ماده در طبیعت به چهار حالت جامد. مایع . گاز و پلاسما و جود دارد بنابر این پلاسما حالت چهارم ماده است ، اگر ما به یک تکه یخ که جامد است 57.7 Kcal/mcl انرژی بدهیم تبدیل به مایع(حالت دوم) و اگر 68.3 Kcal/mcl به حالت گاز(حالت سوم) و اگر انرژی دادن را ادامه دهیم به حالت پلاسما(حالت چهارم) در می آید.
البته در سه حالت قبل ماده دارای خواص فیزیکی و شیمیایی ثابت و دارای انرژی نهان مشخص و معین که ارتباط مستقیم با دما، فشار در حالت گاز داشته مواجه می شدیم ولی در حالت پلاسما ماده دارای هیچگونه مرز مشخصی برای خواص فیزیکی، شیمیایی، الکتریکی و به خصوص انرژی ندارد و گذشته از این پلاسما حالت جامد و مایع، طیف وسیعی از حالات پلاسما سرد ، کُرونا ، تابش درخشان ،پلاسمای داغ، پلاسمای داغ داغ و .. را در بر می گیرد. در واقع پلاسما مرز بی انتهایی از انرژی برای ماده به حساب می آید.
اصولا گروه بندی ساده ای از پلاسما تعریف می کنند که عمدتا این گروه بندی برای پلاسمایی که در طبیعت وجود دارد و یا به دست انسان در دستگاه ها و آزمایشگاه بوجود آمده است. هریک از این گروه ها از لحاظ پارامترهای پلاسمایی مشخص کننده حالت پلاسما تعریف و گروه بندی شده اند . این گروه بندی ها را می توانید در دستگاه ها یا طبیعت مشاهده کنید
حال برای اینکه مفهومی از چگونگی به وجود آمدن حالات مختلف پلاسما داشته باشیم.فرض کنید که در یک ظرف خیالی که بتواند حرارتی در حد میلیون ها درجه کلوین را تحمل کند مقدار معینی از یک اتم وجود دارد.
اگر ما به هر طریقی این ظرف را گرم کنیم در ابتدا اتم های درون ظرف خنثی هستند بدین معنی که به همان تعداد الکترون ها (بار الکتریکی منفی) که دور هسته دوران می کنند درون هسته پروتون(بار الکتریکی مثبت) وجود دارد. کاملا مشخص است که یک نیروی جاذبه الکتریکی بین بارهای الکتریکی منفی و هسته ها باب بار الکتریکی مثبت در اتم وجود دارد. این نیروی جاذبه الکتریکی متقابل و مساوی با نیروی گریز از مرکزی است که از حرکت دورانی الکترون دور هسته به وجود آمده است.
حال برای اینکه مفهومی از چگونگی به وجود آمدن حالات مختلف پلاسما داشته باشیم.فرض کنید که در یک ظرف خیالی که بتواند حرارتی در حد میلیون ها درجه کلوین را تحمل کند مقدار معینی از یک اتم وجود دارد.
اگر ما به هر طریقی این ظرف را گرم کنیم در ابتدا اتم های درون ظرف خنثی هستند بدین معنی که به همان تعداد الکترون ها (بار الکتریکی منفی) که دور هسته دوران می کنند درون هسته پروتون(بار الکتریکی مثبت) وجود دارد. کاملا مشخص است که یک نیروی جاذبه الکتریکی بین بارهای الکتریکی منفی و هسته ها باب بار الکتریکی مثبت در اتم وجود دارد. این نیروی جاذبه الکتریکی متقابل و مساوی با نیروی گریز از مرکزی است که از حرکت دورانی الکترون دور هسته به وجود آمده است.
بنابر این یک بالانس نیرو بین الکترون ها و هسته در اتم ها وجود دارد و همچنین به دلیل مساوی بودن بار های الکتریکی مثبت و منفی در مجموع اتم های درون ظرف ما از لحاظ الکتریکی خنثی هستند
با انتقال انرژی به این اتم های خنثی ابتدا انرژی دریافتی موجب افزایش انرژی جنبشی الکترون ها شده و در ترازانرژی پایداری که بودند به تراز انرژی بالاتری صعود می کنند. ضمن اینکه خود اتم هم به صورت مولکولی حرکت ارتعاشی، دورانی و چرخشی شان افزایش می یابد.
بنابر این یک بالانس نیرو بین الکترون ها و هسته در اتم ها وجود دارد و همچنین به دلیل مساوی بودن بار های الکتریکی مثبت و منفی در مجموع اتم های درون ظرف ما از لحاظ الکتریکی خنثی هستند
حال اگر ما به اتم ها بطور پیوسته ادامه بدهیم زمانی می رسد که یکی از الکترون ها به حدی انرژی جنبشی آن افزایش می یابد که بر نیروی جاذبه الکتریکی که بین هسته و الکترون وجود دارد غلبه کرده و از چاه پتانسیل هسته جدا می گردد و این الکترون به صورت آزاددر میان مجموعه اتم ها شناور می شود ، در چنین حالتی به اتمی که یک الکترون از دست داده است اتم یکبار یونیزه گفته می شود از لحاظ الکتریکی دیگر خنثی نیست و در مجموع دارای یک بار مثبت می باشد
حال در این ظرف که شامل میلیاردها اتم می باشد تعداد کمی اتم وجود دارد که یکبار یونیزه شده اند ، چنین فضایی که در هر صد میلیارد اتم آن یک اتم یکبار یونیزه وجود دارد
به پلاسمای ضعیف (weakly plasma) گروه بندی می شود که کرنا(corona) یکی از حالات پلاسماست که گاز موجود دارای تراکم بالایی باشد. حالت پلاسمایی کرنا در هاله اطراف خورشید در هنگام کسوف مشخص است ضمن اینکه شفق های زیبای قطبی نیز یکی از حالات کرناست که در طبیعت وجود دارد.
حال اگر به انرژی دادن به ظرف ادامه بدهیم باز تعداد اتم های بیشتری یکبار یونیزه خواهند شد و در ادامه افزایش انرژی تعداد اتم هایی خواهیم داشت که دو الکترون بر چاه پتانسیل هسته غلبه خواهد کرد، اتم ها دو بار یونیزه می گردند و در چنین فضایی که اتم های آن دو الکترون از دست داده اند یک محیط کاملا یونی از بارهای الکتریکی مثبت و منفی به وجود می آید و به پلاسمای داغ(hot plasma) گروه بندی می گردد ، حال با افزایش انرژی اتم های ظرف اتم ها تعداد بیشتری الکترون از دست می دهند و پلاسما داغ و داغ تر می می شود تا زمانی که در دمای میلیون ها درجه کلوین تمامی الکترون های هسته از آن جدا می شوند و به اصطلاح اتم لخت می گردد در چنین فضایی که اتم ها کاملا فاقد الکترون می باشند به پلاسمای خیلی داغ (very hot pelasma) گروه بندی می گردد که این حالت در خورشید و سیاه چاله ها در طبیعت و واکنش های فیوژن هسته ای به وسیله انسان به وجود می آید
چه تفاوت عمده ای بین ماده در حالت پلاسما با حالت جامد، مایع و گاز وجود دارد؟
به فضایی که در آن همه یا تعدادی از اتم های آن یونیزه باشند و یک تعادل بین بارهای منفی و مثبت آن وجود دارد پلاسما گفته می شود
اتم در سه حالت جامد، مایع و گاز با وجود آنکه از لحاظ مشخصه های فیزیکی ،ترمودینامیک و مکانیکی و یا ساختمان بلوری متفاوت می باشد ولی از لحاظ الکتریکی به دلیل مساوی بودن الکترون ها و پروتون ها خنثی می باشد ، بنا بر این یک میدان الکتریکی یا مغناطیسی هیچگونه تاثیری بر روی آن ندارد و بر روی آن نیرویی اعمال نمی کند
اما اگر ما یک محیط پلاسمایی را تحت تاثیر میدان الکتریکی یا مغناطیسی قرار دهیم این میدان ها بر روی پلاسما یا به عبارت دیگر بر روی یون های مثبت و منفی نیرو وارد می کند و این مهم ترین مشخصه ماده در شرایط پلاسما در مقایسه با دیگر حالات ماده است که به آن قابلیت منحصر به فردی می دهد
برای بیان این ویژگی منجصر به فرد به تصویر زیر توجه نمایید
گاز محصور شده در درون این ظرف که دیواره های آن را به وسیله دوخط بالا و پایین نشان داده ایم دمای گاز و دمای ظرف هر دو در 25 درجه سانتیگراد قرار دارند ، حال ما به گاز درون ظرف انرژی می دهیم و دمای گاز افزایش می یابد به دلیل
برخورد مولکول های گاز به دیواره های ظرف،افزایش دمای گاز به دیواره های ظرف هم منتقل می شود و هر چه دمای گاز را افزایش بدیهی انرژی آن به دیواره ظرف منتقل شده و ظرف گرمتر می شود. بنا بر این ما در شرایط جامد، مایع و گازنمی توانیم ماده را در ظرفی قرار دهیم و آنرا به دمایی بسیار بالاتر از دمای ظرف برسانیم به عبارت دیگر کاسه داغ تر از آش یا آش داغ تر از کاسه وجود ندارد و در صورت اختلاف دمای آن ها به سرعت با تبادل انرژی بین ظرف و ماده هر دو همدما می شوند و ما نمی توانیم هیچ نیرویی را برای جلوگیری از تبادل حرارتی بین این دو اعمال کنیم.
اما در شرایط پلاسما وضعیت کاملا فرق می کند، ما می توانیم با اعمال درست یک میدان الکتریکی یا مغناطیسی بر پلاسما ، که در تصویر بوسیله عبور جریان الکتریکی از درون کابلی که دور ظرف پیچانده ایم نشان داده شده است و به وجود آمدن یک میدان مغناطیسی در فضای درون ظرف (طبق قاعده لارمورسیکل) از غلبه انرژی پلاسما بر روی دیواره های ظرف و در نتیجه انتقال انرژی پلاسما به دیواره ظرف جلوگیری کنیم
پس ما بدین وسیله بدون آنکه دمای ظرف حاوی پلاسما افزایش دمایی داشته باشد پلاسما را گرم و گرمتر کنیم ضمن آنکه آن را فشرده و متراکم تر( اثر له شدن Pinch Effect ) سازیم
توکاماک دستگاهی است که به وسیله اعمال میدان مغناطیسی بر پلاسما فشارآن را تا بیش از ده میلیون اتمسفر و دمای آن را به بیش از میلیون ها درجه کلوین افزایش می دهد ، به طوریکه تحت نیروی این فشار عظیم و دمای فوق العاده، دو اتم به هم ادغام شده و اتم سنگین تری به وجود می آید که به فیوژن هسته ای یا جوش هسته ای معروف است.
اگر بخواهیم مقایسه ای بین فشار و دما بین ماده در حالت پلاسما با حالات دیگر بکنیم درجه حرارتی که ما در سه حالت جامد، مایع و گاز می توانیم داشته باشیم3000 درجه سانتیگراد است برای ظرفی از جنس گرافیت و فشاری در حد 2000 اتمسفر که اخرین رکورد ممکن برای ایجاد فشار تا کنون می باشد ، در حالیکه امروز به وسیله انواع توکاماک ها براحتی به فشاری بیش از ده ها میلیون اتمسفر و دمای میلیون ها درجه کلوین می رسند. امروز انسان با بهره وری از فن آوری پلاسما توانسته است دمایی بیش از دمای خورشید را بر روی زمین ایجاد کند.
ماده زمانی که به حالت پلاسما در می آید و تحت تاثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی به این فشار عظیم و دمای فوق العاده می رسد، در این ماده شکل گیری جدیدی خلق می شود که کاملا متفاوت با قواعدیست که ما تا کنون تجربه کرده ایم و یا در قوانین شیمی و ترمو دینامیک یا خواص مواد آن را به فرمول کشانده ایم.
پلاسما مرز جدیدی از فن آوری بر روی بشر گشوده است. پلیمر آب که آب را جایگزین نفت می کند و ما در آینده لباس هایی از جنس آب خواهیم پوشید شروع می شود تا موتور پلاسما که سرعتی در مقیاس نور برای ما ایجاد می کند و پلاسما لیزر که انقلابی در مهندسی ژنتیک به وحود می اورد گوشه ای از افق فن آوری پلاسماست. بزرگ مولکول C60 با خواص استثنایی اش و در کل همه ابزارها و ادوات فن آوری نانو همه نشات گرفته از فن آوری پلاسماست. جنگ ستارگان با توپ های الکترومغناطیسی و لیزر های تتراوات و سپر حفاظتی همه بر اساس ماده در شرایط پلاسما طرح ریزی و کار می کنند. به عقیده اکثر دانشمندان فن اوری پلاسما زیر بنای تحولات آینده زندگی بشر می باشد.