Plasma – Từ Bí Ẩn Đến Công Nghệ Hiện Đại

Plasma là gì? Tính chất và yếu tố ảnh hưởng của Plasma trong tự nhiên như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu trong bài viết này để khám phá về khái niệm Plasma và ứng dụng của công nghệ này trong đời sống.

Khám phá Plasma

Bạn có biết rằng ngoài ba dạng của vật chất, đó là rắn, lỏng và khí, trên trái đất và trong vũ trụ còn tồn tại dạng thứ tư – Plasma? Cùng tìm hiểu khái niệm này và những yếu tố tạo nên Plasma trong bài viết dưới đây. Hãy sẵn sàng ghi lại những điều thú vị nhé!

Định nghĩa Plasma là gì?

Plasma là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất, được mô tả lần đầu tiên vào những năm 1920 bởi nhà hóa học Irving Langmuir. Nó là dạng khí của các ion, tức là các nguyên tử có một số electron tự do không còn ở quỹ đạo của chúng.

Plasma mô tả hành vi của các hạt nhân nguyên tử bị ion hóa và các electron xung quanh chúng. Đơn giản hơn, mỗi hạt nhân sẽ tồn tại trong 1 biển electron di động. Langmuir mô tả plasma như sau: “Ngoại trừ gần các điện cực có vỏ bọc chứa rất ít electron, khí ion hóa chứa ion và electron số lượng bằng nhau để kết quả điện tích không gian rất nhỏ. Chúng ta sử dụng tên plasma để mô tả vùng chứa điện tích cân bằng các ion và electron.”

Plasma có thể được tạo ra nhân tạo bằng cách đốt nóng một loại khí trung tính hoặc đặt vào một trường điện mạnh để ion hóa chất khí đó. Các ion và electron sẽ bị ảnh hưởng bởi các trường điện từ xa, khiến động lực học của chúng nhạy với trường điện hơn so với khí trung tính. Hiện nay, ứng dụng của plasma đã xuất hiện trong nhiều thiết bị công nghệ hiện đại như TV plasma hoặc khắc plasma.

Tính chất của Plasma

Khí plasma và khí ion hóa có tính chất và hành vi khác biệt so với các trạng thái khác. Sự chuyển đổi giữa chúng phụ thuộc chủ yếu vào mật độ và nhiệt độ của môi trường plasma. Có thể tạo ra dạng bị ion hóa một phần hoặc toàn phần dựa trên mật độ này. Ví dụ, dấu hiệu neon hoặc sét là những ví dụ về plasma bị ion hóa một phần, trong khi tầng điện ly của Trái Đất là một ví dụ về plasma bị ion hóa hoàn toàn, từ quyển chứa plasma trong môi trường không gian xung quanh Trái Đất. Ngoài ra, phần lõi của Mặt Trời cũng là một ví dụ về plasma bị ion hóa hoàn toàn.

Plasma là môi trường trung tính về điện của các dương và âm không liên kết, tức là tổng điện tích của plasma gần như bằng không. Các hạt không liên kết này thể hiện sự chuyển động trong từ trường. Bất kỳ chuyển động nào của plasma tích điện đều tác động và bị tác động bởi các trường điện tích khác.

Với ion hóa, các electron quay quanh hạt nhân nguyên tử bị loại bỏ. Tổng số electron bị loại bỏ liên quan đến nhiệt độ tăng hoặc mật độ cục bộ của chất ion hóa đó. Quá trình này đi kèm với sự phân ly các liên kết phân tử. Mặc dù khác biệt với các quá trình hóa học của việc tương tác ion trong chất lỏng hoặc hành vi của các ion trong kim loại.

Yếu tố Xác định Plasma

Plasma là dạng vật chất phổ biến nhất trong vũ trụ. Nó liên quan chủ yếu đến các ngôi sao, môi trường nội bào hiếm gặp và các vùng liên thiên hà.

Có ba yếu tố quan trọng mà xác định plasma:

1. Plasma xấp xỉ: Cùng với tham số plasma, số lượng hạt mang điện trong quả cầu Debye, plasma xấp xỉ là plasma mà có bán kính Debye lớn hơn kích thước vật lý của nó. Điều này đủ để che chắn ảnh hưởng tĩnh điện của các hạt bên ngoài quả cầu.

2. Tương tác hàng loạt: Một plasma được coi là quasineutral khi mật độ Debye ngắn so với kích thước vật lý của nó. Điều này có nghĩa là tương tác trong phần lớn plasma quan trọng hơn tương tác ở các cạnh của nó, nơi các hiệu ứng biên có thể xảy ra.

3. Tần số: Tần số plasma là tần số cơ học của plasma, lớn hơn tần số va chạm trung hòa do dao động plasma của electron tạo ra. Khi điều kiện này được thỏa mãn, tương tác tĩnh điện chiếm ưu thế trong các quá trình động học khí thông thường.

Ảnh hưởng của Nhiệt độ

Nhiệt độ trong Plasma được đo bằng Kelvin hoặc Electronvolts, đơn vị đo động năng nhiệt trên mỗi hạt. Nhiệt độ cao là một yếu tố cần thiết để duy trì sự ion hóa, một đặc tính quan trọng của Plasma. Mức độ ion hóa được xác định bằng nhiệt độ electron so với năng lượng ion hóa, thể hiện trong phương trình Saha.

Ở nhiệt độ thấp, các ion và electron có xu hướng kết hợp lại thành các trạng thái bị ràng buộc. Các nguyên tử plasma cuối cùng sẽ trở thành chất khí.

Trong hầu hết các trường hợp, các electron gần đạt trạng thái cân bằng nhiệt, với nhiệt độ của chúng được xác định tương đối rõ ràng. Điều này đúng ngay cả khi có sự chênh lệch đáng kể so với chức năng phân phối năng lượng Maxwell như bức xạ UV hay các hạt năng lượng hoặc điện trường mạnh.

Vì sự khác biệt lớn về khối lượng, các electron cân bằng nhiệt động học nhanh hơn nhiều so với trạng thái cân bằng các ion hoặc nguyên tử trung tính. Do đó, nhiệt độ ion thường thấp hơn nhiệt độ electron, đặc biệt trong các plasma công nghệ bị ion hóa yếu. Trong đóm, các ion thường có nhiệt độ gần bằng nhiệt độ môi trường.

Ion hóa 1 phần và ion hóa hoàn toàn

Để plasma tồn tại, sự ion hóa là cần thiết. Mục đích của thuật ngữ “mật độ plasma” là chỉ mật độ electron tự do trong một đơn vị thể tích. Mức độ ion hóa của plasma được kiểm soát bởi nhiệt độ electron-ion và ion-ion so với tần số va chạm trung hòa electron.

Mức độ ion hóa α được định nghĩa bằng phương trình: α = (ne)/(nn), trong đó ne là mật độ số electron, ni là mật độ số ion, nn là mật độ số nguyên tử trung tính. Mật độ số electron liên quan đến trạng thái điện tích trung bình (Z) của các ion thông qua quan hệ: ne = (Z)ni.

Trong plasma, tần số va chạm electron-ion Vei lớn hơn nhiều so với tần số va chạm trung hòa electron Ven. Dẫn đến mức độ ion hóa yếu, tần số va chạm electron-ion có thể bằng tần số va chạm trung hòa electron: Vei = Ven. Khi tương quan này xảy ra, plasma được tách thành ion hóa một phần hoặc toàn bộ.

Có hai thuật ngữ quan trọng liên quan đến ion hóa khí:

• Ion hóa khí hoàn toàn: Thuật ngữ ion hóa khí hoàn toàn không chỉ đề cập đến mức độ ion hóa thống nhất mà còn ám chỉ plasma ở chế độ thống trị bởi tương tác Coulomb. Điều này có thể tương ứng với mức độ ion hóa thấp tới 0.01%.

• Ion hóa khí yếu: Đây là plasma không bị chi phối bởi tương tác Coulomb, với tần số va chạm electron-ion nhỏ hơn tần số va chạm trung hòa electron.

Hầu hết các plasma công nghệ đều là các ion hóa khí yếu.

Plasma: Nhiệt và Không nhiệt

Dựa trên nhiệt độ tương đối của electron, ion và neutrals, plasma được phân loại thành hai loại: plasma nhiệt và plasma không nhiệt, còn được gọi là plasma lạnh.

• Plasma nhiệt: Các electron và các hạt nặng có cùng nhiệt độ, tức là chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau.

• Plasma không nhiệt: Plasma không phải là khí bị ion hóa cân bằng có hai ngưỡng nhiệt độ. Các ion và neutrals ở nhiệt độ thấp, thậm chí là nhiệt độ phòng, trong khi các electron nóng hơn nhiều. Một ví dụ đặc biệt của plasma không phổ biến là khí hơi thủy ngân trong đèn huỳnh quang, trong đó nhiệt độ của các electron đạt tới 10.000 Kelvin, trong khi phần còn lại của khí chỉ ở nhiệt độ phòng. Vì vậy, bóng đèn huỳnh quang có thể chạm tay mà không gây bỏng.

• Plasma không nghịch đảo: Trường hợp đặc biệt này tạo ra nhiệt độ rất cao, trong đó các ion nóng hơn nhiều so với electron.

Plasma đã được ứng dụng trong công nghệ tiệt trùng trong lĩnh vực y tế. Bên cạnh các công nghệ tiệt trùng phổ biến như nồi hấp, plasma cũng được sử dụng phổ biến tại các bệnh viện và trung tâm y tế lớn.

Vậy là qua bài viết trên, bạn đã hiểu khái niệm Plasma là gì, tính chất và những yếu tố ảnh hưởng đến Plasma trong tự nhiên. Đừng quên đón đọc bài viết tiếp theo về Các loại plasma và ứng dụng trong thực tế vào tuần sau nhé!

Nguồn ảnh: fptskillking.edu.vn