Fizik Öğretmeni

Alev plazma halinde midir?
Çok sorulan bir soru: Kısaca cevaplayacak olursak; alevin bir kısmı plazma halinde bir kısmı değildir.
Azıcık uzun bir cevap ise şöyle: Alevin plazma halinde olup olmaması yakılan maddeye ve sıcaklığa bağlıdır. Alevdeki sıcaklık bir noktadan diğerine çok değişir. Yakılan maddeye bağlı olarak alevin sıcaklığı farklı noktalarda birkaç dereceden binlerce dereceye kadar değişebilir.
Soğuk gazlarda atomlar genellikle nötrdür. Atomun pozitif çekirdeği negatif yüklü elektronlarla çevrilidir. Fakat sıcaklık yeterince büyük olunca parçacıklar arasındaki çarpışmalardan dolayı bazı atomlar elektronlarını kaybedebilir. Böylece serbest hareket eden elektronlar ve atomlardan oluşan bir karışım elde ediliyor. Elektronlarını kaybetmiş bu atomlara iyon, içinde iyonlar bulunan gaza ise iyonlaşmış gaz denir. Peki gazın iyonlaşmış olması plazma olması için yeterli midir?
Plazma iyonlaşmış gaz olmasına rağmen, iyonlaşmış bütün gazlar plazma değildir. Alevin bir bölgesinin plazma olarak tanımlanabilmesi için o bölgede yeterince yüklü parçacık bulunması lazım ki plazmanın elektrik özelliklerini ve maddenin diğer hallerinden ayrı özellikleri gösterebilsin.

Uzun cevap ise şöyledir:  Plazma olabilmek için bir bölgede yeterince negatif ve pozitif yük bulunmalıdır. Çok sayıdaki yüklü parçacığın ortaklaşa gösterdikleri etkilere ‘’kolektif etki’’ denir. Demek ki plazma için en önemli kıstas, bir yerde kolektif etki gösterebilecek kadar yüklü parçacığın bulunup bulunmamasıdır. Birçok kolektif etki vardır. Plazmanın gösterdiği önemli kolektif etkilerden bir tanesi dış elektrik alanları elimine eden iç elektrik alan oluşmasıdır. Kısaca plazma kendisini, uygulanan dış elektrik alanlardan korur.
Bir gazda bir grup pozitif ve negatif yüklerin bulunduğunu ve bu gruba dış bir elektrik alan uygulandığını düşünün. Bu elektrik alan sebebi ile pozitif yükler bir tarafa, negatif yükler diğer tarafa itilecekler. Bu şekilde ayrışan yükler dış elektrik alana zıt yünde bir iç elektrik alan oluşturacaklar. Yeterince yük olduğu zaman ayrılan yükler dış elektrik alanı sıfırlayacak kadar büyük bir elektrik alan oluşturabilirler. Böylece dış elektrik alan yüklü gazın içine etki edemez. Eğer bir grup yüklü parçacık kendisini bu şekilde dış elektrik alandan koruyabiliyorsa bu plazmadır.
Dış bir elektrik alanın iç elektrik alana etki edebildiği uzaklığa ‘’Debye uzunluğu’’ denir. Yüklü parçacıkların yoğunluğu arttıkça Deybe uzunluğu azalır. Yüklü bir gazın plazma olabilmesinin kriteri şudur: Bir grup yüklü parçacığın plazma olabilmesi için Debye uzunluğu grubun en küçük boyutundan küçük olmalıdır. Yani Debye uzunluğu alevin boyutundan çok küçükse bu alev kesinlikle plazma halindedir.
O zaman şunu rahatlıkla söyleyebiliriz: Sıcaklık arttıkça meydana gelen çarpışmaların şiddeti artar ve yüklü parçacık yoğunluğu artar. Alevin yüksek sıcaklıktaki bölgeleri plazma halinde olabilir. Alevin düşük sıcaklıktaki bölgeleri plazma olabilecek kadar iyonlaşmış gaz içermez.
Evlerimizde kullandığımız mumların alevi çok yüksek sıcaklıkta olmadığından plazma halinde değildir. Mum alevindeki maksimum sıcaklık 1500 oC civarındadır. Bu sıcaklık yeterince yüklü parçacık oluşturacak bir sıcaklıktan çok azdır. Fakat bazı alevler mum alevinden çok daha sıcaktır. Mesela asetilin (hidrojen ve karbon karışımı) oksijen ile yakıldığında 3100 oC yi geçen sıcaklık elde edilmiştir. Böyle bir alevdeki elektron yoğunluğu için Deybe uzunluğu 0,01 milimetre olarak ölçülmüştür. Bu uzunluk alevin boyutlarından çok küçük olduğundan böyle bir alevin plazma halinde olması beklenir.
Gelecekteki cevap ise şöyledir: Nedendir bilmiyorum, çok yakından bildiğimiz şeylerin yapısını tam bilemiyoruz. Mesela üzerine ilk araştırma yapılan ve en çok hissettiğimiz kuvvet, kütle çekim kuvveti olmasına rağmen hakkında en az bilgimizin olduğu temel kuvvet yine bu kuvvettir. Alev de böyledir. İlk aydınlanma aracı olmasına rağmen halen yapısını tam inceleyememişiz.
Alevin plazması ile ilgili elimizde fazla detaylı bilgi yoktur. Bildiğimiz şey alevin belli noktalarındaki yüklü parçacıklarla ilgili yaptığımız matematiksel hesaplamalardır. Alevin özellikleri bir noktasından diğerine çok değiştiğinden gerekli verileri elde etmek için ciddi çalışmalar gerekmektedir. Bazen yüklü parçacık yoğunluğu sıcaklığa bakılarak belirlenmeye çalışılıyor. Alevin her noktasındaki sıcaklıklar ölçülmesine rağmen bir bölgedeki plazma özelliklerini verebilecek kadar değildir. Bazı alevlerin sıcaklığı, renklerinden çıkarılmaya çalışılıyorsa da bu gerçekçi bir yaklaşım değildir. Gerçekte bazı alevler görünür ışık üretmezler. Mesela sade hidrojen alevi görünmezdir. Alevin değişik noktalarının sıcaklıkları ve yüklü parçacık dağılımları için yapılan matematiksel hesaplamalar çok karmaşıktır. Alevin kimyasal yapısı, gazın termodinamiği, ısı transferi ve radyasyonu çok farklı özelliklere sahiptir. Alev hakkında ilk bilimsel çalışmalar 1800 lere dayanmaktadır. Ne yazık ki daha alevi çözemedik!
Nuri Balta