પ્લાઝ્મા

સૂર્ય અને તારાઓમાં અતિ ઊંચા તાપમાને મળતો ખૂબ જ આયનિત (ionised) વાયુરૂપ પદાર્થ. આવો પ્લાઝ્મા લગભગ સરખી સંખ્યા ધરાવતા મુક્ત ઘનઆયનો અને ઇલેક્ટ્રૉનનો સમૂહ હોય છે, જે સમગ્રપણે વિદ્યુતતટસ્થ હોય છે. પ્લાઝ્મા પદાર્થનું ચોથું સ્વરૂપ છે. અવકાશમાં ઘણા પદાર્થો પ્લાઝ્મા સ્વરૂપ ધરાવે છે. ચોમાસામાં થતા વિદ્યુત-ધડાકા દરમિયાન તેની આસપાસનો અવકાશ પ્લાઝ્માથી છવાઈ  જાય છે.

બરફ કે અન્ય ઠંડા ઘન પદાર્થમાં અણુઓ સંસક્તિબળ(cohesive force)ને કારણે ચુસ્ત રીતે જકડાયેલા રહે છે. તાપમાન નીચું હોવાથી અણુઓ ઘણી ઓછી ગતિઊર્જા ધરાવે છે. પ્રબળ સંસક્તિબળને કારણે આવા પદાર્થો ઘન સ્વરૂપ ધરાવે છે. બરફ કે ઠંડા પદાર્થનું તાપમાન ક્રમશ: વધારતાં અણુઓની ગતિઊર્જા વધે છે. આથી અણુઓ એકબીજાથી દૂર જતાં તેમની વચ્ચે સંસક્તિબળ ઘટે છે અને અણુઓ વચ્ચેનું બંધન નિર્બળ બને છે. પરિણામે તે પાણી (અથવા પ્રવાહી) સ્વરૂપ ધારણ કરે છે. આવા પાણી કે પ્રવાહીનું તાપમાન આગળ વધારતાં અણુઓની ગતિશક્તિ વિશેષ વધે છે, તેથી અણુઓ વધુ દૂર જતાં વાયુ સ્વરૂપ ધારણ કરે છે. આ વાયુના અણુઓ વિદ્યુતતટસ્થ હોય છે. આ અણુઓ સૂક્ષ્મ અને દૂર દૂર હોવાથી આદર્શ વાયુની જેમ વર્તે છે.

આ વાયુનું તાપમાન તેથીય આગળ વધારતાં અણુ કે પરમાણુની છેલ્લી અપૂર્ણ કક્ષાના ઇલેક્ટ્રૉન પિતૃ કણથી છૂટા પડી જતાં તે ધન આયનિત બને છે. આથી વિદ્યુતતટસ્થ અણુ કે પરમાણુ ઊંચા તાપમાને ધન આયન અને ઇલેક્ટ્રૉનની જોડ રચે છે. આ રીતે તાપમાન પૂરતા પ્રમાણમાં વધે તો લગભગ બધા જ વિદ્યુતતટસ્થ કણો ધન આયન અને ઇલેક્ટ્રૉનમાં રૂપાંતરિત થાય છે. પરિણામે ધન અને ઋણ વિદ્યુતભારિત કણોનો સમૂહ તૈયાર થાય છે, જે પ્લાઝ્મા છે અને તે દ્રવ્યનું ચોથું સ્વરૂપ છે.

આવું પ્લાઝ્મા સ્વરૂપ 10⁸ °સે. કે વધુ તાપમાને મળે છે. આટલું ઊંચું તાપમાન સૂર્ય કે તારાઓમાં શક્ય છે; માટે સૂર્ય અને તારાનું સમગ્ર દ્રવ્ય પ્લાઝ્મા સ્વરૂપે હોય છે. પૃથ્વીથી આશરે 310 કિમી. ઊંચાઈએ વાતાવરણની હવામાં, વાયુના અણુઓ-પરમાણુઓ ઉપર સૂર્યનાં પારજાંબલી (ultraviolet) કિરણો આપાત થતાં તેમનું આયનીકરણ થાય છે. તેથી ધન આયન અને ઇલેક્ટ્રૉનની જોડ મળે છે. 55થી 305 કિમી. વચ્ચે વાતાવરણની હવામાં ઘણા ધન આયનો અને ઇલેક્ટ્રૉન જોવા મળે છે, જેને આયનમંડળ (ionosphere) કહે છે. આ આયનમંડળ એક જાતનો મંદ પ્લાઝ્મા છે. પૃથ્વીની સપાટી આગળ તાપમાન નીચું અને પારજાંબલી કિરણોનો અભાવ હોવાથી પ્લાઝ્મા નથી. પૃથ્વીના કેન્દ્ર આસપાસ તાપમાન ઘણું ઊંચું છે માટે ત્યાં પણ દ્રવ્ય પ્લાઝ્મા સ્વરૂપે છે. આથી પૃથ્વીની સપાટી સિવાય પૃથ્વીની અંદર ખૂબ ઊંડે અને સપાટીથી પ્રમાણમાં થોડેક ઊંચે પ્લાઝ્મા છે. સમગ્ર વિશ્વનું લગભગ 99% દ્રવ્ય પ્લાઝ્મા સ્વરૂપે છે.

પ્લાઝ્માનું તાપમાન 10⁸ °સે.થી આગળ ઘણું વધારવામાં આવે તો ન્યૂક્લિયસની અંદર ચુસ્ત રીતે જકડાયેલ ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન વિખૂટા પડે છે. પરિણામે ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન કણોનો વાયુસ્વરૂપ સમૂહ મળે છે, જેને ન્યૂક્લિયર-વાયુ (ન્યૂ-ગૅસ) કહે છે. આ રીતે ન્યૂ-ગૅસનું પણ તાપમાન તેથીય વધુ વધારવામાં આવે તે તેમાંથી તેના ઘટક મૅસોન કણો છૂટા પડીને મેસૉન ગૅસ બનાવે છે. ન્યૂ-ગૅસ મેસૉન-ગૅસ હજુ ઉપલબ્ધ થઈ શક્યા નથી. અત્યારે તો, તેમનો સૈદ્ધાંતિક સ્વરૂપે વિચાર કરી શકાય છે.

પ્રયોગશાળામાં પ્લાઝ્મા તૈયાર કરવો હોય તો 10⁷° સે.થી ઊંચું તાપમાન હોવું જોઈએ. પ્રયોગશાળામાં આટલું ઊંચું તાપમાન અત્યારે શક્ય ન હોઈ પ્લાઝ્મા તૈયાર કરી શકાતો નથી. આથી ન્યૂ-ગૅસ અને મેસૉન-ગૅસ પ્રયોગશાળાની કક્ષાએ હજુ તો કલ્પનાની અવસ્થામાં જ છે.

કૃત્રિમ રીતે તૈયાર કરેલ પ્લાઝ્મા ઘણી રીતે ઉપયોગી છે. નળીમાં નીયૉન વાયુમાં વિદ્યુત પસાર કરતાં તેનું પ્લાઝ્મામાં રૂપાંતર થાય છે. પરિણામે તે પ્રકાશ આપે છે. ચાપ (arc) વડે રેણ કરતી વખતે વિદ્યુતનો ઉપયોગ થાય છે, જેનાથી ઊંચું તાપમાન પેદા થતાં ધાતુના બે ટુકડાને રેણ વડે જોડવાનું શક્ય બને છે. દૂર દૂર અવકાશમાં લઈ જવાતાં વિદ્યુત-રૉકેટમાં પ્લાઝ્માનો ઇંધણ તરીકે ઉપયોગ કરી શકાય છે.

વાયુ પ્લાઝ્મા બને છે, ત્યારે તેના ભૌતિક અને વિદ્યુત ગુણધર્મો બદલાય છે. વાયુના અણુઓ તટસ્થ હોય ત્યારે અણુ-અણુ વચ્ચે વિદ્યુત-બળો પ્રવર્તતાં નથી અને તેના ઉપર બાહ્ય બળ તરીકે માત્ર ગુરુત્વાકર્ષણ બળ લાગે છે. અણુઓ સૂક્ષ્મ અને નહિવત્ દળ ધરાવતા હોઈ તેમના ઉપર ગુરુત્વાકર્ષણ બળની પણ ઝાઝી અસર થતી નથી; પણ પ્લાઝ્મામાં ધન અને ઋણ વિદ્યુતભારિત કણો હોવાથી વિદ્યુતક્ષેત્ર પેદા થાય છે અને વિદ્યુતબળક્ષેત્રમાં કણો ગતિ કરે ત્યારે પ્લાઝ્મા-કણો ઉપર તેની અસર થાય છે.

ઘણાખરા વાયુઓ વિદ્યુતના મંદવાહક હોય છે અને તેના ઉપર બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રની અસર થતી નથી; જ્યારે પ્લાઝ્મા ઉપર બાહ્ય ચુંબકીય તેમજ વિદ્યુતક્ષેત્રની અસર થાય છે. પ્લાઝ્મા વિદ્યુતનો સુવાહક છે. આદર્શ વાયુના અણુઓની ગતિ એકબીજાથી સ્વતંત્ર હોય છે અને તે અયોજિત ગતિ કરે છે. પ્લાઝ્માના આયનો અને ઇલેક્ટ્રૉન એકબીજાની આસપાસ જૂથમાં ગતિ કરતા હોય છે અને ઘણુંખરું તો તે તરંગ જેવી ગતિ કરતા હોય છે.

પ્લાઝ્માનો ઉપયોગ કરીને કોઈ એક દિવસે વિદ્યુત પેદા કરવા માટે વિજ્ઞાનીઓ આશાવાદી છે. તેના વડે ન્યૂક્લિયર સંલયન(fusion)ની ક્રિયાને અંકુશિત કરી શકાશે. બે હલકી ન્યૂક્લિયસ અતિ ઊંચા તાપમાને સંલયન પામી ભારે ન્યૂક્લિયસ તૈયાર થતાં, પ્રચંડ ઊર્જા પેદા કરે છે. અંકુશિત  સંલયન (controlled fusion) વડે મળતી ઊર્જાથી વરાળ તૈયાર કરી શકાય છે, જેના દ્વારા જનિત્ર ચાલુ કરીને વિદ્યુત પેદા કરી શકાય છે. બે ન્યૂક્લિયસ વચ્ચે સંલયન-પ્રક્રિયા થવા માટે 10⁸ °સે.થી વધુ તાપમાન આવશ્યક છે. આટલું ઊંચું તાપમાન કેવી રીતે પેદા કરવું તે પ્રશ્ન છે, કારણ કે આટલા ઊંચા તાપમાને કોઈ પણ પાત્ર ગલન પામી વાયુ બની જાય છે. પ્લાઝ્મા વડે અંકુશિત સંલયન સફળ બનાવવા માટે આજે તો પ્રબળ ચુંબકીય ક્ષેત્રોનો ઉપયોગ થાય છે.

પ્લાઝ્માની વર્તણૂક માટે તેને બે રીતે જોવો જોઈએ : (1) પ્લાઝ્માનું સૂક્ષ્મ (microscopic) સ્વરૂપ, જે તેના કણ જેવા ગુણધર્મો સાથે નિસબત ધરાવે છે; જેમ કે વાયુસ્વરૂપ પ્લાઝ્મામાં કણોનું પ્રસરણ અને વહન થાય છે, ત્યારે કણ-કણ વચ્ચે અથડામણો (collisions) થતી હોય છે. પરિણામે આયનીકરણ થાય છે. તેમાં X–વિકિરણ પેદા થતું હોય છે. આ પરિસ્થિતિમાં  પ્લાઝ્માના કેટલાક ગુણધર્મો વાયુના ગુણધર્મોને મળતા આવે છે. (2) પ્લાઝ્માનું સ્થૂળ (macroscopic) સ્વરૂપ, જેમાં સામૂહિક અથવા તરલમય ગુણધર્મો તાર્દશ થતા હોય છે. આમાં વિદ્યુતવાહકતા, ભિન્ન-ભિન્ન પ્રકારના તરંગોનું પ્રસરણ, તરલની સ્થાયી અને પ્રક્ષુબ્ધ વર્તણૂક વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. પ્લાઝ્માની સ્થૂળ વર્તણૂકના ગુણધર્મો ચુંબકીય દ્રવગતિકી(magneto hydrodynamics – MHD)ના ક્ષેત્ર સાથે સંબંધિત છે.

પ્લાઝ્માના વિદ્યુતભારિત કણો સ્થિતવિદ્યુત(કુલંબ)ક્ષેત્ર દ્વારા એકબીજા સાથે આંતરક્રિયા કરે છે. સ્થૂળ સંદર્ભમાં સ્થિતવિદ્યુતક્ષેત્ર સ્થાનિક રીતે કણો વચ્ચે આકર્ષણ અથવા અપાકર્ષણબળો પેદાં કરે છે. આવા કણો એકબીજાની પાસે થઈને પસાર થાય ત્યારે તે આવર્તન પામે છે. ગતિ કરતા પ્લાઝ્મા કણોનાં નાનાં નાનાં ચુંબકીય અને વિદ્યુતક્ષેત્રોનો સરવાળો સરેરાશ વિદ્યુતચુંબકીય ક્ષેત્ર પેદા કરે છે; આથી વિદ્યુતક્ષેત્રમાં રહેલ પ્લાઝ્મા સામૂહિક રીતે પ્રક્રિયા કરે છે. એટલે કે તે વહન કરતા તરલની જેમ વર્તે છે. ક્ષેત્રની વાત કરવામાં આવે ત્યારે પ્લાઝ્માના વિદ્યુતચુંબકીય ક્ષેત્ર અને બાહ્ય રીતે લાગુ પાડેલા ક્ષેત્રનો સમાવેશ થાય છે. પ્લાઝ્માની ગતિ અને જે વિદ્યુતચુંબકીય ક્ષેત્રમાં પ્લાઝ્મા ગતિ કરે છે તેની ગતિ અને ક્ષેત્રના સંયોજનથી પ્લાઝ્માની વર્તણૂકની ઘણીખરી જટિલતાઓ પેદા થાય છે.

પ્લાઝ્મા-ઘટના માટે કસોટી (અભિલક્ષણ) : ડિબાય આવરણ (Debye screening) અંતર λ_D એવું અંતર છે, જે પ્લાઝ્માના સૂક્ષ્મ અને સ્થૂળ વિસ્તારોને જુદા પાડે છે. પ્લાઝ્મા કણો એકબીજાની પાસેથી પસાર થતા હોય ત્યારે તેમની વચ્ચેનું અંતર λ_D કરતાં સારું એવું ઓછું હોય, તો તેમની વચ્ચે સાદો સંઘાત (collision) થાય છે. જેને સામાન્ય કણગતિકીના નિયમો લાગુ પડે છે તેવો સંઘાત થાય છે. પણ જો પાસે આવતા બે કણો વચ્ચેનું ન્યૂનતમ અંતર λ_D કરતાં વધુ હોય તો કણના પસાર થવાને લીધે આસપાસના પ્લાઝ્મા ઇલેક્ટ્રૉન દ્વારા પ્રરિત થયેલ સામૂહિક ગતિ એવી હોય છે કે તે કસોટી-કણ(test particle)ને અન્ય કણની અસર અનુભવતા બચાવશે.

ડિબાય આવરક અંતર λ_D એ પ્લાઝ્મા ઇલેક્ટ્રૉનની ઘનતા n_e અને ગતિજ તાપમાન (kinetic temperture) T_e ઉપર આધારિત હોય છે :

(SI એકમોમાં)

જ્યાં m અને e અનુક્રમે ઇલેક્ટ્રૉનનું દળ અને વિદ્યુતભાર અને k બોલ્ટ્ઝમાનનો અચળાંક છે. ગતિજ તાપમાન એ વાયુના કણોની અયોજિત (random) ગતિને કારણે ઉદભવતી ગતિઊર્જાનું માપ છે. વાયુની સરેરાશ ગતિઊર્જા જેટલી હોય છે; જ્યાં T કૅલ્વિનમાં નિરપેક્ષ તાપમાન છે. ગતિઊર્જાનું માપ ઇલેક્ટ્રૉન વોલ્ટ(eV)માં દર્શાવાય છે. આથી ગતિક તાપમાન પણ ઘણીવાર ઇલેક્ટ્રૉન વોલ્ટમાં વ્યક્ત કરાય છે.

1 eV ગતિક તાપમાન = kT = 11,600 k અને kT = 2/3  (ગતિ-ઊર્જા)

પ્લાઝ્મા ધરાવતો વિસ્તાર λ_Dની સાપેક્ષતામાં નાનો હોય તો માત્ર સાદી એકલ (single) કણ-વર્તણૂક જોવા મળે છે. એટલે કે પ્લાઝ્મા નિમ્ન-ઘનતાવાળા વાયુની જેમ વર્તે છે અને સામૂહિક વિધિઓ મહત્વની હોતી નથી. તેથી ઊલટું, પ્લાઝ્મા ધરાવતો વિસ્તાર λ_D કરતાં ઘણો વધારે હોય તો સામૂહિક પ્લાઝ્મા-ઘટનાની શક્યતા રહે છે. પ્રયોગશાળામાં જ્યાં સેમી.માં માપ લેવાય છે. ત્યાં, 10¹² અથવા 10¹⁴ મીટર3 ઇલેક્ટ્રૉન ઘનતાવાળા પ્લાઝ્મામાં સામૂહિક વર્તણૂક અપેક્ષિત નથી. બીજી તરફ પૃથ્વીના ઉપરી વાતાવરણમાં પ્રતિ ઘ.સેમી. થોડા ઇલેક્ટ્રૉન કરતાં વધુ એવી સઘળી ઇલેક્ટ્રૉન ઘનતા માટે λ_Dનું મૂલ્ય અન્ય લાક્ષણિક પરિમાણો કરતાં ઘણું નાનું હશે. આવા કિસ્સામાં ન્યૂનતમ કણ ઘનતાએ પણ સામૂહિક અસરોની ધારણા રાખી શકાય.

λ_D ત્રિજ્યાના પ્લાઝ્મા ગોળાથી લગભગ બધા જ પ્લાઝ્મા ઇલેક્ટ્રૉનને આ વિસ્તારથી અનંત અંતરે લઈ જવામાં આવે તો રદ ન થયેલો ધન વિદ્યુતભાર બાકી રહેશે. તેથી ત્રિજ્યાવર્તી વિદ્યુતક્ષેત્ર પેદા થાય છે. λ_Dની વ્યાખ્યા પરથી વધારાના ઇલેક્ટ્રૉનને દૂર કરવા માટે જરૂરી ઊર્જા સરેરાશ ગતિઊર્જા બરાબર થાય છે. λ_D પ્લાઝ્મા પરિમાણથી ઘણો નાનો હોય તો પ્લાઝ્માના વિદ્યુતભારના જથ્થાને λ_D કરતાં વધુ અંતર માટે છૂટા પાડવા પ્રબળ સ્થિતવિદ્યુતક્ષેત્ર પુન:સ્થાપક બળ પેદા કરે છે, જે વિયોજનને અટકાવે છે. તેથી ઊલટું, λ_D પ્લાઝ્મા પરિમાણ કરતાં ખૂબ વધારે હોય તો વિદ્યુતભારના અપૂર્ણ વિયોજનથી પેદા થતા સ્થિતવિદ્યુતબળોની વ્યક્તિગત વિદ્યુતભાર ઉપર અસર ઘણી ઓછી થાય છે. આથી, સામૂહિક અસરો મહત્વની રહેતી નથી.

λ_D પ્લાઝ્મા પરિમાણથી ખૂબ વધારે નાનો હોય તો વિદ્યુતભાર-તટસ્થતા જાળવી રાખવા માટે પ્લાઝ્માની પ્રબળ અનુલક્ષિતા પ્લાઝ્માની અંદર થતી સામૂહિક ઘટનાઓ તરફ દોરી જાય છે; જેમ કે ઉભયધ્રુવ (ambipole) સ્થિતિમાન અને સીમાપૃષ્ઠ પાસે પ્લાઝ્માના આચ્છાદિત વિસ્તારનું અસ્તિત્વ.

પ્લાઝ્માનું સર્જન : પ્રયોગશાળામાં પ્લાઝ્મા પેદા કરવા માટે નીચા દબાણે સામાન્ય વાયુનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ત્યારબાદ આ વાયુને વિદ્યુત અથવા ઉષ્મા વડે તેની ગતિઊર્જા વાયુના આયનીકરણ સ્થિતિમાન જેટલી થાય ત્યાં સુધી ગરમ કરવામાં આવે છે. આવે ટાણે વાયુના કણો અંદરોઅંદર અથડામણો કરે છે અને આયનિત બને છે. આવા આયનો બીજા કણો સાથે અથડામણની પરંપરાને આગળ ધપાવે છે. અંતે, સોપાની વર્ષણ(cascading)માં પરિણમે છે. આયનીકરણ સ્થિતિમાન થોડાક વોલ્ટ જેટલું હોય છે. આવી ઘટના કેટલાક ઇલેક્ટ્રૉન વોલ્ટ ધરાવતા ગતિક તાપમાને મહત્વની ગણાય છે. આથી પ્લાઝ્માના પ્રયોગોમાં સીમિત (threshold) તાપમાન 50,000થી 1,00,000 K હોય છે. તાપમાન તેથી આગળ પણ વધતું હોય છે.

પ્રસ્ફુરણ ગોળા(fluorescent lamp)માં થાય છે તેમ સામાન્ય વાયુમાં વિદ્યુતવિભાર થતાં આયનીકરણ થાય છે. આવા પ્લાઝ્માના આયનો અને ઇલેક્ટ્રૉન ઝડપથી સતત છૂટા પડતા જાય છે અને પાત્રની દીવાલના સંપર્કમાં આવતાં પુન: સંયોજાય છે. તાપમાન ઘટતાં આયનીકરણની પ્રક્રિયા ધીમી પડે છે અને આ સ્થિતિમાં પ્લાઝ્મા જાળવી રાખવા માટે ઊર્જા સતત આપવી પડે છે. પ્લાઝ્મા માટે આ બધાંનો વિકલ્પ વિદ્યુત-ચુંબકીય બંધન (confinement) છે. વિદ્યુતચુંબકીય બંધનવાળી પ્રયુક્તિમાં એક વખત પ્લાઝ્મા તૈયાર કર્યા પછી તેના કણો દીવાલને સ્પર્શતા નથી, કારણ કે ચુંબકીય ક્ષેત્રને લીધે ઉદભવતું બળ પ્લાઝ્મા કણોને દીવાલથી દૂર રાખે છે. ઊંચું તાપમાન ધરાવતા પ્લાઝ્માના સંશોધન માટે તેને અસરકારક રીતે બંધનમાં રાખવો આવશ્યક છે. તેમ થાય તો જ અંકુશિત ન્યૂક્લિયર (controlled fusion) પ્રક્રિયા સિદ્ધ થાય. આ સિવાય તો ગમે તેટલા ઊંચા તાપમાનવાળો પ્લાઝ્મા તૈયાર કરવામાં આવે તોપણ તેનું અસ્તિત્વ થોડાક સમય માટે હોય છે એટલે કે સેકન્ડના લાખમા ભાગ જેટલું અલ્પ આયુષ્ય હોય છે. પ્લાઝ્માના અસરકારક ચુંબકીય બંધન માટે તેની અસ્થિરતાને લગતી સમસ્યા ઉકેલવાની રહે છે.

અસ્થિરતા (instability) : ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં રાખેલ પ્લાઝ્મા અસ્થિર ગતિ પ્રદર્શિત કરે છે. પ્લાઝ્મા-અસ્થિરતા પ્લાઝ્માની વર્તણૂક ઉપર જબરદસ્ત પ્રભાવ પાડે છે તથા બીજી કેટલીક ઘટનાઓ ઉપર પણ પ્રભુત્વ ધરાવે છે. આંતર-અથડામણોને કારણે સમગ્ર પ્લાઝ્મા-તંત્ર એકસરખી કણ-ઘનતા તથા તાપમાનના સમતોલનની અવસ્થા ધરાવે છે. તાપમાન અને ઘનતા-પ્રચલન(gradient)ને લીધે મળતી મુક્ત ઊર્જાથી પ્લાઝ્મામાં પેદા થતી અસ્થિરતા સમતોલન ભણી દોરી જાય છે. કેટલીક વખત પ્લાઝ્માની તોફાની અસ્થિરતાઓ સેકન્ડના લાખમા ભાગમાં કદ-તંત્રને પણ ખલાસ કરી નાખે છે. પ્લાઝ્મામાં બે પ્રકારની અસ્થિરતાઓ જોવા મળે છે : (1) ચુંબકીય દ્રવગતિકી(MHD) અસ્થિરતા, જે પ્લાઝ્માના એકંદર વિદ્યુતપ્રવાહથી અથવા મુક્ત-ઊર્જા સ્રોતથી શક્ય બને છે. (1) પ્લાઝ્મા-કણો એકબીજાની સાપેક્ષ વિસ્થાપી (drift) ગતિ કરતા હોય ત્યારે પેદા થતી સૂક્ષ્મ અસ્થિરતાઓ નક્કી કરવા માટે પ્લાઝ્માની કણ-પ્રકૃતિ ધ્યાનમાં લેવી પડે છે; જે MHDમાં મહત્વની નથી; કારણ કે, તેમાં એકંદરે તરલ જેવી ઘટનાઓ બનતી હોય છે. સામાન્ય રીતે, સૂક્ષ્મ અસ્થિરતા પ્લાઝ્માકણોની ગતિનું આયોજિત (ordered) તરંગ-ગતિમાં રૂપાંતર કરે છે. આ અર્થમાં તેમને લેસર (LASER) પ્રક્રિયા સાથે સરખાવી શકાય, જેના દ્વારા પારમાણ્વિક અવસ્થાના આયોજિત વિતરણનું સુસંબદ્ધ (coherent) પ્રકાશ-તરંગમાં રૂપાંતર થાય છે. આ થયો અસ્થિરતાઓ અને તરંગો વચ્ચેનો સંબંધ. પ્લાઝ્મા-તરંગો પ્લાઝ્મા-અસ્થિરતાના વાહકો (carriers) છે. જ્યારે પૂરતું પ્રબળ ચાલકબળ પ્લાઝ્મા-તરંગ સાથે સહાયક રીતે જોડાય છે ત્યારે તે તરંગનો કંપવિસ્તાર વધે છે. કંપવિસ્તાર ધીમે ધીમે એટલો બધો વધી જાય છે કે પ્લાઝ્મા-વર્તણૂકમાં એકાએક ભંગાણ સર્જાય છે; જેમ કે, બંધનનો અકાળે નાશ.

ચુંબકીય બંધન : ન્યૂક્લિયર-સંલયન પ્રક્રિયા માટે ખૂબ ઊંચા તાપમાનવાળો પ્લાઝ્મા આવશ્યક છે. આવા પ્લાઝ્માને ચુંબકીય ક્ષેત્ર વડે બંધનમાં રાખી શકાય છે. ચુંબકીય બંધન એટલા માટે શક્ય છે કે પ્લાઝ્મા વિદ્યુતભારિત કણોનો બનેલો હોય છે. બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્ર વડે આવું બંધન ઊભું કરી શકાય છે. પ્લાઝ્મામાં વિદ્યુતભારોના વહનથી મળતા પ્રવાહથી તૈયાર થતું ક્ષેત્ર પણ તેને બંધનમાં રાખે છે. કેટલાંક બાહ્ય અને આંતરિક ક્ષેત્રોનો સંયુક્ત રીતે પણ ઉપયોગ થતો હોય છે. પ્લાઝ્માના બંધન માટે એવી પદ્ધતિ અખત્યાર કરવામાં આવે છે, જેથી પ્લાઝ્મા તેની ચુંબકીય દ્રવગતિકીય અને સૂક્ષ્મ-અસ્થિરતારીતિ(mode)ને દૂર કરે અથવા ઓછી કરે તેવી અસર થાય નહિ. આવી બે પ્રકારની પદ્ધતિઓ વિશે વિચારી શકાય :

(1) સંવૃત (closed) પ્રણાલીમાં ચુંબકીય બળરેખાઓ બંધ-પાત્રની અંદર જ રહે છે; જેમ કે, પરિભ્રમણ-પૃષ્ઠ(doughnut અથવા toroidal) આકારની છેડા વિનાની નળી. આવી પ્રણાલીનાં બે ઉદાહરણો છે : (અ) સ્ટેલરેટર, (બ) ટોકામેક – જે તે વખતના સોવિયેટ સંઘે વિકસાવેલી પ્રણાલી છે. તેમાં બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્ર અને ખુદ પ્લાઝ્મામાં પરિવહન કરતા પ્રબળ અને પ્રેરિત પ્રવાહને લીધે પેદા થતા પોલૉઇડલ ચુંબકીય ક્ષેત્રનો સમન્વય કરવામાં આવે છે. આવું સંયોજિત ક્ષેત્ર સર્પિલ (helical) આકારની બળરેખાઓ ધરાવે છે. તે ગરમ પ્લાઝ્માને સ્થાયી રાખવા માટે સમર્થ છે. સ્ટેલરેટરમાં પણ આવા સંયોજિત ક્ષેત્રનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. અહીં ક્ષેત્રીય બળ-રેખાઓને સર્પિલ આકારે વાળેલી હોય છે. નળીને અંગ્રેજી આંકડા આઠ(8)ની જેમ વાળીને તૈયાર કરેલા સ્ટેલરેટર આકૃતિ 1માં અને ટોરસ આકૃતિ 2માં દર્શાવ્યા છે. અત્યારે તો પ્લાઝ્માની બંધનપ્રણાલી તરીકે ટોકામેકનો વધુ ઉપયોગ થાય છે.

(2) વિવૃત (open) પ્રણાલી : આ બંધન એવા પ્રકારનું હોય છે, જેમાં ક્ષેત્રીય બળરેખાઓ બંધનવિસ્તારની બહાર નીકળતી હોય છે. આરસી-યંત્ર (mirror mechine) તેનું સચોટ ઉદાહરણ છે. આવા યંત્રમાં નળી-આકારના બંધનના બે છેડે ચુંબકીય ક્ષેત્ર ખૂબ પ્રબળ બનાવવામાં આવે છે; જેથી વિદ્યુતભારિત કણો છટકીને બહાર ચાલ્યા જતા નથી. નળીના બે છેડે અસ્તિત્વ ધરાવતું પ્રબળ ચુંબકીય ક્ષેત્ર બે અરીસાની જેમ વર્તે છે. અરીસામાં પ્રકાશનું પરાવર્તન થતું હોય છે, જ્યારે આરસીયંત્રમાં વિદ્યુતભારિત કણોનું પરાવર્તન થતું હોય છે. આ રીતે પ્લાઝ્માના વિદ્યુતભારિત કણો પાશમાં રહે છે. પૃથ્વીનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર કુદરતી ચુંબકીય અરીસો છે. ચુંબકીય ઉત્તર અને દક્ષિણ ધ્રુવો વચ્ચેનો વાન-એલન પટ તરીકે જાણીતો વિસ્તાર વિદ્યુતભારિત કણોને પાશમાં રાખે છે. આરસી-પ્રણાલીમાં પ્લાઝ્માના સારા બંધન માટે પ્લાઝ્માની ખૂબ શાંત (quiscent) અવસ્થા અને ઉચ્ચ પ્લાઝ્મા-તાપમાન આવશ્યક છે.

સંવૃત અને વિવૃત પ્રણાલીમાં ઇચ્છિત સુધારા કરવા માટે કેટલાંક મહત્વનાં પરિવર્તન(varient)નો અભ્યાસ ચાલુ છે. તે એક અથવા બીજી રીતે ખુદ પ્લાઝ્માની હાજરીથી જ ઉદભવે છે અને તે પોતે જ પ્લાઝ્માના બંધનની સ્થિતિમાં સુધારો કરે છે.

દબાણનું સમતોલન અને પ્રતિચુંબકત્વ (diamagnetism) : ઉચ્ચ દબાણવાળા પ્લાઝ્મા-વાયુનાં ચુંબકીય બંધનોને પ્લાઝ્મા સાથે સંકળાયેલા પ્રતિચુંબકત્વની અસર તરીકે ઓળખાવી શકાય. પ્લાઝ્માને ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં દાખલ કરતાં ચુંબકીય ક્ષેત્ર નબળું પડે છે. આ અસર દબાણના સમતોલનમાં પરિણમે છે. ચુંબકીય બળરેખાની વક્રતાને લીધે પેદા થતી અસરને અવગણતાં નીચેનું સૂત્ર મળે છે :

જ્યાં P_⊥ દબાણ, B ચુંબકીય ક્ષેત્ર અને μ_o શૂન્યાવકાશની પારગમ્યતા છે. સમી. (1)નું સંકલન કરતાં નીચે પ્રમાણે મળે છે :

જ્યાં B_o, પ્લાઝ્માની બહાર ચુંબકીય ક્ષેત્રની તીવ્રતા છે. સમી. (1) ઉપરથી ફલિત થાય છે કે પ્લાઝ્મા-દબાણ થી વધી શકે નહિ. આ સમીકરણને પ્રાચલ Bના સંદર્ભમાં નીચે પ્રમાણે આપી શકાય છે. અહીં B પ્લાઝ્મા-દબાણ અને બાહ્ય ચુંબકીય દબાણનો ગુણોત્તર છે :

ગુણોત્તર B લાગુ પાડેલા ચુંબકીય ક્ષેત્રની ઉપર ઘણી ઓછી અસર થાય છે.

ચુંબકીય બંધનને લીધે લાગતું બળ F = J x B થાય છે; જ્યાં J વિદ્યુતપ્રવાહ છે.

ગરમ પ્લાઝ્માને લાંબા સમય માટે બંધનમાં રાખવા ચુંબકીય ક્ષેત્રની અસરકારકતા પ્લાઝ્માની વિદ્યુત-અવરોધકતા ઉપર આધાર રાખે છે.

સ્વતંત્ર વિદ્યુતભાર જ્યાં Z સરેરાશ આયનિક વિદ્યુતભાર છે. આ સંબંધ ખૂબ ઓછી ઘનતાવાળા પ્લાઝ્માને લાગુ પડે છે. પ્લાઝ્માનો ઉષ્મા-અવરોધાંક ઋણ હોય છે. 10⁷ K તાપમાનવાળા હાઇડ્રોજનમાંથી તૈયાર કરેલ પ્લાઝ્માની અવરોધકતા ઓરડાના તાપમાને તાંબાની અવરોધકતા જેટલી હોય છે.

પ્લાઝ્મામાં કણ-યાંત્રિકી : ચુંબકીય બંધન, ચુંબકીય ક્ષેત્રની આરપાર પ્લાઝ્માનું પ્રસરણ અને તેના અન્ય ગુણધર્મોનો સૂક્ષ્મ રીતે અભ્યાસ કરવો પડે છે. પ્લાઝ્મા પોતે જ ચુંબકીય ક્ષેત્ર પેદા કરે છે. તે સાથે બહારથી પણ ચુંબકીય ક્ષેત્ર લાગુ પાડવામાં આવે છે. આવાં સંયોજિત બે ચુંબકીય ક્ષેત્રો વચ્ચે થઈને પ્લાઝ્મા-કણ સરળતાથી ગતિ કરે છે. કણ-કણ વચ્ચે અથડામણો જવલ્લે થતી હોય છે. ચુંબકીય ક્ષેત્રનાં મૂલ્ય જાણીતાં હોય ત્યારે કણની ગતિની આગાહી કરવી સરળ છે.

M દળ અને વેગ V ધરાવતા વિદ્યુતભારિત કણ માટે ગતિનું સમીકરણ નીચે પ્રમાણે અપાય છે :

અહીં E અને B અનુક્રમે વિદ્યુત અને ચુંબકીય ક્ષેત્ર છે, e અને v કણનો અનુક્રમે વિદ્યુતભાર અને વેગ છે. આ બળને કારણે કણ સર્પિલ ગતિ કરે છે અને તેના ઉપર લાગતું કેન્દ્રત્યાગી બળ નીચેના સમીકરણથી મળે છે :

જ્યાં r_c કણના વર્તુળ-પથની ત્રિજ્યા છે અને  એ કણ સર્પિલ ગતિ કરતો હોય ત્યારે ત્રિજ્યાને લંબરૂપ વેગનો ઘટક છે. સાઇક્લોટ્રૉન કોણીય આવૃત્તિ માટે ભ્રમણ નીચે પ્રમાણે મળે છે :

ઇલેક્ટ્રૉન આયન કરતાં ઘણો હલકો હોઈ તેના માટે આવી આવૃત્તિનું મૂલ્ય ઘણું વધારે હોય છે. કણની ગતિઊર્જા  હોય તો વર્તુળાકાર પથની ત્રિજ્યા નીચે પ્રમાણે મળે છે :

અને આયન માટે

જ્યાં A પરમાણુભારાંક અને Z₁ પરમાણુક્રમાંક છે. પ્રોટૉન માટે A = Z = 1 થાય છે; આથી, તેની ગતિઊર્જા મળે છે.

B = 1 ટેસ્લા હોય ત્યારે આયન માટે r_ci = 1.45 સેમી. અને આ ઊર્જાએ ઇલેક્ટ્રૉન માટે r_ce = 0.34 મિલિમીટર મળે છે. આયન માટે સાઇક્લોટ્રૉન આવૃત્તિ ω_ci = 9.5 × 10⁷ રેડિયન/સેકન્ડ અને ઇલેક્ટ્રૉન માટે ω_ce = 1.75 × 10¹¹ રેડિયન/સેકન્ડ મળે છે. ચુંબકીય ક્ષેત્રનો ફેરફાર ધીમેથી થતો હોય તો સમી.(6)ના ઉકેલ પેટે નીચે પ્રમાણે મળે છે :

આ છે કણની ગતિ માટે સ્થિરોષ્મીયતા(adiabativity)ની શરતો. આ શરતો પળાય તો કેટલાંક મહત્વનાં પરિણામો મળે છે : (1) કોઈ પણ વિદ્યુતભારિત કણની ગતિને તત્કાલીન પરિભ્રમણ-કેન્દ્ર અથવા નિર્દેશક (guiding) ગતિને આધારે વ્યક્ત કરાય છે. (2) નિર્દેશક-કેન્દ્ર ચુંબકીય રેખાની આસપાસ ફરે છે અને તેનો અપવાહ (drift) વેગ સાદા નિયમોને આધારે જાણી શકાય છે. (3)  ગતિનાં કેટલાંક ખાસ લક્ષણો સ્થિરોષ્મા નિશ્ચર વડે વર્ણવી શકાય છે.

શરત (12) અને (13) સંતોષાય તો નિર્દેશક-કેન્દ્રનો અપવાહ વેગ શોધવો સરળ છે. પ્લાઝ્માનો કણ ચુંબકીય ક્ષેત્રના લંબઘટક Bમાં ગતિ કરે તો પ્રત્યેક કણનું નિર્દેશક-કેન્દ્ર વિદ્યુતક્ષેત્ર E અને ચુંબકીય ક્ષેત્ર B બંનેને લંબ રૂપે ખસે છે. અપવાહ વેગ (vo) કણના વિદ્યુતભાર, દળ અને ઊર્જાથી સ્વતંત્ર હોય છે અને તે નીચે પ્રમાણે અપાય છે :

પ્રબળ ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં પ્લાઝ્મા-કણો સર્પિલ કક્ષામાં ગતિ કરે છે. ક્ષેત્રના પ્રચલન અને અન્ય પ્રક્ષુબ્ધતાની હાજરીમાં આવા કણો એેક બળરેખાથી બીજી બળરેખા વચ્ચે અપવાહ-ગતિ કરે છે અને તે સંવૃત પૃષ્ઠ રચે છે. પ્લાઝ્મા-કણની સમગ્ર ગતિ દરમિયાન એવી સામૂહિક ગતિ ધારણ કરે છે, જેથી ધન અને ઋણ વિદ્યુતભારો લગભગ સરખા રહે છે, કારણ કે તટસ્થતામાંથી થતું વિચલન પ્રબળ પુન:સ્થાપક વિદ્યુતબળ પેદા કરે છે.

પ્લાઝ્માની અંદર તરંગો, પ્લાઝ્માની ગતિ અને વિદ્યુતચુંબકીય ક્ષેત્રને લીધે પેદા થતી પ્રકૃતિ તરંગ અથવા દોલન-ગતિને અસામાન્ય ટેકો આપે છે. દોલન-ગતિ સ્થાયી કે અસ્થાયી હોઈ શકે છે. પ્લાઝ્મા- આવૃત્તિ મળે છે.  જ્યાં m ઇલેક્ટ્રૉનનું દળ; n_e ઇલે.ની સંખ્યા છે.

આંતરકણ-અથડામણ-આવૃત્તિ કરતાં ઓછી આવૃત્તિએ પ્લાઝ્મા સામાન્ય વાયુની જેમ વર્તે છે અને સાદા સ્થિતિસ્થાપક તરંગોનું પ્રસરણ થાય છે. ઉચ્ચ ઘનતા અને નિમ્ન તાપમાનવાળા વિશાળ પ્લાઝ્મા માટે આવા તરંગો મહત્વના છે.

આંતરકણ-અથડામણ-આવૃત્તિ અને સાઇક્લોટ્રૉન આવૃત્તિ વચ્ચે આલ્ફેન (Alfven) તરંગ જેવો લાક્ષણિક પ્લાઝ્મા-તરંગ મળે છે. ભાર લગાડેલ સ્થિતિસ્થાપક દોરીમાં પ્રસરતા તરંગ જેવો આ તરંગ હોય છે. આલ્ફેન તરંગવેગ થાય છે,

જ્યાં ρ પ્લાઝ્માની ઘનતા છે.

ω_p કરતાં વધારે આવૃત્તિ માટે પ્લાઝ્મા સાદા વિદ્યુતચુંબકીય તરંગનું સંચરણ કરે છે. તેનો કલા(phase)વેગ પ્રકાશના વેગ (c) કરતાં વધારે હોય છે, એટલે કે એક કરતાં આછા વક્રીભવનાંકવાળા માધ્યમની જેમ પ્લાઝ્મા વર્તે છે.

જ્યાં ω > ω_p છે. પ્લાઝ્માના આ ગુણધર્મને આધારે ઇલેક્ટ્રૉન ઘનતા નક્કી કરી શકાય છે.

પ્લાઝ્મા-આવૃત્તિ છે.

પ્લાઝ્મામાં સંઘાત-પ્રક્રિયા : અસ્થિરતા-ક્રિયાવિધિથી પ્લાઝ્માની વ્યવસ્થા તૂટી પડે છે અને આંતરકણ-અથડામણોને લીધે પરિસ્થિતિ વધુ અસ્થિરતા તરફ જાય છે. ઉચ્ચ તાપમાન ધરાવતા પ્લાઝ્માના સામાન્ય રીતે રૂથરફોર્ડ પ્રકીર્ણન (scattering) અને પરસ્પર કુલંબ સ્થિતવિદ્યુત ક્ષેત્રમાં સ્થિતિસ્થાપક પ્રકીર્ણન થતું હોય છે. આ પ્રક્રિયાને લીધે કણોનું આવર્તન થાય છે અને પ્લાઝ્મા-કણો વચ્ચે ઊર્જાની આપ-લે થતી હોય છે. પ્લાઝ્મામાં અથડામણની ઘટના મહત્ત્વની છે કેમ કે તેના આધારે તેની અંદર થતી પરિવહન-ઘટનાઓ નક્કી કરી શકાય છે.

પ્લાઝ્મા-સંશોધનમાં આયનો અને ઇલેક્ટ્રૉન વચ્ચે ઊર્જાની અદલાબદલી અત્યંત મહત્ત્વની છે, કારણ કે કેટલીક બાબતે ઊર્જાનો તબદીલી-દર બીજી ઘટનાઓના દર અને પ્રકૃતિ નક્કી કરવા માટે મહત્ત્વનો ભાગ ભજવે છે; જેમ કે, પ્લાઝ્મામાંથી વિકિરણ દ્વારા ઊર્જાનો ઘટાડો, જે સામાન્ય રીતે ઇલેક્ટ્રૉન દ્વારા થાય છે. પ્લાઝ્મામાંથી નીકળતો વિકિરણથી ઉચ્ચતાપમાનવાળો પ્લાઝ્મા સીધેસીધો ઠંડો પડવા લાગે છે; પરંતુ પ્લાઝ્મા ક્ષેત્રે થયેલા ઉચ્ચ સંશોધનથી એટલું તો નક્કી થઈ શક્યું છે કે તેમાંથી નીકળતા વિકિરણનો દર પ્લાંકવિકિરણ અથવા કાળા પદાર્થના વિકિરણ કરતાં ઘણો ઓછો હોય છે; જેમ કે, 10⁸ K વિકિરણ તાપમાને પ્લાંકવિકિરણનિરપેક્ષ તાપમાનના ચતુર્થઘાત(T4)ના સમપ્રમાણમાં હોઈ, ઉત્સર્જન પામતી ઊર્જા = 6 x 10²⁴ વૉટ/મીટર² થાય છે. પણ 10⁸ K ગતિક-તાપમાને પ્લાઝ્માનું વિકિરણ-ઉત્સર્જન ઘણું ઓછું થાય છે.

સંઘાત-પ્રક્રિયાને ધ્યાનમાં લેતાં પ્લાઝ્મા-વિકિરણની મુખ્ય ત્રણ ક્રિયાવિધિઓ છે :

(1) અવમંદક વિકિરણ (bremstrahlung) X-કિરણો સ્વરૂપે પેદા થાય છે. ઇલેક્ટ્રૉન આયનના પ્રબળ વિદ્યુતક્ષેત્રમાં થઈને પસાર થાય છે ત્યારે તે પ્રવેગિત થાય છે અને આવો પ્રવેગિત વિદ્યુતભાર વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણનું X-કિરણો સ્વરૂપે ઉત્સર્જન કરે છે.

(2) ઇલેક્ટ્રૉન ઇલેક્ટ્રૉન સાથે અથડાય ત્યારે વિકિરણ-ઉત્સર્જનની ક્રિયાવિધિ એવી જ હોય છે. આ પ્રક્રિયા ઉચ્ચ તાપમાને મહત્ત્વની છે, એટલે કે ઇલેક્ટ્રૉન-ગતિ સાપેક્ષીય (relativistic) હોય ત્યારે એટલે કે Te એટલું હોય જેથી mc² = 511 keV થાય.

(3) ઉત્તેજન(excitation)-વિકિરણ વિકિરણ-હાનિ માટે વિશેષ જવાબદાર છે. આવા વિકિરણનો પારજાંબલી અને X-કિરણોના વિભાગમાં સમાવેશ થાય છે. મોટી તરંગલંબાઈવાળા ટૂંકા અને સૂક્ષ્મતરંગ વિભાગમાં ફરીથી આવી ક્રિયાવિધિ જોવા મળે છે. અહીં નોંધપાત્ર વિકિરણ-ફ્લક્સ મળે છે. મોટી તરંગલંબાઈવાળા વિકિરણથી ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રૉન તાપમાન સિવાય ઊર્જા-હાનિની ક્રિયાવિધિ ખાસ થતી નથી. પ્લાઝ્મા ચુંબકીય ક્ષેત્રની વચ્ચે હોય ત્યારે આવી ઊર્જા-હાનિ મહત્ત્વની બને છે. ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં ઇલેક્ટ્રૉન સર્પિલ કક્ષામાં કેન્દ્રત્યાગી પ્રવેગી ગતિ કરે ત્યારે આવી પરિસ્થિતિ સર્જાય છે. (કરેક્શન અધૂરું છે. ઇક્વેશન બાકી છે.)

આશા પ્ર. પટેલ