Soru:
Yıldırım düşmesi sırasında, çakmanın gerçekleştiği kanalın sıcaklığı \( 30000 \, K \) civarındadır. Bu sıcaklık değerini kullanarak, havanın başlıca bileşenleri olan azot (\( N_2 \)) ve oksijen (\( O_2 \)) moleküllerinin iyonlaşma enerjilerinin (sırasıyla yaklaşık \( 15,6 \, eV \) ve \( 12,1 \, eV \)) bu ortamda sağlandığını termal enerji (\( E = k_B T \)) formülünü kullanarak gösteriniz. (\( k_B = 8,617 \times 10^{-5} \, eV/K \))
Çözüm:
💡 Bu soruda, ortamın termal enerjisinin, gaz moleküllerini iyonlaştırmak için yeterli olup olmadığını hesaplayacağız.
- ➡️ 1. Adım: Termal Enerjiyi Hesaplayalım
Termal enerji formülü: \( E = k_B T \).
\( k_B = 8,617 \times 10^{-5} \, eV/K \) ve \( T = 30000 \, K \) değerlerini yerine koyalım.
\( E = (8,617 \times 10^{-5}) \times (30000) \)
\( E = 2,5851 \, eV \)
- ➡️ 2. Adım: İyonlaşma Enerjileri ile Karşılaştıralım
Hesaplanan ortalama termal enerji \( \approx 2,59 \, eV \)'tur.
Azot (\( N_2 \)) için iyonlaşma enerjisi \( \approx 15,6 \, eV \).
Oksijen (\( O_2 \)) için iyonlaşma enerjisi \( \approx 12,1 \, eV \).
Görüldüğü gibi, ortalama termal enerji (2,59 eV), iyonlaşma enerjilerinden (12,1 eV ve 15,6 eV) çok daha düşüktür.
- ➡️ 3. Adım: Açıklama ve Sonuç
Bu durum, plazma oluşumunu nasıl açıklar? Termal enerji dağılımı Maxwell-Boltzmann dağılımına uyar. Ortam çok yüksek sıcaklıkta olduğu için, gaz parçacıklarının küçük bir fraksiyonu, ortalama enerjiden çok daha yüksek enerjilere sahip olur. Bu yüksek enerjili parçacıklar çarpışmalar yoluyla diğer molekülleri iyonlaştırabilir. Ayrıca, yıldırımı başlatan asıl mekanizma çok güçlü elektrik alandır; bu elektrik alan, elektronları hızlandırarak çarpışma yoluyla iyonlaşmaya (çığ etkisi) neden olur.
✅ Sonuç: Ortalama termal enerji tek başına iyonlaşma için yeterli görünmese de, yüksek sıcaklık ve güçlü elektrik alanın birleşimi, havadaki atom ve moleküllerin iyonlaşarak bir plazma kanalı oluşturması için yeterli koşulları sağlar.
