Plasma, trạng thái thứ tư của vật chất, không chỉ là một khái niệm trong vật lý mà còn là một hiện tượng xuất hiện phổ biến trong tự nhiên và công nghệ. Việc hiểu rõ về Plasma là gì không chỉ giúp giải thích nhiều hiện tượng tự nhiên như cực quang hay lửa Plasma trong vũ trụ, mà còn mở ra những tiềm năng ứng dụng đầy hứa hẹn trong tương lai.
Tìm hiểu về thuật ngữ Plasma là gì?
Thuật ngữ “Plasma” được dùng để mô tả nhiều loại chất trung tính vĩ mô chứa nhiều electron tự do tương tác và các nguyên tử hoặc phân tử ion hóa. Tuy nhiên, không phải tất cả các môi trường chứa các hạt tích điện đều có thể được phân loại là Plasma. Để một tập hợp các hạt tích điện và trung tính tương tác được xem là Plasma, nó phải đáp ứng một số điều kiện hoặc tiêu chí nhất định. Các tiêu chí này sẽ được thảo luận chi tiết trong phần tiếp theo.
Thuật ngữ “Plasma” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp và có nghĩa là thứ gì đó được đúc. Lần đầu tiên thuật ngữ này được Tonks và Langmuir sử dụng vào năm 1929 để mô tả vùng bên trong, cách xa ranh giới, của một loại khí ion hóa phát sáng được tạo ra do phóng điện trong ống, toàn bộ khí ion hóa vẫn trung tính về điện.
Plasma là gì – Trạng thái thứ tư của vật chất
Theo quan điểm khoa học, vật chất trong vũ trụ đã biết thường được phân loại theo bốn trạng thái: rắn, lỏng, khí và Plasma. Sự khác biệt cơ bản giữa chất rắn, chất lỏng và chất khí nằm ở sự khác biệt giữa cường độ của các liên kết giữ các hạt cấu thành của chúng lại với nhau. Các lực liên kết này tương đối mạnh ở chất rắn, yếu ở chất lỏng và về cơ bản hầu như không có ở trạng thái khí.
Việc một chất nhất định có được tìm thấy ở một trong những trạng thái này hay không phụ thuộc vào động năng ngẫu nhiên (năng lượng nhiệt) của các nguyên tử hoặc phân tử của nó, tức là vào nhiệt độ của nó. Sự cân bằng giữa năng lượng nhiệt của hạt này và các lực liên kết giữa các hạt quyết định trạng thái.
Dễ hiểu hơn, với một nguyên tố phổ biến – nước – ba trạng thái này của nước là băng, nước và hơi nước. Sự khác biệt giữa các trạng thái này là mức năng lượng tương đối của chúng. Khi bạn thêm năng lượng dưới dạng nhiệt vào băng, băng sẽ tan chảy và tạo thành nước; nếu bạn thêm nhiều năng lượng hơn, nước sẽ bốc hơi và trở thành hơi nước.
Nếu bạn thêm nhiều năng lượng hơn vào hơi nước – đun nóng đến khoảng 11.700° C (40.000° F) – hơi nước sẽ phân tách thành một số khí thành phần và trở nên dẫn điện hoặc ion hóa. Khí ion hóa năng lượng cao này được gọi là Plasma.
Tính chất của Plasma là gì?
Plasma là trạng thái năng lượng cao nhất của vật chất bao gồm một tập hợp các electron chuyển động tự do, các ion dương và các hạt trung tính. Vì Plasma bao gồm các hạt tích điện, Plasma phản ứng với trường điện từ và dẫn điện. Ngược lại, hầu hết các loại khí đều là chất cách điện.
Và giống như chất khí, Plasma không có hình dạng hoặc thể tích xác định. Khi Plasma tiếp xúc với từ trường, nó có thể có các cấu trúc, bao gồm các lớp, sợi và chùm. Một ví dụ điển hình về một số cấu trúc này có thể được quan sát thấy trong quả cầu Plasma.
Mặc dù Plasma có liên quan chặt chẽ với pha khí ở chỗ nó không có hình dạng hoặc thể tích xác định , nhưng nó khác nhau ở một số điểm:
- Plasma có độ dẫn điện rất cao.
- Plasma dễ bị ảnh hưởng bởi điện trường và từ trường hơn là bởi trọng lực
- Chuyển động của electron và ion trong Plasma tạo ra trường điện và trường từ riêng.
- Do trạng thái hỗn loạn hoàn toàn và năng lượng cao của các hạt cấu thành nên Plasma nên nó tự tạo ra bức xạ điện từ.
Để tạo ra và duy trì trạng thái năng lượng cao tồn tại trong Plasma, phải có nguồn cung cấp năng lượng liên tục.
Sự xuất hiện của Plasma trong tự nhiên
Từ khái niệm Plasma là gì, với những tiến bộ đạt được trong vật lý thiên văn và vật lý lý thuyết trong thế kỷ qua, người ta nhận ra rằng hầu hết vật chất trong vũ trụ đã biết, với một số ít ngoại lệ như bề mặt của các hành tinh lạnh (ví dụ như Trái Đất) đều tồn tại dưới dạng Plasma.
Mặt trời
Mặt trời, “ngôi sao” gần Trái Đất nhất là một hiện tượng Plasma. Năng lượng đầu ra của Mặt trời bắt nguồn từ phản ứng nhiệt hạch của các proton tạo thành các ion heli sâu bên trong nó, nơi nhiệt độ vượt quá 1,2 x 107 K.
Nhiệt độ cao bên trong và các phản ứng nhiệt hạch tiếp theo giữ cho toàn bộ mặt trời ở dạng khí. Do khối lượng lớn (2 x 1030 kg), lực hấp dẫn của mặt trời đủ để ngăn chặn sự thoát ra của tất cả các hạt năng lượng cao nhất và tất nhiên là cả bức xạ từ Plasma mặt trời nóng.
Cực quang
Mặt trời là một Plasma có nhiệt độ và mật độ rất cao giống như tất cả các ngôi sao khác. Plasma này đôi khi được phóng ra dưới dạng các đợt bùng phát năng lượng mặt trời. Các đợt bùng phát năng lượng mặt trời này và các hạt năng lượng cao khác tương tác với bầu khí quyển của chúng ta để tạo ra một dạng Plasma khác, gọi là Cực quang.
Tia sét
Ngoài ra, tia sét được nhìn thấy trong cơn giông bão là một dạng Plasma khác. Tia sét được tạo ra do dòng điện di chuyển qua không khí và ion hóa các khu vực mà nó đi qua, tạo ra một đường dẫn điện tuyệt vời. Plasma là thứ chỉ được nhìn thấy trong những điều kiện rất khắc nghiệt, nhưng mọi người vẫn có thể dễ dàng quan sát được những điều kiện khắc nghiệt đó.
Những yếu tố ảnh hưởng đến Plasma là gì?
Plasma là trạng thái của vật chất mà các hạt bị ion hóa mạnh, dẫn đến sự tồn tại của các ion dương và electron tự do. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và tính chất của Plasma trong tự nhiên cũng như trong các ứng dụng công nghệ bao gồm:
Nhiệt độ
Ion hóa và nhiệt độ cao
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến Plasma. Khi nhiệt độ tăng cao, các nguyên tử và phân tử trong chất khí bị kích thích đến mức năng lượng cao, dẫn đến việc electron bị tách ra khỏi nguyên tử, tạo thành ion dương và electron tự do. Điều này hình thành Plasma. Trong tự nhiên, Plasma có thể xuất hiện ở nhiệt độ cực cao, như trong lõi của các ngôi sao hoặc trong tia sét.
Plasma lạnh
Ở nhiệt độ thấp hơn, mặc dù số lượng ion hóa giảm nhưng vẫn có thể tồn tại trạng thái Plasma. Plasma là gì trong trường hợp này? Nó thường được gọi là “Plasma lạnh”. Điều này thường xảy ra trong các ứng dụng công nghệ như Plasma y học và xử lý vật liệu.
Áp suất
Áp suất thấp
Plasma thường tồn tại ở áp suất thấp, như trong không gian vũ trụ hoặc trong các buồng chân không trong phòng thí nghiệm. Ở áp suất thấp, các hạt trong Plasma có thể di chuyển tự do hơn và va chạm ít hơn, duy trì trạng thái ion hóa.
Áp suất cao
Trong các ngôi sao hoặc trong quá trình tạo Plasma bằng các phương pháp nhiệt hạch, áp suất cao cũng có thể dẫn đến sự tồn tại của Plasma. Tuy nhiên, ở áp suất cao, các va chạm giữa các hạt trở nên thường xuyên hơn, ảnh hưởng đến tính chất của Plasma.
Mật độ hạt
Mật độ thấp
Trong không gian vũ trụ, mật độ hạt trong Plasma rất thấp. Điều này dẫn đến các tương tác giữa các hạt ít hơn, làm cho Plasma có thể duy trì trong khoảng thời gian dài mà không bị phá hủy.
Mật độ cao
Trong các ngôi sao hoặc trong các lò phản ứng nhiệt hạch, mật độ hạt rất cao, dẫn đến các va chạm mạnh mẽ giữa các hạt và làm tăng khả năng phát sinh năng lượng từ Plasma.
Từ trường tác động đến Plasma là gì?
Tương tác với từ trường
Plasma, do có các hạt mang điện tích, chịu ảnh hưởng mạnh từ từ trường. Từ trường có thể làm biến đổi quỹ đạo của các hạt trong Plasma, dẫn đến các hiện tượng như xoáy từ trường hoặc sự hình thành các cấu trúc từ tính trong Plasma.
Kiểm soát Plasma
Trong các lò phản ứng nhiệt hạch hoặc các thiết bị công nghệ cao, từ trường được sử dụng để kiểm soát và ổn định Plasma. Bằng cách tạo ra từ trường mạnh xung quanh Plasma, các nhà khoa học có thể duy trì Plasma ở trạng thái cần thiết cho các ứng dụng cụ thể.
Nguồn cung cấp năng lượng
Phản ứng hóa học
Trong một số điều kiện, các phản ứng hóa học cũng có thể cung cấp năng lượng cần thiết để tạo ra hoặc duy trì Plasma. Ví dụ, trong bầu khí quyển của hành tinh, các phản ứng hóa học có thể dẫn đến sự hình thành Plasma.
Điện trường và sóng điện từ
Điện trường và sóng điện từ có thể cung cấp năng lượng cho các hạt trong Plasma, duy trì trạng thái ion hóa. Trong các ứng dụng công nghệ, sóng điện từ thường được sử dụng để tạo và duy trì Plasma trong các thiết bị như lò vi sóng hoặc đèn huỳnh quang.
Thành phần hóa học
Loại khí và nguyên tố
Thành phần hóa học của chất ban đầu cũng ảnh hưởng lớn đến tính chất của Plasma. Các khí khác nhau sẽ ion hóa ở nhiệt độ khác nhau, và các nguyên tố khác nhau sẽ phát ra các phổ ánh sáng khác nhau khi ở trạng thái Plasma. Ví dụ, helium Plasma có tính chất khác biệt so với hydrogen Plasma.
Những yếu tố này kết hợp với nhau tạo nên tính chất đa dạng và phức tạp của Plasma, giúp giải thích nhiều hiện tượng tự nhiên cũng như ứng dụng trong công nghệ hiện đại.
Plasma được tạo ra như thế nào?
Như vậy, bạn đã hiểu Plasma là gì. Tùy theo mục đích sử dụng mà có một số cách thức để tạo ra những loại Plasma khác nhau. Tuy nhiên, có một nguyên tắc chung cho tất cả các phương pháp, đó là phải có năng lượng đầu vào để sản xuất và duy trì.
Plasma phóng điện khí (áp suất thấp)
Phương pháp phổ biến và đơn giản nhất để tạo ra Plasma là tạo một điện trường vào khí trung bình. Plasma phóng khí là một dạng Plasma phổ biến, có thể có nhiều thông số khác nhau. Một điện trường gây ra sự đánh thủng điện của khí, sau đó tạo ra các dạng Plasma khác nhau tùy thuộc vào điện kiện của quá trình.
Trong giai đoạn phân hủy đầu tiên, xuất hiện dòng điện đồng đều gồm các electron và ion. Trong giai đoạn tiếp theo của quá trình phân hủy, dòng điện thiết lập sự phân bố các hạt tích điện trong không gian – đây là sự thải khí.
Plasma phóng điện phát quang (GDP): Plasma không nhiệt được tạo ra bằng cách áp dụng điện trường DC hoặc tần số thấp (<100Hz) vào khe hở giữa hai điện cực kim loại. Đây là Plasma phổ biến nhất được tạo ra trong các ống đèn huỳnh quang.
Plasma kết hợp điện dung (CCP): Tương tự như GDP, nhưng được tạo ra bằng điện trường RF tần số cao, thường là 13,56 MHz. Chúng khác với sự GDP ở chỗ vỏ bọc ít cường độ hơn nhiều. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo vi mô và sản xuất mạch tích hợp để khắc Plasma và lắng đọng hơi hóa học tăng cường Plasma.
Plasma kết hợp cảm ứng (ICP): Đây là loại Plasma tương tự CCP ngoại trừ điện cực bao gồm một cuộn dây quấn quanh buồng nơi hình thành Plasma.
Sử dụng bức xạ cộng hưởng
Cách thuận tiện khác để sản xuất Plasma là gì? Đó là sử dụng bức xạ cộng hưởng. Bức xạ cộng hưởng có bước sóng tương ứng với năng lượng chuyển tiếp nguyên tử trong các nguyên tử cấu thành khí kích thích. Kết quả của sự kích thích khí là mật độ cao của các nguyên tử bị kích thích được lên men và sự va chạm của chúng dẫn đến sự ion hóa và tạo ra Plasma. Plasma này được gọi là Plasma quang điện.
Sử dụng tia laser
Plasma cũng có thể được tạo ra bằng cách chiếu tia laser lên về mặt – gọi là Plasma laser – nó được đặc trưng bởi các thông số như công suất laser và khoảng thời gian của quá trình. Nếu một xung laser ngắn nano giây được tập trung vào một bề mặt, vật liệu sẽ bay hơi khỏi bề mặt dưới dạng Plasma.
Nếu mật độ số lượng electron trong Plasma tăng lên trên mật độ tới hạn, thì Plasma đang phát triển sẽ sàng lọc bức xạ và bức xạ laser tiếp theo sẽ làm nóng Plasma. Kết quả là nhiệt động của Plasma tăng lên hàng chục electron volt và Plasma này có thể được sử dụng làm nguồn phát tia X.
Sản xuất Plasma bằng chùm tia điện tử
Một phương pháp sản xuất Plasma được sử dụng rộng rãi dựa trên sự chuyển đổi của chùm tia điện tử qua chất khí. Các electron thứ cấp có thể được sử dụng cho quá trình này. Chùm điện tử đóng vai trò là nguồn ion hóa thuận tiện cho laser hóa học vì quá trình ion hóa kết thúc trong thời gian ngắn.
Sản xuất Plasma bằng các hạt nhỏ
Việc đưa các hạt và cụm hạt nhỏ vào chất khí bị ion hóa yếu có thể tích điện cho nó vì các hạt này có thể hấp thụ các hạt điện tích. Tức là các electron và ion hoặc các ion âm và dương có thể kết hợp lại trên các hạt này. Quá trình này xảy ra trong Plasma khí dung, tức là Plasma khí quyển có chứa các hạt khí dung.
Một số ứng dụng của Plasma là gì?
Plasma đóng một vai trò thiết yếu trong nhiều ứng dụng, từ thiết bị chiếu sáng tiên tiến đến xử lý về mặt cho các ứng dụng bán dẫn hoặc tạo lớp bề mặt. Các ứng dụng khác là nghiên cứu phản ứng tổng hợp có kiểm soát, vật lý mặt trời, vật lý thiên văn, quần thể Plasma, vật lý tầng điện ly và vật lý từ quyển.
Một số ứng dụng của Plasma phổ biến như sau:
Chế tạo “Súng Plasma”
Plasma có thể được giữ trong giới hạn và được làm nóng bằng từ trường và điện trường. Những đặc điểm cơ bản này của Plasma có thể được sử dụng để chế tạo “súng Plasma” phóng ra các ion với vận tốc lên tới 100km/s. Ví dụ, “súng Plasma” có thể được sử dụng trong động cơ tên lửa ion.
Ứng dụng làm bộ cộng hưởng hoặc ống dẫn sóng
Plasma có thể được sử dụng để làm bộ cộng hưởng hoặc ống dẫn sóng, tương tự như các hộp kim loại rỗng, cho bức xạ điện tử. Plasma trải qua một loạt xã dao động tĩnh điện và điện từ mà người ta có thể sử dụng hiệu quả.
Chế tạo “Động cơ Plasma”
“Động cơ Plasma” khác với động cơ thông thường ở chỗ có Plasma (không phải kim loại) là chất dẫn điện cơ bản. Về nguyên tắc, những động cơ này có thể nhẹ hơn và hiệu quả hơn động cơ thông thường. Tương tự, người ta có thể phát triển “máy phát Plasma” để chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.
Toàn bộ chủ đề sản xuất năng lượng điện từ thủy động trực tiếp đã chín muồi để phát triển, và các “bộ chuyển đổi năng lượng nhiệt động” được biết đến hiện nay là nhà máy hơi nước, tua-bin…
Kết luận
Như vậy, bạn đã có kiến thức cơ bản về Plasma là gì. Có thể thấy, Plasma đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình tự nhiên và công nghệ, từ việc giải thích những hiện tượng tự nhiên như cực quang và sét cho đến các ứng dụng công nghệ cao như đèn huỳnh quang, tia X và các công nghệ Plasma khác… Hiểu rõ về Plasma không chỉ giúp chúng ta giải mã những hiện tượng phức tạp mà còn thúc đẩy sự phát triển của khoa học và công nghệ trong những lĩnh vực mới mẻ và đầy triển vọng.
Xem thêm:
