Plasma

Plasma (Ly tử thể)

Plasma là một chất khí ion hóa hoặc một phần ion hóa, có tính chất và hành vi riêng biệt so với các trạng thái khác của vật chất, nhưng có thể tồn tại ở nhiều môi trường khác nhau như trong tầng điện ly của Trái Đất và ngoài không gian xung quanh.

Các ứng dụng của plasma

Plasma trong vũ trụ có thể là dạng vật chất phổ biến nhất, tồn tại ở các ngôi sao và các vùng không gian giữa các thiên hà.

Lịch sử của Plasma

Từ nguyên plasma có nguồn gốc từ tiếng Hi Lạp cổ πλάσμα 'vật chất có thể uốn' hoặc 'thạch'. Plasma được mô tả lần đầu bởi Sir William Crookes trong ống Crookes vào năm 1879 và được xác định bởi Sir JJ Thomson vào năm 1897.

Irving Langmuir đưa thuật ngữ 'plasma' vào năm 1928 để mô tả khí ion hóa. Langmuir liên kết hình ảnh với cách huyết tương mang các tiểu thể máu.

Irving Langmuir mô tả plasma mà ông quan sát như sau:

'Ngoại trừ gần các điện cực, nơi có vỏ bọc chứa rất ít điện tử, khí bị ion hóa chứa các ion và điện tử với số lượng bằng nhau nên điện tích không gian thu được là rất nhỏ. Chúng ta sẽ sử dụng thuật ngữ plasma để mô tả vùng này, nơi chứa sự cân bằng giữa các điện tích của ion và electron.'

Các thuộc tính và thông số của Plasma

Định nghĩa của Plasma

Plasma là một trạng thái của vật chất trong đó khí bị ion hóa dẫn điện mạnh mẽ, được chi phối bởi điện trường và từ trường từ xa. Trạng thái này khác biệt so với các trạng thái khác như rắn, lỏng và khí.

Plasma là một môi trường điện trung hòa của các hạt mang điện âm và dương không liên kết (tức là tổng điện tích gần như bằng không). Mặc dù các hạt này không được ràng buộc, chúng không 'tự do' theo nghĩa không trải qua các lực. Các hạt mang điện chuyển động tạo ra dòng điện trong từ trường, và bất kỳ chuyển động nào của hạt plasma mang điện đều ảnh hưởng và bị ảnh hưởng bởi trường do các điện tích khác tạo ra. Điều này chi phối hành vi tập thể ở nhiều mức độ khác nhau. Ba yếu tố xác định plasma là:

1. Vùng tiệm cận plasma: Vùng tiệm cận plasma được đạt khi số hạt mang điện trong một quả cầu (gọi là quả cầu Debye với bán kính là chiều dài sàng lọc Debye) xung quanh một hạt mang điện nhất định đủ cao để che chắn ảnh hưởng tĩnh điện của các hạt bên ngoài quả cầu.
2. Tương tác hàng loạt: Chiều dài sàng lọc Debye (được xác định ở trên) ngắn so với kích thước vật lý của plasma. Tiêu chí này cho thấy các tương tác trong hầu hết plasma quan trọng hơn các tương tác ở các ranh giới của nó, nơi có thể xảy ra các hiệu ứng ranh giới. Khi tiêu chí này được đáp ứng, plasma trở thành chuẩn.
3. Tần số plasma: Tần số plasma điện tử (đo sự dao động của các điện tử trong plasma) lớn hơn tần số va chạm trung hòa điện tử (đo tần số va chạm giữa các điện tử và các hạt trung hòa). Khi điều kiện này được thỏa mãn, tương tác tĩnh điện chiếm ưu thế hơn các quá trình động học khí thông thường.

Nhiệt độ của Plasma

Nhiệt độ plasma thường được đo bằng kelvin hoặc electronvolt và, một cách không chính thức, là thước đo năng lượng động của từng hạt. Nhiệt độ cao thường cần thiết để duy trì quá trình ion hóa, đây là đặc điểm xác định của plasma. Mức độ ion hóa của plasma được xác định bởi nhiệt độ của electron so với năng lượng ion hóa (và cũng bởi mật độ), trong một mối quan hệ được gọi là phương trình Saha. Ở nhiệt độ thấp, các ion và electron có xu hướng tái kết hợp thành các trạng thái liên kết – nguyên tử – và cuối cùng plasma trở thành khí.

Trong hầu hết các trường hợp, các electron đủ gần với trạng thái cân bằng nhiệt để nhiệt độ của chúng được xác định tương đối rõ ràng; điều này đúng ngay cả khi có sự sai lệch đáng kể so với phân bố năng lượng Maxwellian, ví dụ như do bức xạ UV, các hạt năng lượng hoặc điện trường mạnh. Do sự khác biệt lớn về khối lượng, các electron tự đạt trạng thái cân bằng nhiệt động lực học nhanh hơn nhiều so với trạng thái cân bằng với các ion hoặc nguyên tử trung hòa. Vì lý do này, nhiệt độ ion có thể rất khác với (thường là thấp hơn) nhiệt độ electron. Điều này đặc biệt phổ biến trong các plasma công nghệ với mức ion hóa thấp, nơi các ion thường ở gần nhiệt độ môi trường.

Khác biệt giữa khí bị ion hóa hoàn toàn và khí bị ion hóa một phần (yếu)

Để plasma tồn tại, quá trình ion hóa là cần thiết. Thuật ngữ 'mật độ plasma' thường chỉ 'mật độ electron', tức là số lượng electron tự do trong một đơn vị thể tích. Mức độ ion hóa của plasma là tỷ lệ các nguyên tử mất hoặc nhận electron, được điều khiển bởi nhiệt độ electron và ion cùng với tần số va chạm electron-ion so với electron-trung hòa. Mức độ ion hóa, $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$, được định nghĩa là , với $$

Trong plasma, tần số va chạm electron-ion ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{ei}$ lớn hơn nhiều so với tần số va chạm electron-trung hòa ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{en}$. Do đó, với mức độ ion hóa yếu $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$, tần số va chạm electron-ion có thể bằng tần số va chạm electron-trung hòa: ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{ei}={\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{en}$ là giới hạn ngăn cách plasma khỏi bị ion hóa một phần hoặc toàn bộ.

• Thuật ngữ khí bị ion hóa hoàn toàn do Lyman Spitzer đưa ra không có nghĩa là mức độ ion hóa là nhất quán, mà chỉ đơn giản là plasma đang trong chế độ ảnh hưởng nhiều bởi va chạm Coulomb, nghĩa là khi ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{ei}>{\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{en}$, có thể tương đương với mức độ ion hóa thấp đến 0,01%.
• Khí bị ion hóa một phần hoặc yếu có nghĩa là plasma không bị chi phối bởi va chạm Coulomb, tức là khi .

Hầu hết các plasma 'công nghệ' (được thiết kế) là khí ion hóa yếu.

Plasma nóng và plasma lạnh

Dựa vào nhiệt độ tương đối của electron, ion và chất trung hòa, plasma được phân loại thành 'nóng' và 'không nóng' (hay còn gọi là 'plasma lạnh').

• Plasma nóng là plasma mà electron và các hạt nặng đều ở cùng nhiệt độ, tức là chúng đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt với nhau.
• Ngược lại, plasma không nóng là plasma mà các ion và các nguyên tử trung hòa ở nhiệt độ thấp (thường là nhiệt độ phòng), trong khi các electron nóng hơn rất nhiều ($T_e\gg <!--\; \gg \; -->T_n$). Một dạng plasma không nóng phổ biến là khí thủy ngân trong bóng đèn huỳnh quang, nơi 'khí electron' có thể đạt nhiệt độ 10.000 Kelvin trong khi phần còn lại của khí chỉ cao hơn nhiệt độ phòng, vì vậy người ta có thể sờ tay vào bóng đèn khi đang hoạt động.

Một trường hợp đặc biệt và hiếm hoi của plasma không nóng là 'nghịch đảo', là plasma có nhiệt độ rất cao do máy Z tạo ra, với các ion nóng hơn rất nhiều so với electron.

Điện thế trong plasma

Bởi vì plasma là chất dẫn điện tốt, điện thế đóng một vai trò quan trọng. Điện thế trung bình trong không gian giữa các hạt mang điện, không phụ thuộc vào cách nó được đo, gọi là 'thế plasma' hoặc 'thế không gian'. Nếu một điện cực được đưa vào plasma, điện thế của nó thường nhỏ hơn nhiều so với điện thế plasma do vùng vỏ bọc Debye. Tính dẫn điện tốt của plasma làm cho điện trường của nó rất nhỏ. Điều này dẫn đến khái niệm quan trọng về 'độ chuẩn', tức là mật độ điện tích âm xấp xỉ bằng mật độ điện tích dương trên một thể tích lớn của plasma ($n_e=⟨<!--\; ⟨\; -->Z⟩<!--\; ⟩\; -->n_i$), nhưng trên quy mô của độ dài Debye có thể có sự mất cân bằng điện tích. Trong trường hợp đặc biệt mà các lớp kép hình thành, sự phân tách điện tích có thể kéo dài vài chục độ dài Debye.    

Để xác định độ lớn của điện thế và điện trường, cần sử dụng các phương pháp khác ngoài việc tính toán mật độ điện tích thuần. Một ví dụ phổ biến là giả sử rằng các electron thỏa mãn quan hệ Boltzmann:

$n_e\propto <!--\; \propto \; -->e^{e\mathrm{\Phi <!--\; \Phi \; -->}/k_B{T}_e}.$

Việc áp dụng mối quan hệ này cung cấp một công cụ để tính toán điện trường từ mật độ điện tích:

Hoàn toàn có thể tạo ra một plasma không phải là chất trung tính. Ví dụ, một chùm điện tử chỉ có các điện tích âm. Mật độ của plasma không trung tính thường rất thấp, hoặc nó phải rất nhỏ, nếu không, nó sẽ bị tiêu tán bởi lực đẩy tĩnh điện.

Trong các plasma vật lý thiên văn, sàng lọc Debye ngăn không cho điện trường ảnh hưởng trực tiếp đến plasma trong khoảng cách lớn, tức là lớn hơn chiều dài Debye. Tuy nhiên, sự tồn tại của các hạt mang điện khiến plasma tạo ra và bị ảnh hưởng bởi từ trường. Điều này có thể và thực sự gây ra các hành vi cực kỳ phức tạp, chẳng hạn như tạo ra các lớp kép plasma, một vật thể phân tách điện tích trên vài chục độ dài Debye. Tính động của plasma tương tác với bên ngoài và tự tạo ra từ trường được nghiên cứu trong các ngành học của từ thủy động lực học.

Từ hóa

Plasma có từ trường đủ mạnh để ảnh hưởng đến chuyển động của các hạt mang điện được cho là bị nhiễm từ. Một tiêu chí định lượng phổ biến là trung bình một hạt hoàn thành ít nhất một chuyển động quay quanh từ trường trước khi tạo ra va chạm, tức là ${\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}}_{ce}/v_{coll}>1$, với ${\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}}_{ce}$ là 'tần số quay vòng điện tử' và $v_{coll}$ là 'tốc độ va chạm của electron'. Thường xảy ra trường hợp các electron bị nhiễm từ trong khi các ion thì không. Các plasmas bị nhiễm từ là dị hướng, có nghĩa là các đặc tính của chúng theo phương song song với từ trường khác với phương vuông góc với nó. Trong khi điện trường trong plasmas thường nhỏ do độ dẫn điện cao, thì điện trường liên kết với plasma chuyển động trong từ trường được cho bởi $E=-<!--\; -\; -->v\times <!--\; \times \; -->B$ (Ở đâu $E$ là điện trường, $v$ là vận tốc, và $B$ là từ trường), và không bị ảnh hưởng bởi tấm chắn Debye.

So sánh trạng thái plasma và khí

Plasma thường được xem như trạng thái vật chất thứ tư sau rắn, lỏng và khí, mặc dù nó thường tồn tại dưới dạng khí bị ion hóa. Plasma khác biệt với các trạng thái này và các trạng thái năng lượng thấp hơn của vật chất theo nhiều cách khác nhau.

Plasma trong nghiên cứu vũ trụ và thiên văn học

Hiện nay, plasma là pha phổ biến nhất của vật chất thông thường trong vũ trụ, về cả khối lượng và thể tích.

Phía trên bề mặt Trái Đất, tầng điện ly là plasma và từ đó sinh ra plasma. Bên trong Mặt trời của chúng ta, không gian giữa các hành tinh chứa plasma nhiều được thúc đẩy ra bởi gió Mặt trời, kéo dài từ bề mặt Mặt trời ra ngoài nhật quyển. Hơn nữa, tất cả các ngôi sao xa xôi và phần lớn không gian giữa các ngôi sao hoặc thiên hà đều có thể chứa plasma, dù mật độ rất thấp. Plasma vật lý thiên văn cũng được quan sát thấy trong đĩa sao nảy xung quanh các ngôi sao hoặc các vật thể nhỏ như sao lùn trắng, sao neutron hoặc lỗ đen trong các hệ sao đôi gần. Plasma liên quan đến việc phóng vật chất trong máy bay phản lực vật lý thiên văn, đã được quan sát với các lỗ đen hấp thụ hoặc trong các thiên hà đang hoạt động như thiên hà Messier M87, có thể kéo dài đến 5.000 năm ánh sáng.

Đặc điểm phức tạp của plasma

Mặc dù các phương trình cơ bản của plasma tương đối đơn giản, hành vi của plasma rất đa dạng và phức tạp: xuất hiện các hành vi bất ngờ từ các mô hình đơn giản là đặc điểm chung của các hệ thống phức tạp. Các hệ thống như vậy nằm ở ranh giới giữa hành vi có thứ tự và không có thứ tự và thường không thể được mô tả bằng các hàm toán học đơn giản, mượt mà, hoặc bằng ngẫu nhiên hoàn toàn. Sự hình thành tự phát của các đặc điểm không gian thú vị trên nhiều quy mô chiều dài là một biểu hiện rõ ràng của sự phức tạp trong plasma. Ví dụ như các đối tượng địa lý rất phức tạp về mặt không gian (khoảng cách giữa chúng lớn hơn nhiều so với kích thước của chúng) hoặc có hình dạng fractal. Nhiều đặc điểm này đã được nghiên cứu ban đầu trong phòng thí nghiệm và sau đó được quan sát trên khắp vũ trụ. Ví dụ về sự phức tạp và cấu trúc phức tạp trong plasma bao gồm:

Dải hay sợi plasma

Các dải hoặc cấu trúc dạng chuỗi, còn được gọi là dòng Birkeland, thường được quan sát trong nhiều plasma như quả cầu plasma, cực quang, tia chớp, vòng cung điện, pháo sáng mặt trời và tàn tích siêu tân tinh. Đôi khi chúng kết hợp với mật độ dòng điện lớn hơn và tương tác với từ trường có thể tạo thành cấu trúc dây từ tính. Các sự kiện vi sóng công suất cao ở áp suất khí quyển cũng góp phần tạo thành các cấu trúc sợi.

Sợi hóa cũng ám chỉ sự tập trung tự nhiên của một xung laser công suất cao. Ở công suất cao, sự phi tuyến của chỉ số khúc xạ trở nên quan trọng và gây ra chỉ số khúc xạ cao hơn ở trung tâm của chùm tia laser, trong khi các cạnh trở nên sáng hơn, dẫn đến phản hồi làm tia laser tập trung hơn. Tia laser hội tụ chặt hơn với độ sáng đỉnh cao hơn (bức xạ), tạo thành plasma. Plasma có chỉ số khúc xạ thấp hơn một, làm mờ chùm tia laser. Sự tương tác giữa sự hội tụ chỉ số khúc xạ và plasma làm giảm tập trung, tạo nên sợi plasma dài có thể kéo dài từ micromet đến kilômét. Một khía cạnh thú vị của plasma là mật độ ion tương đối thấp do hiệu ứng giảm tập trung của các điện tử ion hóa.

Plasma không trung tính

Cường độ và phạm vi của lực điện và độ dẫn điện tốt của plasmas thường đảm bảo rằng mật độ điện tích dương và điện tích âm trong bất kỳ vùng lớn nào đều bằng nhau ('quasineutrality'). Một plasma có mật độ điện tích vượt quá đáng kể, hoặc, trong các trường hợp cực đoan, bao gồm một loài duy nhất, được gọi là plasma không trung tính. Trong plasma như vậy, điện trường đóng một vai trò quan trọng. Ví dụ như chùm hạt tích điện, đám mây điện tử trong bẫy Penning và plasmas positron.

Plasma bụi / plasma hạt

Plasma bụi chứa các hạt bụi tích điện cực nhỏ (thường được tìm thấy trong không gian). Các hạt bụi thu được điện tích cao và tương tác với nhau. Plasma chứa các hạt lớn hơn được gọi là plasma hạt. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, plasmas dạng bụi còn được gọi là plasmas phức tạp.

Plasma không thấm

Plasma không thấm là một dạng plasma nhiệt hoạt động giống như chất rắn không thấm so với khí hoặc plasma lạnh và có thể được đẩy vật lý. Sự tương tác giữa khí lạnh và plasma nhiệt đã được nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Hannes Alfvén nghiên cứu ngắn gọn trong những năm 1960 và 1970 vì những ứng dụng khả thi của nó trong việc cách nhiệt plasma nhiệt hạch khỏi các lò phản ứng. Tuy nhiên, sau đó người ta đã phát hiện ra rằng từ trường bên ngoài trong cấu hình này có thể tạo ra sự bất ổn định trong plasma và sau đó dẫn đến mất nhiệt cao đột ngột ở các bức tường. Vào năm 2013, một nhóm các nhà khoa học vật liệu đã báo cáo rằng họ đã tạo thành plasma không thấm ổn định không bị giữ lại từ tính chỉ sử dụng một lớp bọc bằng khí lạnh siêu cao áp. Mặc dù dữ liệu quang phổ về các đặc tính của plasma được cho là khó thu được do áp suất cao, tác động thụ động của plasma đối với việc tổng hợp các cấu trúc nano đã gợi ý rõ ràng về sự hạn chế hiệu quả. Họ cũng chỉ ra rằng khi duy trì tính không thấm trong vài chục giây, việc lọc các ion tại mặt phân cách plasma-khí có thể dẫn đến phản ứng gia nhiệt mạnh thứ cấp (được gọi là đun nóng nhớt) dẫn đến động học khác nhau của các phản ứng và hình thành phức vật liệu nano.

Các loại

Plasma nguội

Nếu sự ion hóa xảy ra do nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài, chẳng hạn như từ bức xạ điện từ, thì plasma được gọi là plasma nguội. Ví dụ, trong hiện tượng phóng điện trong chất khí, các electron được bắn từ cation ra làm ion hóa một số phân tử trung hòa. Các electron mới tách ra và di chuyển nhanh trong điện trường, tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác. Do hiện tượng này lan truyền, nhiều phân tử trong chất khí bị ion hóa và chất khí chuyển sang trạng thái plasma. Trong thành phần cấu trúc của loại plasma này bao gồm các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa.

Plasma nóng

Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt độ cao thì plasma được gọi là plasma nóng. Khi nhiệt độ tăng cao, các electron sẽ bị tách ra khỏi nguyên tử, và nếu nhiệt độ đủ lớn, toàn bộ các nguyên tử đều bị ion hóa. Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử sẽ bị ion hóa hết, chỉ còn lại các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân.