[자연과학] [화학] 플라즈마란

※ 플라즈마의 정의
기체 상태의 물질에 계속 열을 가하여 온도를 올려주면, 이온핵과 자유전자로 이루어진 입자들의 집합체가 만들어진다. 물질의 세 가지 형태인 고체, 액체, 기체와 더불어 `제4의 물질상태`로 불리며, 이러한 상태의 물질을 플라즈마라고 한다.
플라스마의 성질은 일반적인 기체와 매우 다르기 때문에 물질의 네 번째 상태라고 불리며, 윌리엄 크룩스에 의해 1879년에 방전관에서 처음으로 확인되었다. 당시 그는 이것을 발광물질이라고 칭했다. Crookes tube에서 음극선에 대한 연구는 영국의 물리학자 조지프 존 톰슨에 의해 1897년에 재차 이루어졌고, 플라스마라는 명칭은 1928년 어빙 랭뮤어에 의해 처음 쓰였다
물질 중에서 가장 낮은 에너지 상태를 가지고 있는 고체에 열을 가하여 온도가 올라가면 액체가 되고 다시 열에너지가 가해지면 기체로 전이를 일으킨다. 계속해서 기체가 더 큰 에너지를 받으면 상태전이와는 다른 이온화된 입자들이 만들어 지게 되며 이때 양이온과 음이온의 총 전하수는 거의 같아진다. 이러한 상태가 전기적으로 중성을 띄는 플라즈마 상태가 되는 것이다.
더 자세히 설명하자면 , 높은 온도에서는 원자 중심의 전자가 튀어 나온다. 본래 원자는 전기적으로 중성을 띄고 있다. 전자는 마이너스 전기를 띄기 때문에, 이 상태에서 전자가 튀어 나오면, 원래의 전자는 플러스 전기를 띄게 된다. 이러한 상태가 된 원자를 이온이라 부른다.
즉, 고온이 되면 기체는 플러스와 마이너스 전기를 갖는 입자로 분리가 되는 것이다. 플라즈마 상태로 된 기체에 전압을 걸면, 플러스 전기를 뛴 입자는 마이너스 측에, 마이너스 전기를 띈 입자는 플러스 측으로 이동한다. 이것은 전류가 흐르는 것을 의미한다. 즉, 플라즈마는 자연스럽게 전기가 통할 수 있는 특성을 가지게 된다.
※ 플라즈마의 특성 4가지
위에서도 말했듯이 플라즈마는 전기적인 특성을 …

1. 전기적 특성 : 전체적으로는 중성이지만 1/만개~백만개 정도의 이온과 자유전자가 존재하므로 외부의 전계에 의해 전류를 흘릴 수 있는 특성을 갖는다. 특히 플라즈마의 온도는 입자의 운동상태와 직접적으로 연관되기 때문에 전도도 증가와도 관련된다.

2. 화학적 특성 : 플라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 전자와 이온이 존재하기 때문에 다른 물질을 여기, 전리시킬 수 있다. 따라서 다른 물질의 화학 반응을 활발하게 일어나도록 분위기를 조장해 준다.

3. 물리적 특성 : 전자와 이온의 질량차이가 아주 크다. 그런 이유로 각 입자의 운동속도도 아주 큰 차이를 보이는데 이는 sheath, debye shielding 같은 현상을 초래한다.

4. 자기적 특성 : 플라즈마 내부에 있는 전자와 이온들은 자계를 걸어주면 운동방향이 자계방향과 직각으로 원 운동하게 되며 이러한 방식으로 플라즈마를 한쪽에 잡아 놓을 수 있게 되고, 플라즈마의 밀도를 원하는 곳에 집중시킬 수 있다. 높은 밀도의 플라즈마는 전기저항이 낮아지게 된다. 이러한 자기적 특성을 이용하면 전압을 상승시키지 않고 높은 밀도의 플라즈마를 생성시킬 수 있다.