترون واحد في كل ذرة) فان الخطوط المتقطعة تختفي بشكل عام.

غير انه في حالة وجود ذرات ثقيلة في البلازما فانه حتى في درجات الحرارة المرتفعة تبقى ايونات متعددة الشحنات محتفظة بأعمق اغلفتها الالكترونية الداخلية التي تشع كثيرا من الطاقة على خطوط طيفية فوق بنفسجية قاسية ولهذا السبب بالتحديد قد يؤدي التماس بين البلازما الحارة وجدران الوعاء الحاوي لها الى حوادث خطيرة اذ يمكن ان تتبخر مادة الجدران وتدخل ذراتها الثقيلة الى البلازما وتشع كثيرا من الطاقة وتحدث هذه الطاقة مزيدا من التبخير للجدران وبالنهاية

​فان البلازما ستتبرد وستشبع بالشوائب هذا وتتعاظم اشعاعات الدمج والكبح بحدة مع تزايد شحنة الايون وكثرة الالكترونات المتحررة حيث ان وجود ايونات متعددة الشحنات في البلازما يرفع من ضياع الطاقة عبر هذين النوعين من الاشعاع وبالتالي فان تسخين البلازما حتى درجات الحرارة مرتفعة (وهي درجات الحرارة اللازمة للتفاعلات النووية الحرارية على سبيل المثال) لا يتحقق عمليا الا في حالة البلازما التي تحوي ذرات خفيفة جدا (شحنة نواها صغيرة) وافضلها هو غاز الهدروجين او نظائره – الدوتريوم والتريتيوم. وينص القانون الاساس في نظرية الاشعاع على انه كلما زادت قدرة جسم ما على امتصاص اشعاع ازدادت مقدرته على اصدار نفس هذا الاشعاع. لهذا السبب تكون البلازما التي تشكل طبقة سميكة سماكة كافية غير شفافة من اجل كل الاشعاعات التي تكون قادرة على اصدارها حيث يقابل كل عملية امتصاص معاكسة فالعملية المعاكسة للإصدار المتقطع هي الامتصاص المتقطع للخطوط الطيفية. والعملية المعاكسة لإعادة الاتحاد (الدمج) بين الالكترون والايون هي امتصاص الضوء الدمجي المستمر وحدوث تأين الذرات وهذا ما يدعى المفعول الضوئي او الامتصاص الضوئي. واخيرا فان اصدار الاشعة الانكباحية تقابله عملية عكسية الا وهي امتصاص هذه الاشعة الانكباحية.

تضعف حزمة الضوء بمرورها عبر وسط ماص اسيا ويهبر عن ضعف شدة الحزمة J بالقانون: 

  In. J/J₀ = -kx

حيث –x ثخانه الطبقة التي قطعتها الحزمة، k يدعى معامل الامتصاص والمقدار الناتج عن مقلوبه – مسار الامتصاص.

ان امتصاص الاشعاع في البلازما ممكن الاسترجاع فهذا الاشعاع من جديد (والاصدار عكس الامتصاص) وهذا الامتصاص مع الاصدار اللاحق (اعادة الاشعاع) يكافئ التشتت ويؤدي مثله الى انتثار الاشعاع وتبدده وبما ان الاشعاع ينقل الطاقة فان انتثاره يدعى ايضا بالناقلية الحرارية الاشعاعية . ويتباطأ انتثار الاشعاع مع تزايد معامل الامتصاص مثل هذا الفعل اي حدوث امتصاص يتبعه حدوث اصدار لاحق يمكن ان يترافق مع تشتت حقيقي للضوء على الالكترونات (وهو ما يدعى بتشتت كمبتون او تومسون) . يتعلق امتصاص الضوء بتواتره الى حج كبير بينما لا يتعلق التشتت الالكتروني بالتواتر.

معامل الامتصاص الكلي الذي يميز الامتصاص الوسطي على كل التواترات بما في ذلك التشتت يدعى عتامة البلازما. ويتعلق انتثار الاشعاع او الناقلية الحرارية الاشعاعية للبلازما بعتامتها فقط. ويدعى جداء عتامه البلازما(وهو مقدار لا ابعاد له) بسماكة طبقتها بالسماكة الضوئية.

وعليه تكون طبقة البلازما ذات السماكة الضوئية الكبيرة عاتمة من اجل الاشعاع و لا يخرج الاشعاع من هذه الطبقة الا يفعل العملية البطيئة المتكررة لتبادل الاشعاع والتشتت مثل هذا الاشعاع يدعى بالإشعاع المحجوب وهو يكون في حالة توازن حراري مع المادة عندها وكما سنرى لاحقا يؤخذ في البلازما شرط التوازن التفصيلي⁽¹⁾ حيث يحافظ على التأين المتوازن حراريا وعلى العكس فان طبقة البلازما ذات السماكة الضوئية الصغيرة تكون شفافة ويخرج الاشعاع من مثل هذه الطبقة بشكل حر وعليه فان مفاهيم انتثار الاشعاع والناقلية الحرارية الاشعاعية تفقد معناها لمثل هذه الطبقة ولا وجود للتوازن الحراري بين الاشعاع والمادة وبين الايونات والالكترونات والذرات المعتدلة.

كلما ازدادت كثافة البلازما ازدادت عتامتها. في حالة البلازما الكثيفة حتى الطبقة الرقيقة تكون سميكة ضوئيا وفي البلازما المخلخلة حتى الطبقة السميكة تكون رقيقة ضوئيا لذلك فان البلازما الكثيفة تكون عمليا ودائما في حالة توازن حراري والبلازما المخلخلة في اكثر الاحيان تكون غير متوازنة حراريا.

بالإضافة الى ما سبق تصدر البلازما الحارة الخاضعة لتأثير حقل مغنطيسي اشعاعا كهرطيسيا او اشعاعا كهرطيسيا كبحيا وتتشكل الحركة الحرارية للجسيمات في البلازما الخاضعة لحقل مغنطيسي من حاصل تركيب حركتين هما الحركة الحرة على طول خطوط القوة وحركة الدوران السيكلتروني من حولها.

تتسبب الحركة الدورانية للإلكترونات حول خطوط القوة المغنطيسية بتوليد الاشعاع الكهرطيسي هذا النوع من الاشعاع مهم فقط من اجل البلازما الحارة جدا التي تحتوي على الكترونات نسبوية وهي الالكترونات التي تمتلك سرعات لا يجوز اهمالها اذا ما قورنت بسرعة الضوء تسرع الالكترونات النسبوية عادة ليس في السيكلترون بل في مسرع آخر الا وهو السنكروترون (المسرع الرحوي المتزامن). لذا فهو يدعى الاشعاع الكهرطيسي – الكبحي للاكترونات النسبوية كما يدعى بالإشعاع السنكروتوني ولهذا النوع من الاشعاع البلازموي اهمية كبرى في فيزياء الفلك.

حيث تقوم التلسكوبات الراديوية بالتقاط الامواج الراديوية (الكهرطيسية) الواردة الى الارض من الفضاء الكوني واحد المنابع الرئيسية لهذا الاشعاع الراديوي الكوني هو الاشعاع السنكروتروني لكتل الضباب الغازية في الكون. ويعد من منابع الاشعاع السنكروتروني المدروسة جيدا هو الكتلة الضبابية التي لها شكل السرطان (المجرة) والمتبقية بعد انفجار نجم سجل من قبل فلكيين صينيين في عام 1054 عندما يتعلم الباحثون في مجال التفاعلات النووية الحرارية كيفية الحصول على بلازما حارة متأينة على نحو كامل وغير حاوية على ايونات متعددة الشحنات ويتم التخلص بالتالي من كل الضياعات الاخرى على الاشعاع فان امكانية الرفع المثالي لدرجة حرارة البلازما ستبقى محدودة او مقيدة بالإشعاع الكهرطيسي فقط.

____________________________________

(1) يكمن شرط التوازن التفصيلي في ان العمليات المباشرة والعكسية تسير بنفس القابلية.