Jak to jest z tą plazmą? Zjawiska falowe w plazmie.

O plazmie rozważanej w kontekście czwartego stanu skupienia usłyszałam jakieś 9 lat temu, będąc jeszcze w liceum.

Pamiętam nawet, że było to jesienne, deszczowe popołudnie. Przygotowując się do napisania pracy o mechanizmie Higgsa na jakiś mniej popularny konkurs, szperałam w dostępnej w bibliotece literaturze w poszukiwaniu czegoś na ten temat. Natknęłam się wtedy na nagłówek w jednym ze znanych popularno- naukowych czasopism: „Plazma – czwarty stan skupienia?”.

Zabawne wydaje się być to, że pisałam ową pracę o Higgsie w kompletnym przekonaniu, że taka cząstka istnieć nie może, a cały mechanizm Higgsa jest nad wyraz przesadzony w swej abstrakcyjnej formule. Szczerze powiedziawszy, w dalszym ciągu trudno przychodzi mi zaakceptowanie faktu odkrycia tego bozonu.

Przez kolejne dni studiowałam zagadnienia związane z plazmą: o tym jak powstaje, jak się zachowuje, gdzie się z nią spotykamy. Były to bardzo proste rozważania, które mimo wszystko były dla mnie odkrywcze. Mogłam wtedy powiedzieć, że doświadczałam „zabawy z zimną plazmą” uruchamiając swój transformator Tesli, kulę plazmową czy nawet zapalając świeczkę. I na tym moje rozważania skończyły się.

Z perspektywy czasu : człowiek nie wie czego nie wie. I tylko chęć rozwijania się i poszukiwania odpowiedzi na to, co nas nurtuje otwiera przed nami kolejne możliwości. Pewnie gdybym wtedy wiedziała jak bardzo skomplikowanym i tajemniczym zjawiskiem jest plazma, dociekałabym dalej nie poprzestając na podstawowych informacjach. A gdybym wtedy wiedziała co ta wiedza mi przyniesie, na pewno bym nie odpuściła.

// Jakiś czas temu pisałam na salonie24 o moim patencie: laser UV modulowany infradźwiękami i polem e-m. Niestety nie mogłam przypomnieć sobie hasła do konta, które i tak jest już martwe. Być może powrócę do tego tematu również na tym blogu.//

Niestety musiało minąć sporo czasu zanim powróciłam do tematu plazmy i w ogóle do nauki w formie „nauki dla siebie” – nie dla stopni czy zaliczeń. Jako, że tyle samo we mnie teoretyka co eksperymentatora , to czytam, studiuję i jeśli moje możliwości na to pozwalają sprawdzam. I to ostatnie daje największą frajdę, nawet jeśli sprawdzam zjawiska sprawdzane miliony razy przez miliony osób na całym świecie, wiedząc że nic nowego nie odkryję, a jest to tylko powielanie znanych już doświadczeń.

A więc jako to jest z tą plazmą?

Aby przejść do tego, czym chciałabym się z Wami podzielić, konieczne jest aby pokrótce napisać o tym czym jest plazma i jak jest zbudowana. Z pewnością każdy z Was miał styczność z plazmą jako stanem skupienia, a być może nie wszyscy o tym wiedzą. Plazmą jest płomień, wyładowania atmosferyczne, zawijasy widoczne w bardzo popularnych lampach plazmowych, plazmą są też krótkotrwałe widoczne wyładowania np. kiedy dotykamy naelektryzowanych ekranów kineskopowych, plazmę obserwujemy w różnego typu źródłach światła (żarówki, świetlówki).

A tak naprawdę plazma to nic innego jak zjonizowany gaz o odpowiedniej koncentracji swobodnych nośników ładunków elektrycznych (dodatnich jonów i elektronów). Proces powstawania w gazie jonów i elektronów nazywamy jonizacją. Zjonizowany gaz możemy nazwać plazmą, jeżeli ma on odpowiednio duży stopień jonizacji.

Cząstki neutralne znajdujące się w polu elektrycznym cząstek naładowanych ulegają polaryzacji, stając się w ten sposób aktywnymi składnikami plazmy, dlatego cząstkami plazmy są zarówno cząstki obdarzone ładunkiem, jak i cząstki neutralne. Jeżeli gaz przed jonizacją był elektrycznie obojętny, to zgodnie z zasadą zachowania ładunku wytworzona plazma będzie również obojętna, ponieważ będzie zawierać jednakowe ilości ładunków dodatnich i ujemnych. Jednakże na skutek termicznych ruchów cząstek plazmy, zaobserwować można chwilowe, niejednorodne i chaotyczne rozmieszczenie ładunków, co wywołuje szereg specyficznych zjawisk – dlatego też plazmę nazywa się kwaziobojętną.

Plazma poprzez swoją budowę zachowuje się dwojako: jako ośrodek ciągły (podobny do cieczy) oraz jak gaz. Przewodzi prąd elektryczny, a jej opór inaczej niż w przypadku metali, maleje ze wzrostem temperatury.

Ponadto w plazmie występuje szereg różnego typu procesów, wśród których wyróżnić można:

- procesy zachodzące podczas zderzeń elektronów z atomami i cząsteczkami plazmy

- procesy zachodzące podczas zderzeń atomów i cząsteczek

- procesy zachodzące podczas zderzeń jonów z atomami i cząsteczkami

- procesy zachodzące podczas oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego w plazmie

Ale co z tymi falami?

Gdybając na temat plazmy i jej natury, pojawiło się w mojej głowie pewne pytanie, mianowicie:

Jeśli w dużym uproszczeniu można rozpatrywać plazmę jako ciecz, to czy jest możliwe uproszczone przeniesienie zjawisk powstających w cieczy, na identyczne powstające w plazmie?

Jednym z nich jest na przykład propagacja fali dźwiękowej: czy ośrodkiem dla fali dźwiękowej może być plazma? Albo inaczej, jeśli tak to jak ten ośrodek będzie się zachowywać?

Fale akustyczne to zaburzenia gęstości i ciśnienia ośrodka. W plazmie również występują takie zaburzenia i noszą nazwę fal magnetohydrodynamicznych, w skrócie MHD. Fale te stanowią fale ładunków elektrycznych, przy działaniu pola magnetycznego.

Na chwilę obecną wyróżnia się trzy rodzaje fal MHD:

- Fala akustyczna – podłużna fala ciśnienia plazmy, poruszająca się wzdłuż pola magnetycznego i nie wpływająca na to pole.
- Fala Alfvena – Fala poprzeczna bez zmian pola magnetycznego
- Fala magnetoakustyczna – Prostopadła do linii pola magnetycznego, powoduje zmiany ciśnienia oraz zmiany pola magnetycznego.
Energia fal MHD zostaje przetworzona na ciepło.

Tak więc można rozważać fale MHD jako zaburzenia o naturze fali dźwiękowej. Efekty akustyczne typowe dla fali dźwiękowej nie są jednak powielane w rozumieniu dźwięków słyszalnych.

Dzieje się tak, ponieważ cząstki plazmy są w ciągłym ruchu i bezustannie ulegają wzajemnym zderzeniom. Dodatkowe zaburzenia tylko wzmagają trwające już fluktuacje.

A czy fale akustyczne w jakiś sposób wpływają na plazmę, jeżeli ośrodkiem pierwotnym jest powietrze?

Wpływ fal akustycznych na wiązkę lasera

Historia efektu akustooptycznego czyli oddziaływania fali akustycznej z wiązką świetlną sięga początków XX w.

W roku 1922 Brillouin wysunął teorię na temat dyfrakcji fali świetlnej na fali dźwiękowej w ośrodku, przez który przechodzi światło.

Efekt ten został eksperymentalnie potwierdzony 10 lat później przez dwa niezależne zespoły naukowców: Debye’a i Sears’a oraz Lucasa i Biquarda. Niedługo później Raman i Nath stworzyli model teoretyczny interakcji fali akustycznej i świetlnej.

Nie było to do końca zrozumiałe, tym bardziej że w ówczesnych czasach nie dysponowano odpowiednim źródłem światła nadającym się do pomyślnego przeprowadzenia eksperymentu.

Pojawienie się tak specyficznego źródła światła jakim był laser, spowodowało powszechne wykorzystanie akustooptyki do odchylenia, modulacji i przetwarzania sygnału optycznego. Wszystkie wspomniane zastosowania dotyczą sytuacji, gdy wyjściowa wiązka lasera kierowana jest na materiał, w którym rozchodzi się fala akustyczna. Fala dźwiękowa okresowo zmienia współczynnik załamania materiału. W plazmie lasera CO2 współczynnik załamania decyduje o długości optycznej rezonatora laserowego i równocześnie o aktywnej linii emisyjnej lasera.