플라즈마는 1879년 영국의 화학자 윌리엄 크룩스라는 사람에 의해 방전관에서 처음으로 확인 되었습니다.이것이 최초의 플라즈마의 발견이었으며 당시 그는 이것을 발광물질이라고 칭했습니다. 플라즈마는 물리학이나 화학분야 에서는 고체,액체,기체의 다음 단계인 이온화된 기체의 상태를 의미합니다. 지구를 벗어난 우주는 대부분 이온화 되어 있는 플라즈마 상태로 되어 있습니다. 우주에 존재하는 모든 물질의 99%가 플라즈마로 이루어져 있다고 할 수 있습니다. 하지만 모든 이온화된 기체를 플라즈마라고 하진 않습니다.
플라즈마란?
플라즈마를 생성해 내기 위한 필요 조건 3가지는 다음과 같습니다. 기체, 충분한 에너지,집단적인 움직임.기체 상태에 충분한 에너지를 가하게 되면 기체 분자를 이루고 있던 원자들의 연결고리가 끊어지고 분리되고, 그리고 원자 그 자체도 쪼개 지게 됩니다. 그렇게 양전하를 띈 원자핵과 음전하를 띈 전자 그리고 중성자가 이온화 되어 남아있게 되는데 이것을 플라즈마 상태라고 합니다.
또한 플라즈마가 되기 위한 조건 중에 첫번째로 집단적인 움직임이 있는데 플라즈마에 전자기장을 걸어줄 경우 아니면 걸지 않는 경우에도 플라즈마 내부 입자들의 움직임에 의해 국소적인(전체에서 일부분) 부분에서 전자기장이 발생하게 됩니다. 플라즈마가 되기 위한 두 번째 조건으로는 준중성 상태가 있습니다. 이는 플라즈마가 생성되면 원자핵과 전자로 분리되고 양전하와 음전하 수가 비슷해 중성 상태를 띤 다는 것을 알 수 있습니다. 한마디로 전체적으로 양전하와 음전하 수가 비슷해져 중성 상태를 띈다는 것입니다.
플라즈마가 되기 위한 마지막 조건은 플라즈마가 가진 고유한 진동입니다. 아직 이온화 되지 않은 중성 입자들이 충돌하는 현상보다 이 진동이 두드러지게 나타나야 플라즈마라고 할 수 있습니다. 풀어서 설명하자면 기체가 에너지를 받아 원자핵과 전자핵으로 분리 되고, 그 양이 충분히 많아지면 고유한 진동 현상이 나타납니다. 하지만 분리되지 않는다면 일반 기체와 크게 다를 바가 없다는 것입니다.
플라즈마의 특징
위 조건을 만족하게 된 플라즈마는 전자기적인 특징을 지닐 수 밖에 없습니다. 그 증거로 플라즈마는 마치 금속처럼 높은 전기전도도를 갖고 있습니다. 그래서 플라즈마 상태의 입자들은 전기장과 자기장에 반응하는 특성을 갖게 됩니다. 그래서 플라즈마 입자들은 전기장에 따라 움직이는 성질이 있습니다. 항상 집단으로 움직이는데 양전하가 모여 전기장이 세지면 곧바로 전자 집단이 끌려가게 되고 전체적으로 중성 상태가 됩니다. 플라즈마를 극성 입자들로 이뤄진 준중성의 기체로 보는 이유가 이런 “극성에 따라 끌려 다닌다는 점” 에 있습니다.
플라즈마에 자기장을 걸어주면 플라즈마 입자들이 자기장 방향을 따라 회전 운동을 하게 됩니다. 양전하를 띤 원자핵은 시계 방향으로 회전하며, 음전하를 띈 전자는 반시계방향으로 회전하게 되어 트위스트 모양의 띠를 형성하게 됩니다. 플라즈마를 가두고 싶었던 과학자들은 이러한 플라즈마의 성질을 이용하여 플라즈마를 토카막에 가두는 것에 성공 하였습니다. 플라즈마의 상태 입자들은 서로 상호 작용하는 과정에서 빛을 낼수도 있습니다. 에너지를 빛의 형태로 방출하기도 하고 양이온과 전자가 전기장에 의해 가속되거나 자기장 주위를 회전하면서 빛을 냅니다.
플라즈마의 특징중 하나인 파동현상은 신기한 특징 중 하나입니다. 플라즈마는 어떤 상황에서는 파동이 전파되는 것을 차단하거나 반사 시키는 특징이 있습니다. 실례로 지구 대기권의 전리층은 공기입자가 이온화 되어 있는 일종의 플라즈마 상태인데 전파 통신을 하는데 있어 전리층이 반사판 역할을 하여 전파가 더 멀리 뻗어져 나갈 수 있게 전리층에서 반사 시키는 역할을 합니다.
마지막으로 플라즈마는 특유의 화학적인 특성이 있습니다. 초고온 플라즈마 상태에서 이온 간에 핵융합 반응을 일으키는 것이 대표적입니다. 저온 플라즈마에서도 발생하는 화학반응이 있지만 이 글에선 다루지 않도록 하겠습니다. 플라즈마에 전기장을 걸어주면 가속되어 에너지가 높아집니다. 반면에 플라즈마에 자기장을 걸어주면 자기장 방향을 따라 회전 운동을 합니다.
플라즈마는 오로라?
플라즈마의 작품이 오로라는 말이 있습니다. 이것이 무슨 의미 인지 알아보도록 하겠습니다. 이론적으로 태양에서 뿜어져 나오는 열,빛,그리고 플라즈마가 지구 대기로 쏟아지게 됩니다. 이중에 플라즈마는 대기권에 부딪히면서 대기 입자와 충돌해 빛을 내게 되는데, 그 때 우리가 흔히 알고 있는 은은한 녹색빛의 오로라가 발현되게 됩니다.
지상에서 보면 녹색 구름 처럼 보이지만 실제로 고도 100km 이상의 대기권 밖에서 플라즈마 입자들과 공기입자들의 충돌로 인해 발생되는 과학적 현상 입니다. 지구에서 오로라를 잘 관측할 수 있는 곳은 극지방에 대부분 몰려 있으며 대표적인 오로라 관광지 5군데는 다음과 같습니다. 알래스카 페어뱅크스(10월말~4월), 스웨덴 아비스코(11월초~중순), 노르웨이 트룸쇠(12월~3월),캐나다 옐로나이프(11월~4월), 아이슬랜드 레이캬비크(11월~3월) 이렇게 다섯개의 도시가 있습니다.
플라즈마 난류란 무엇인가?
19세기 후반부터 플라즈마를 응용하려는 많은 기술들이 나오기 시작했습니다. 일상생활에서 많이 사용되는 방사성 폐기물 철, 공기 물 정화기, 소각 장치, 치아 미백 치료기 등등 우리 생활에서 밀접하게 사용되는 것들이 많습니다. 그중에서도 우리는 핵융합 에너지를 활용하여 고효율 에너지를 내는 기술에 대해 살펴볼 필요가 있습니다. 원리는 챔버 내부에 플라즈마를 가둔채로 챔버 상태를 초고온으로 만들게 되면 플라즈마 입자들이 융합하면 에너지를 발생시키게 된다는 것입니다. 하지만 여기서 주의할 점은 플라즈마를 가두기 위해선 플라즈마 난류를 간과해서는 안된다는 것입니다.
플라즈마 난류는 감금된 플라즈마 내부가 열역학적으로 불균형 상태인데 이 상태를 균형 상태로 맞춰가기 위해 플라즈마 내부에서 난류가 발생하는 것을 말합니다. 과학자들은 이 난류의 에너지의 흐름 때문에 플라즈마 감금시간이 적다고 보고 있습니다. 그래서 난류를 없애는 방법을 고심하다가 토카막 장치를 만들어서 거기에 플라즈마를 가둘 수 있게 되었습니다.
