저번 Relaxation과 Excitation을 통한 플라즈마의 색 발현에 대해 이야기해봤습니다. 그런데 중요한것은 앞선 Excitation 상태는 플라즈마 상태가 아닙니다. 단순히 에너지를 받아 전자가 원자내에서 더 높은 state로 올라가 있는것이지 전자가 구속을 벗어내고 자유전자가 되어 원자가 기존보다 +를 띄는 이온화가 되는게 아닙니다. 이온화는 excitation 보다는 더 강력한 에너지의 충돌이 필요하지요.
이렇게 보시면 좀 더 편할듯 합니다. 이온화란것은 전자가 원자의 핵 구속을 벗어나는것을 의미합니다. 이온화 된 원자를 보통은 Radical이라고도 부릅니다. 이 때 전자가 하나가와서 부딪히지만 나갈때는 두 개 입니다. 즉 에너지를 가진 전자가 1,2,4,8 등으로 기하급수적으로 커지게 됨을 의미합니다. 플라즈마를 켜보신분은 아시겠지만 점차 밝아지면서 플라즈마가 켜지는게 아니라 순간적으로 불이 딱 들어옵니다. 기하급수적인 에너지 충돌로 순식간에 플라즈마를 형성하는것이지요.
그렇다면 여기까지 이제 떠다니는 기체에 전자를 충돌시켜 이온화까지는 시켰습니다. 그러면 우리가 일명 준중성(Quasi-neutral)이라 부르는 플라즈마는 정확히 어떤 상태일까요? 플라즈마가 준중성이라함은 전체적으로는 중성이지만(전자와 원자의 갯수가 같다=전하의 갯수가 같다) 국부적으로는 전하를 띄고있을수 있다. 그래서 준중성이라 불리는것이다.
그래도 플라즈마가 전체적으로 중성을 보이는건 바로 이 디바이 차폐(Debye shielding)의 특성을 가지고 있는것인데 우리가 배웠던 전자공학에서 전자기유도와 비슷한 느낌이다. 전자 밀도가 높으면 구의 크기가 작아지고 전자밀도가 낮으면 반대로 구의 크기는 커진다. 아래는 단순히 개념적인 느낌으로 그려보았다.
이때 위에서 설명한 전자 밀도외에도 에너지가 높은 계라면 전자의 이동속도가 빨라 더 긴 debye length를 가질 수 있습니다. 단순히 이온화 된 기체를 넘어서 이 디바이 차폐를 만족해야만 진정한 플라즈마라고 부를 수 있는것이지요.
개념적으로만 이해하셔도 충분할 내용인듯 합니다
질문은 언제나 환영입니다.
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