Plasma 기초 2. 플라즈마의 빛(excitation과 relaxation)

우리가 익히 알고 있는 플라즈마들은 다 색상이 있다. 약간 푸른 계열을 띄는 Ar부터 북극의 오로라까지, 대부분 우리가 인식하는 플라즈마는 어딘가 오묘하면서도 신비스러운 빛을 내뿜고 있다. 그러나 잘 생각해보면 우주도 대부분 다 플라즈마로 이루어져 있다. 광활하고 넓은 우주에 플라 행성은 몇 개 안되고 대부분은 빈 공간(육안상)이며 그 빈 공간을 플라즈마가 가득 채우고 있는 것이다.

 

그러나 우주는 어둡다. 그렇다면 플라즈마가 아니라는 것일까? 이것을 알려면 우선 원자의 충돌에 대해 이해할 필요가 있다. 남자분들이라면 조금 이해가 쉬울듯한데 당구를 예시로 들면 좋을듯하다. 작은 공으로 큰 공을 쳤을 때 일반적인 상황이라면 충돌하면서 생기는 마찰과 소리, 등등으로 에너지가 온전히 전달되지 못한다. 이런 경우를 우리는 비탄성 충돌이라고 한다. 그러나 이와 반대 개념으로 우리가 보낸 에너지가 그대로 다음 공에 전달되는 경우를 탄성충돌이라 한다.

좀 더 충돌하기 전과 충돌한 후의 운동에너지의 총합이 달라지지 않는 경우를 의미한다. 하지만 이런 것은 그저 우리가 계산을 편하게 하거나 이해를 돕기 위한 개념으로 실제로 모든 물체는 비탄성 충돌을 한다. 이제 설명할 전자의 충돌도 같다. 전자의 충돌로 인해 발생하는 상태를 나누어보면 다음과 같다.

 

1.Excitation-여기

원자는 각각 고유의 전자를 두는 공간이 정해져 있다. 이때 에너지를 받은 전자가 와서 충돌한다면 낮은 단계의 전자 단계(state)에서 더 높은 에너지를 가지는 단계로 올라간다. (전자가 분리되는 것이 아닌 궤도가 더 높은 에너지를 가지는 상태로 올라가는 것)

그러나 자연계는 항상 더 안정된 에너지를 원하고 이는 다음 상태를 만들어낸다.

 

2.relaxation-이완

높은 에너지는 불안정하기 때문에 전자는 다시 원래의 궤도로 돌아오려 하고 이때 높은 에너지를 방출하며 원래의 궤도로 돌아온다.

이때 우리가 그렇게 알려고 했던 플라즈마의 색상에 관한 비밀을 알 수 있다. 바로 나오는 에너지(원소마다 각각 다른 에너지를 내보낸다) 파장대별로 인간이 구별할 수 있는 색상의 영역인 가시광선이 나온다면 그것은 우리가 인식할 수 있는 색상이 되는 것이다. 즉 에너지의 높낮이로 색상이 나타나거나 나타나지 않음을 결정하는 거지 순수하게 플라즈마는 무조건 색상을 가지고 있다고는 할 수 없다. 

 

여기서 이상한 건 앞선 글에서는 플라즈마는 기존의 안정된 원자에서 전자를 잃어버리고 그게 디바이 차폐를 만족하는것이라고 했는데 여기서는 왜 전자가 분리되지 않는가. 를 물어보실수도 있다. 사실 플라즈마에 대한 명확한 상태는 지금 설명한것이 맞다. 그러나 플라즈마는 매우 복잡하고 다양한 충돌을 포함하고 있으며 그 안에서는 excitation과 relaxation도 있음이다. 빛에 대한 설명을 위해 넣은것이지 실제 플라즈마는 충돌 시 원자를 이온화하며 만들어지는 것이다.

 

오늘은 플라즈마가 어떻게 색상을 가지는지 그 색상의 실체에 대해 설명했다. 진짜 이온화와 그것을 만족하는 디바이 차폐는 다음 시간으로..

 

질문은 언제나 환영입니다.

 

plasma 기초 3. 이온화(ionization)와 디바이 차폐(Debye shielding)