플라즈마, 그 안에서는 무슨 일들이 일어날까?

 

1. 플라즈마 내에서 기체의 충돌

   좀 지루하고 이론적인 내용이 될지도 모르겠지만, 이온화에 대해서 조금만 더 이야기 해 보자. 플라즈마 내에서의 이온화는 전자의 가속으로 인한 충돌의 영향이지만, 그 안에서는 단순한 이온화 라고 말하는 현상 외에도 많은 현상들이 동시 다발적으로 발생한다. 이것은 전자의 가속상태나 충돌에너지가 항상 일정한 것은 아니기 때문이다. 또한 플라즈마 내에 이온화된 기체원자와 전자만 존재하는 것이 아니라 중성원자나 광자(photon) 등의 여러 입자가 혼재되어 있는 이유도 있다. 하지만, 다른 입자들의 영향을 모두 고려한다는 것은 현실적으로 매우 어려운 일이기 때문에 일단 전자의 영향만을 생각하자. 플라즈마 내에서 전자와 기체원자 간의 충돌을 크게 나누면 탄성충돌(elastic collision)과 비탄성충돌(inelastic collision)로 나눌 수 있고, 비탄성충돌은 다시 원자의 이온화(ionization), 그리고 전자의 여기(excitation)로 구분하여 볼 수 있다.     

1.1. 탄성충돌

   탄성충돌이란 의미를 물리학적으로 정의를 살펴보면, 한마디로 '두 물체가 충돌할 때 에너지 손실이 전혀 일어나지 않는 충돌' 이라고 할 수 있다. 이것을 플라즈마에 적용을 한다면, 가속된 전자가 기체원자와 충돌을 하지만 서로 간에 운동에너지의 교환만 이루어 질 뿐 전체적인 에너지의 손실은 없다는 뜻이다. 이것은 전자의 가속력이 낮고 기체원자로 전달 할 수 있는 에너지가 매우 적기 때문인데, 이때 전자는 기체원자와 충돌 한 후 단순히 방향전환만 이루어 지게 된다.  

 

 

입자들의 방향만 전환되는 탄성충돌

1.2. 비탄성충돌

   전자가 충분한 가속력을 얻어 기체원자와 비탄성충돌을 하게 되는 경우에는 전체적인 에너지의 변화가 나타난다. 즉, 전자와 기체원자의 총 운동에너지가 감소하게 된다. 기체원자는 충돌로 인한 에너지를 전달 받아서 전자를 여기 시킬 수 있으며, 여기된 전자는 다시 본 궤도로 돌아오면서 빛을 방출하게 된다. 그리고 전자의 여기에 필요한 에너지보다 더 높은 에너지가 가해지면 기체원자에서 전자가 분리되면서 이온화 시킬 수도 있다. 여기와 이온화 과정은 단순히 하나의 과정만으로 일어나진 않기 때문에 몇 가지 예를 들어 살펴보도록 하자.

 

1.2.1. 이온화(Ionization)

   방전을 일으키고 유지하는데 가장 중요한 과정으로, 기체원자 전자와 충돌하여 양이온과 전자로 분리되는 과정이다. 가장 많이 사용하는 방전가스인 아르곤(Ar)을 예로 들면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

e^- + Ar → Ar ⁺ + 2e^-

 

 

전자와 중성원자의 충돌에 의한 이온화

 

   하나의 전자가 하나의 아르곤 원자와 충돌하여 이온화를 시키면, 전자가 2개가 되어 전자가 증식된다. 이렇게 생성된 2개의 전자가 각각 또 다른 아르곤 원자와 충돌하여 이온화가 되면 전자는 4개가 된다. 결국 이와 같은 이온화 과정이 반복될수록 전자의 개수는 급격히 증폭되며 방전을 유지시킬 수가 있다. 이온화 반응에는 전자와 원자의 충돌이 아닌 원자끼리의 충돌로 이루어지는 경우도 있으나, 대부분 전자와 중성원자와의 충돌에서 발생한다. 

Ar + Ar → Ar + Ar ⁺ + e ^-
Ar + Ar → Ar ⁺ + Ar ⁺ + 2e-

 

 

1.2.2. 여기(Excitation)
   전자가 기체원자와 충돌, 또는 기체원자끼리 충돌할 때, 이때의 에너지가 기체원자를 이온화 시키기엔 부족하지만 내부의 전자를 더 높은 에너지를 가진 궤도로 이동시키기엔 충분할 수 있다. 이렇게 전자가 본래 궤도에서 바깥쪽 궤도로 이동하는 것을 여기라고 한다. (여기된 상태의 원자를 *로 표기)

e ^- + Ar → Ar* + e ^-

 

 

 

1.2.3. 이완(Relaxation)

   여기된 전자가 본래 있어야 할 궤도 보다 높은 곳에 있기 때문에 에너지가 높고 불안정 하다. 그래서 안정화 되기위해 다시 본래 궤도로 내려오게 되는데, 이때 그 만큼의 에너지인 E=hν 를 외부로 방출한다. 여기서 h 는 플랑크 상수(6.626×10^-34 J·sec)이고 ν 은 진동수를 말한다. 그리고 이완시에 방출되는 에너지가 가시광선의 파장일 때 우리는 '빛'으로 인식하게 되며, 방전 플라즈마에서 관찰되는 빛은 대부분 이 과정에서 발생한다. 

Ar* → Ar + hν

 

 

 

1.2.4. 분리(Dissociation)
   화학에서는 '해리'라고도 한다. 만약 A와 B 라는 원자가 합쳐진 AB 라는 분자가 있다고 해보자. 분리는 전자가 AB 분자와 충돌하여 더 작은 단위의 분자로 만들거나, 원자로 만드는 과정을 말한다.

e ^- + AB → e ^- + A + B

분리과정에는 전자의 충돌이 아닌 외부에서 빛을 받아 분자가 원자로 분리되기도 하는 광분리 과정도 있다.

hν + AB → A + B

이와 반대되는 현상을 역분리(de-excitation) 또는 역해리 라고 하는데, 이때도 빛을 방출한다.  

A + B → hν + AB

 

분리 과정 중에는 이온화가 같이 섞여 발생할때가 있는데, 이것을 분리이온화(Dissociative Ionization)이라고 한다.

e ^- + AB → A + B ⁺ + 2e ^-

     

 

1.2.5. 전자 흡착(Electron Attachment)
    중성입자 혹은 분자에 전자가 충돌하면서 음이온을 생성시키기도 하는데, 이것이 전자 흡착 과정이다. 

e ^- + AB → AB ^- 
e ^- + A → A ^- + hν

 

 

1.2.6. 분리 흡착(Dissociative Attachment)
   플라즈마 내에서 화학 과정은 한가지만 일어나지 않는다. 분리 과정이 진행 되는 중에 전자흡착 과정이 같이 발생하기도 한다.   

e ^- + A₂ → A ⁺ + A ^- + e ^-  

 

 

   
1.2.7. 재결합(Recombination) 및 이온 재결합(Ion Recombination)
    전자와 이온이 만나면 에너지(빛) 방출과 함께 재결합이 나타나 중성원자가 되며, 에너지 방출없이는 일어나지 않는다. 그러나 생각보다는 매우 드물게 나타나는 현상이다. 또한 서로 다른 전하를 가진 두 개의 이온이 충돌하여 분자가 되기도 하는데, 여기서도 결합 후 남는 여분의 에너지는 빛으로 방출되고 이것을 이온 재결합이라고 한다.  플라즈마에서 전자와 이온의 결합은 플라즈마 중심부 보다는 플라즈마와 접해있는 챔버 벽쪽에서 주로 나타난다.  

 

e^- + A ⁺ → A + hν
A ⁺ + B ^- → AB + hν

 

1.2.8. 전하이동(Charge Transfer)
   만약 A 라는 기체원자 하나와 A 이온 하나가 충돌했다고 해보자. 이때 서로의 전하만 교환하는 경우가 있다. 이것을 대칭 전하이동(Symmetric Charge Transfer)이라고 한다. 

A + A ⁺ → A ⁺ + A 

같은 A 원자끼리가 아닌 서로 다른 A와 B의 원자끼리도 이런 반응이 일어나게 된다. 이렇게 다른 원자끼리 전하량이 교환되면 비대칭 전하이동(Asymmetric charge transfer)이 된다.

A + B ⁺  → A ⁺ + B 

 

이 외에도 플라즈마내 비탄성충돌의 반응에는 매우 다양하고 복합적인 반응들이 일어나고 있다. 이 많은 반응들을 하나하나 분리시켜 어떤 반응이 몇 번 일어나고, 또 어떤 반응은 일어나지 않았다는 것을 구분하여 찾아내기란 어렵다. 그러므로 플라즈마 내에서는 이러한 다양한 반응들이 발생하고 있다는 정도로 알아두면 좋을것이다. 그러나, 플라즈마를 발생시키고 유지하는데 가장 핵심적인 반응인 이온화, 여기-이완 과정에 대해서는 기억하고 있도록 하자.

 


...by 개날연..

정말 오늘 글은 감동도 없고 재미도 없고.. 먼 교과서냐.. -_ -;; 
내용 자체가 그러니 저도 어쩔수가 없..;ㅁ;