Plasma là gì? Tính chất và yếu tố ảnh hưởng của Plasma trong tự nhiên như thế nào? Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ về khái niệm plasma và ứng dụng của công nghệ này trong đời sống.
Bạn có biết, trên trái đất chúng ta đang sống không chỉ có 3 dạng rắn, lỏng và khí, như chúng ta đã học ở các chương trình cơ bản hay không?
Thực tế là còn có một dạng thứ 4, đó là plasma. Vậy plasma là gì? Tính chất của nó cùng những yếu tố tạo nên plasma là gì? Chúng ta hãy cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết này. Nếu bạn muốn sử dụng nó như một tài liệu tham khảo, hãy chuẩn bị giấy và bút để ghi lại những thông tin quan trọng nhé!
Định nghĩa plasma
Plasma là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất. Được nhà hóa học Irving Langmuir mô tả lần đầu tiên vào những năm 1920, plasma bao gồm một loại khí có chứa ion. Theo cách khác, plasma là các nguyên tử đã mất một số electron tự do trong quỹ đạo của chúng.
Plasma miêu tả hành vi của các hạt nhân ion và các electron xung quanh. Đơn giản, mỗi hạt nhân treo lơ lửng trong một biển electron di động. Langmuir miêu tả plasma như sau: “Khí ion hóa chứa ion và electron số lượng bằng nhau ngoại trừ gần các điện cực chứa rất ít electron, để kết quả là điện tích không gian rất nhỏ. Chúng ta sử dụng thuật ngữ plasma để miêu tả vùng chứa điện tích cân bằng giữa các ion và electron.”
Plasma có thể được tạo ra nhân tạo bằng cách nung nóng một loại khí trung tính hoặc đặt trong một trường điện mạnh đến mức chất khí đó bị ion hóa và trở nên dẫn điện. Kết quả là các ion và electron tích điện bị ảnh hưởng bởi các trường điện từ xa, làm cho động lực của chúng nhạy với trường điện hơn so với chất khí trung tính.
Phản ứng của plasma với trường điện từ này được sử dụng 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 các tính chất và hành vi khác biệt so với các trạng thái khác. Sự chuyển đổi giữa chúng chủ yếu là vấn đề danh pháp và có thể được giải thích dựa trên mật độ và nhiệt độ của môi trường plasma. Có thể tạo ra các dạng ion hóa một phần hoặc toàn phần dựa trên điều kiện mật độ và nhiệt độ. Ví dụ về plasma bị ion hóa một phần là dấu hiệu neon hoặc sét. Tầng điện ly của Trái Đất là một ví dụ về plasma. Plasma ở phần lõi của Mặt Trời là ví dụ về plasma bị ion hóa hoàn toàn.
Plasma là một môi trường trung tính về điện của các dương và âm không liên kết. Nghĩa là tổng thể điện tích của plasma gần như bằng không. Các hạt không liên kết, nhưng chúng không tự do trong không gian. Các hạt tích điện chuyển động được tạo ra trong từ trường và bị ảnh hưởng cũng như ảnh hưởng bởi các trường tích điện khác.
Các điện tích dương trong ion được tạo ra bằng cách loại bỏ electron quanh hạt nhân nguyên tử. Số electron bị loại bỏ liên quan đến nhiệt độ tăng hoặc mật độ cục bộ của vật chất ion hóa. Quá trình này đi kèm với sự phân ly các liên kết phân tử, khác biệt rõ rệt so với các quá trình hóa học của việc ion tương tác trong chất lỏng hoặc hành vi của các ion dùng chung trong kim loại.
Yếu tố xác định plasma
Plasma là dạng vật chất thông thường nhất trong vũ trụ. Giả thuyết này dựa trên sự tồn tại và đặc tính chưa biết của vật chất tối. Plasma chủ yếu liên quan đến các ngôi sao, môi trường nội bào hiếm gặp và các vùng liên thiên hà.
- Plasma xấp xỉ: Áp dụng khi tham số plasma đại diện cho số lượng hạt mang điện trong quả cầu Debye, có bán kính là chiều dài sàng lọc Debye bao quanh một hạt tích điện. Đủ cao để che chắn ảnh hưởng tĩnh điện của hạt bên ngoài quả cầu.
- Tương tác hàng loạt: Thời lượng sàng lọc Debye ngắn so với kích thước vật lý của plasma. Tiêu chí này có nghĩa là tương tác trong phần lớn của plasma quan trọng hơn các cạnh của nó, nơi các hiệu ứng biên có thể diễn ra. Khi tiêu chí này được đáp ứng, plasma là quasineutral.
- Tần số: Tần số plasma điện tử lớn hơn tần số va chạm trung hòa do dao động plasma của các electron tạo ra. Trong các điều kiện hợp lệ, tương tác tĩnh điện chiếm ưu thế trong quá trình động học khí thông thường.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ trong plasma được đo bằng đơn vị Kelvin hoặc Electronvolts, là thước đo năng lượng nhiệt trên mỗi hạt. Nhiệt độ cao là yếu tố cần thiết để duy trì sự ion hóa, là tính chất đặc trưng của plasma. Mức độ ion hóa được xác định bởi nhiệt độ electron so với năng lượng ion hóa, được thể hiện qua phương trình Saha.
Ở nhiệt độ thấp, các ion và electron có xu hướng kết hợp lại thành các trạng thái bị ràng buộc, cuối cùng trở thành chất khí. Trong hầu hết các trường hợp, các electron đủ gần với trạng thái cân bằng nhiệt mà nhiệt độ của chúng được xác định tương đối rõ. Điều này đúng ngay cả khi có sai lệch đáng kể so với phân bố năng lượng Maxwell như bức xạ UV hoặc các hạt năng lượng cao hay trường điện mạnh.
Do sự khác biệt về khối lượng lớn, các electron cân bằng động lực nhiệt nhanh hơn đáng kể so với trạng thái cân bằng các ion hoặc nguyên tử trung tính. Vì vậy, nhiệt độ ion thường thấp hơn, đặc biệt là trong các plasma công nghệ với ion hóa yếu. Trong plasma, các ion thường gần với nhiệt độ môi trường.
Ion hóa một phần và ion hóa hoàn toàn
Để plasma tồn tại, sự ion hóa là cần thiết. Thuật ngữ “mật độ plasma” thường được sử dụng để chỉ mật độ số electron tự do trong một đơn vị thể tích. Mức độ ion hóa của plasma liên quan đến tỷ lệ các nguyên tử mất hoặc thu được electron, 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 theo phương trình:
α = ni / nn
Trong đó, 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: ne = Zni; ne là mật độ số electron.
Trong plasma, tần số va chạm electron – ion Vei lớn hơn nhiều so với tần số va chạm trung tính electron Ven. Do đó, trong plasma có mức độ ion hóa yếu, tần số va chạm electron – ion có thể bằng tần số va chạm trung tính electron: Vei = Ven. Điều này đồng nghĩa với việc plasma được phân ra thành ion hóa một phần hoặc toàn bộ.
- Thuật ngữ ion hóa khí hoàn toàn không có nghĩa là mức độ ion hóa thống nhất, mà chỉ đề cập đến plasma ở trạng thái chi phối bởi va chạm Coulomb, tức là khi Vei > Ven. Có thể tương ứng với mức độ ion hóa thấp dưới 0.01%.
- Ion hóa một phần hay plasma yếu có nghĩa là plasma không bị chi phối bởi va chạm Coulomb, tức là khi Vei < Ven.
- Hầu hết các plasma công nghệ đều là plasma yếu.
Plasma nhiệt và không nhiệt
Dựa trên nhiệt độ tương đối của electron, ion và neutrals, plasma được phân loại là nhiệt hoặc không nhiệt, còn được gọi là plasma lạnh.
- Plasma nhiệt có electron và các hạt nặng ở cùng một nhiệt độ, tức là chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau.
- Trái ngược, plasma không phổ thông hay khí bị ion hóa không cân bằng có hai ngưỡng nhiệt độ. Các ion và neutrals ở nhiệt độ thấp, có thể là nhiệt độ phòng, trong khi electron nóng hơn rất nhiều. Một ví dụ về plasma không phổ thông là khí thủy ngân trong đèn huỳnh quang, trong đó khí electron đạt nhiệt độ 10.000 Kelvin trong khi phần còn lại của khí chỉ ở nhiệt độ phòng. Vì vậy, bóng đèn khi hoạt động có thể chạm vào mà không bị bỏng.
- Trường hợp đặc biệt là plasma không nghịch đảo, trong đó tạo ra nhiệt độ rất cao, các ion nóng hơn rất nhiều so với electron.
Trong lĩnh vực y tế, plasma được sử dụng trong công nghệ tiệt trùng. Ngoài các phương pháp tiệt trùng y tế phổ biến khác, công nghệ plasma cũng được sử dụng rộng rãi trong các bệnh viện và trung tâm y tế lớn. Bạn có thể tìm hiểu thêm về phương pháp tiệt trùng plasma tại Dnulib.
Vậy là qua bài viết này, bạn đã hiểu rõ khái niệm plasma là gì, tính chất và yếu tố ảnh hưởng đến plasma trong tự nhiên. Hãy đón xem bài viết tiếp theo của chúng tôi về các loại plasma và ứng dụng trong thực tế vào tuần sau!
Bài viết được chỉnh sửa bởi Dnulib.
