Plasma - Trạng thái vật chất đặc biệt

• Ở các chương trình vật lý, hóa học Trung học cơ sở, các bạn đã biết tới 3 loại trạng thái vật chất cơ bản là thể rắn, thể lỏng và thể khí. Lên THPT, các bạn lại được biết thêm trạng thái vật chất thứ 4, đó là plasma. Vậy trạng thái vật chất này có gì đặc biệt hơn so với 3 trạng thái còn lại?

Chắc các bạn còn nhớ, cả 3 trạng thái rắn, lỏng và khí giống nhau là đều cấu tạo từ các hạt nguyên tử, nguyên tử thì có một hạt nhân gồm các proton và neutron ở giữa, bao quanh là đám mây điện tích âm có các electron. Rắn, lỏng, và khí chỉ có các liên kết phân tử khác nhau và thể hiện các đặc tính khác nhau. Chất rắn thì thường có trạng thái ổn định, giữ nguyên hình dạng, liên kết phân tử của chất rắn thường bền vững, các phân tử hay nguyên tử nằm sát nhau. Chúng có vị trí trung bình tương đối cố định trong không gian so với nhau, tạo nên tính chất giữ nguyên hình dáng của vật rắn. Ví dụ như đá băng, là nước ở thể rắn, do nhiệt độ thấp nên các phân tử nước lên kết chặt chẽ với nhau hơn và dần trở về trạng thái ổn định thành đá băng.

liên kết phân tử của chất rắn

Chất lỏng thì có các liên kết không chặt chẽ so với liên kết của chất rắn, do đó hình dạng của chất lỏng không cố định như chất rắn. Ví dụ như nước, một viên đá băng tan ra thành nước, tức là nhiệt độ đã kích thích năng lượng vào các nguyên tử Oxi, hidro trong liên kết hóa học của nước, các electron nhận được mức năng lượng cao hơn và bắt đầu dữ dội hơn. Chính điều này làm liên kết phân tử của nước không còn bền như ở thể rắn, và nó tan ra thành nước.

Không giống như chất lỏng, chất khí thì lại phân bố đồng đều trong vật chứa. Chất khí không có liên kết phân tử như chất lỏng hay chất rắn, nó chỉ là tập hợp các hạt nguyên tử hay phân tử chuyển động tự do trong không gian. Ví dụ như nước khi đun sôi ở nhiệt độ quá cao, nó sẽ bốc hơi, và hơi nước từ thể lỏng chuyển sang thể khí.

Và thể Plasma? Để vật chất đạt tới trạng thái plasma thì ta lại cần nhiệt độ lớn hơn rất nhiều, đủ để kích thích năng lượng cho các electron nhảy vọt ra khỏi nguyên tử. Nguyên tử có số electron và proton bằng nhau thì trung hòa điện tích, như khi nguyên tử mất electron thì khi đó nó sẽ bị ion hóa. Điều đặc biệt của trạng thái plasma so với 3 trạng thái vật chất còn lại đó chính là sự ion hóa mạnh ở nhiệt độ vô cùng lớn. Plasma có hai cách thức tồn tại:
Plasma nguội: là khi sự ion hóa xảy ra bởi việc nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài, như từ các bức xạ điện từ. Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác. Do hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số đông các phân tử trong chất khí bị ion hóa, và chất khí chuyển sang trạng thái plasma. Trong thành phần cấu tạo loại plasma này có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa..
Plasma nóng: là khi sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt độ cao. Khi nhiệt độ tăng dần, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử, và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị ion hóa. Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân.
Xung quanh chúng ta, ở trên Trái Đất này rất hiếm trường hợp vật chất ở trạng thái plasma xuất hiện, tuy nhiên trong vũ trụ nó lại chiếm phần lớn, chúng tồn tại hầu hết ở các ngôi sao như Mặt Trời. Mỗi một ngôi sao phát sáng đều là một quả cầu plasma rực rỡ. Sự hình thành của ngôi sao bắt đầu từ các đám mây tinh vân với thành phần chủ yếu là các nguyên tố hydro. Trọng lực kéo và ép chúng lại thành một khối cầu, khi lõi đủ đặc thì nguyên tố hydro bắt đầu xảy ra quá trình tổng hợp hạt nhân. Và dĩ nhiên là hydro lúc này sẽ chuyển thành trạng thái vật chất thứ tư là plasma. Trọng lực gây áp suất lớn khiến cấu tạo đơn giản của nguyên tử hydro dễ dàng bị ion hóa, và toàn bộ khối lượng ngôi sao trở thành một quả cầu plasma nóng sáng, tỏa nhiệt. 

Còn hành tinh Trái Đất chúng ta vốn dĩ là một khối cầu tập hợp từ những thiên thạch, băng đá nên việc vật chất rắn, lỏng, khí xuất hiện rộng rãi trên hành tinh là điều tất nhiên. Nhưng thỉnh thoảng chúng ta vẫn bắt gặp một số hiện tượng plasma của tự nhiên hoặc trong phòng thí nghiệm.

Ví dụ như tia sét, sự phóng điện của sét chính là sự di chuyển của các dòng ion giữa các đám mây trái dấu điện tích, hoặc giữa các đám mây với mặt đất.

Trong phòng thí nghiệm người ta cũng có thể tạo ra trạng thái plasma, chẳng hạn như hiện tượng hồ quang điện. Người ta tạo ra quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn. Trên thực tế nó là một dạng plasma tạo ra qua sự trao đổi điện tích liên tục. Dòng điện chạy qua khí giữa 2 cực chủ yếu là dòng electron (và cả ion âm) đi từ cathode đến anode nhưng cũng có một phần là dòng ion dương đi theo chiều ngược lại. Các ion âm và electron tới va chạm vào anot, làm anot nóng lên, nhiệt độ có thể lên đến 3500 độ C. Do đó, anot phát sáng mạnh; tại hầu hết vật liệu bị nóng chảy và thậm chí bay hơi, nên anot bị lõm vào, làm cho mạch điện bị nối tắt. Còn các ion dương khi tới đập vào catot thì cũng làm cho catot duy trì được trạng thái nóng đỏ ban đầu và phat ra các electron (phát xạ nhiệt e). Chất khí giữa 2 cực ở nhiệt độ cao nên bị ion hoá và dẫn điện tốt, nhờ đó mà điện trở của khí trong hồ quang điện rất nhỏ.

Điều này cũng được ứng dụng trong kĩ thuật công nghệ hàn điện, lợi dụng nhiệt độ cao giữa hai cực, người ta gắn mộ cực là tấm kim loại cần hàn, còn lại que hàn, sự nóng chảy của que hàn sẽ lấp chỗ cần hàn lên tấm kim loại.

Ngoài ra nó còn ứng dụng trong nguyên lý chế tạo đèn điện huỳnh quang. Cũng lợi dụng sự phóng điện giữa hai cực, người ta tráng một lớp bột lên thành ống của đèn huỳnh quang, khi tia tử ngoại bức xạ từ dòng ion hóa giữa hai cực tác dụng với bột huỳnh quang làm đèn phát sáng. Tia tử ngoại vốn mang năng lượng cao nên lượng ánh sáng cần đủ do lớp bột huỳnh quang phát ra không cần lượng điện năng lớn, do đó đèn huỳnh quang được sử dụng rất rộng rãi nhờ sự tiết kiệm điện tối ưu.

Ngày nay người ta còn đang nghiên cứu thêm về động cơ ion trong ngành công nghệ khoa học vũ trụ, ứng dụng cho việc chế tạo tàu du hành vũ trụ, mở thêm những chân trời mới cho nhân loại.

                                                        Viết bởi Hoàng Bờm