พลาสมา ( plasma )
คือ สถานะที่ 4 ของสสาร สถานะของสสารโดยทั่วไป แบ่งได้ 3 สถานะดังนี้
- สถานะที่ 1 คือ ของแข็ง (Solid) เมื่อได้รับความร้อนหรือพลังงาน จึงละลายเปลี่ยนเป็น
- สถานะที่ 2 คือ ของเหลว (Liquid) ของเหลวเมื่อได้รับความร้อน จะระเหยกลายเป็น
- สถานะที่ 3 คือ ก๊าซ (Gas) และเมื่อความร้อนเพิ่มขึ้นมากเพียงพอ อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากอะตอม ทำให้ก๊าซแตกตัวกลายเป็นพลาสมา (Plasma) ซึ่งเป็นกลุ่มของประจุบวกและลบที่ลอยเคลื่อนไหวอย่างอิสระ ทำให้พลาสมามีสภาพนำไฟฟ้า
พลาสมา ( Plasma ) คืออะไร?
พลาสมา ในทางฟิสิกส์และเคมี คือ แก๊สที่มีสภาพเป็นไอออน และมักจะถือเป็นสถานะหนึ่งของสสาร การมีสภาพเป็นไอออนดังกล่าวนี้ หมายความว่า จะมีอิเล็กตรอนอย่างน้อย 1 ตัว ถูกดึงออกจากโมเลกุล ประจุไฟฟ้าอิสระทำให้พลาสมามีสภาพการนำไฟฟ้าเกิดขึ้น
สถานะที่ 4 ของสสารนี้ มีการเอ่ยถึงครั้งแรก โดยเซอร์ วิลเลียม ครูกส์ (Sir William Crookes) เมื่อค.ศ. 1879 และในปี ค.ศ. 1928 นั้น เออร์วิง แลงเมียร์ (Irving Langmuir) คิดคำว่าพลาสมา (plasma) ขึ้นมาแทนสถานะของสสารนี้เนื่องจากเขานึกถึงพลาสมาของเลือด
พลาสมาจัดได้ว่าเป็นสถานะที่ 4 ของสสาร เนื่องจากมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างไปจากสถานะอื่นอย่างชัดเจน พลาสมาประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุทั้งประจุบวกและลบ ในสัดส่วนที่ทำให้ประจุสุทธิเป็นศูนย์ การอยู่รวมกันของอนุภาคเหล่านี้เป็นแบบประหนึ่งเป็นกลาง (quasineutral) ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนและไอออนในบริเวณนั้น โดยรวมแล้วมีจำนวนเท่า ๆ กัน และแสดงพฤติกรรมร่วม (collective behavior)
พฤติกรรมร่วมนี้หมายถึง การเคลื่อนที่ของอนุภาคในพลาสมา ไม่เพียงแต่จะขึ้นอยู่กับเงื่อนไขในบริเวณนั้น ๆ เท่านั้น แต่เป็นผลโดยรวมจากพลาสมาส่วนใหญ่ มากกว่าจะเป็นผลมาจากการชนกันของอนุภาคที่อยู่ใกล้เคียงกัน เนื่องจากอนุภาคในพลาสมาที่สถานะสมดุล จะมีการสั่นด้วยความถี่ที่สูงกว่าความถี่ในการชนกันของอนุภาค 2 ตัวที่อยู่ใกล้กัน ดังนั้นอาจกล่าวได้ว่าพฤติกรรมร่วมนี้เป็นพฤติกรรมที่กลุ่มพลาสมาแสดงออกมาร่วมกัน
พลาสมาสามารถเกิดได้โดย การให้สนามไฟฟ้าปริมาณมากแก่ก๊าซที่เป็นกลาง เมื่อพลังงานส่งผ่านไปยังอิเล็กตรอนอิสระมากพอ จะทำให้อิเล็กตรอนอิสระชนกับอะตอม และทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอม กระบวนการนี้เรียกว่ากระบวนการแตกตัวเป็นไอออน (ionization) ซึ่งจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้จำนวนอิเล็กตรอนที่หลุดออกมานี้เพิ่มจำนวนขึ้นอย่างมากซึ่งจะทำให้ก๊าซแตกตัวและกลายเป็นพลาสมาในที่สุด พลาสมามีความแตกต่างจากสถานะของแข็ง สถานะของเหลว และสถานะก๊าซ โดยมีเงื่อนไข 3 ประการ ในเรื่องดังต่อไปนี้คือ ความยาวคลื่นเดอบาย จำนวนอนุภาค และความถี่พลาสมา ซึ่งทำให้พลาสมามีความจำเพาะเจาะจงที่แตกต่างจากสถานะอื่นออกไป
ฟิสิกส์ของพลาสมาอุณหภูมิต่ำ ( Physics of low-temperature plasmas )
ฟิสิกส์พลาสม่าอุณหภูมิต่ำศึกษาพลาสม่าที่อุณหภูมิของอิเล็กตรอนสูงกว่าอุณหภูมิของไอออนและสารที่เป็นกลางอย่างมาก ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่ไม่สมดุล สถานะเฉพาะของสสารนี้ประกอบด้วยอะตอม โมเลกุล อนุมูล สถานะที่ถูกกระตุ้น ไอออน และอิเล็กตรอนที่เป็นกลาง มีลักษณะเฉพาะคืออิเล็กตรอนที่มีพลังงานในขณะที่ไอออนและสารที่เป็นกลางยังคงอยู่ในอุณหภูมิที่ค่อนข้างต่ำ ซึ่งมักจะอยู่ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งทำให้สามารถนำไปใช้ในสาขาต่างๆ เช่น เกษตรกรรมและการแพทย์ด้วยพลาสม่า ซึ่งสามารถบำบัดวัสดุที่ไวต่อความร้อนได้อย่างแม่นยำในระดับอะตอมและโมเลกุล
ลักษณะสำคัญของพลาสม่าอุณหภูมิต่ำ
- ไม่สมดุล
อิเล็กตรอนถูกทำให้ร้อนเร็วกว่าไอออนหรือสารที่เป็นกลางมากโดยสนามไฟฟ้าภายนอก ส่งผลให้มีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสปีชีส์อย่างมีนัยสำคัญ
- การแตกตัวเป็นไอออนอ่อน
มีเพียงเศษเสี้ยวเล็กน้อยของก๊าซเท่านั้นที่แตกตัวเป็นไอออน โดยทั่วไปคือไม่กี่เปอร์เซ็นต์หรือต่ำกว่า
- อิเล็กตรอนที่มีพลังงาน
อิเล็กตรอนมีพลังงานเฉลี่ยสูงกว่าไอออนและสารที่เป็นกลาง โดยมักจะอยู่ในช่วงไม่กี่ถึง 10 eV
- อุณหภูมิเฉลี่ยต่ำ
แม้จะมีอิเล็กตรอนที่มีพลังงาน แต่โดยรวมแล้วอุณหภูมิเฉลี่ยของพลาสมาก็ต่ำพอที่จะให้สัมผัสกับพื้นผิวที่ไวต่อความร้อนได้
ตัวอย่างของการใช้งานพลาสมาที่อุณหภูมิต่ำ
- การบำบัดพื้นผิว
สามารถใช้พลาสมาที่อุณหภูมิต่ำเพื่อปรับเปลี่ยนพื้นผิวของวัสดุ ปรับปรุงคุณสมบัติ เช่น การยึดเกาะ ความสามารถในการเปียก และความต้านทานการสึกหรอ
- การกัดด้วยพลาสมา
เทคนิคนี้ใช้ในการผลิตระดับจุลภาคเพื่อกำจัดวัสดุออกอย่างแม่นยำ โดยสร้างลวดลายที่ซับซ้อนบนพื้นผิว
- การสะสมพลาสมา
พลาสมาที่อุณหภูมิต่ำใช้ในการสะสมฟิล์มบางของวัสดุต่างๆ ทำให้สามารถสร้างสารเคลือบที่มีคุณสมบัติเฉพาะได้
- การเกษตรและการแพทย์ด้วยพลาสมา
สามารถใช้พลาสมาที่อุณหภูมิต่ำในการฆ่าเชื้อ การรักษาบาดแผล และการใช้งานอื่นๆ ในระบบชีวภาพ
- การบินด้วยความเร็วเหนือเสียง
มีการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับพลาสมาที่อุณหภูมิต่ำเพื่อใช้ในการบินด้วยความเร็วเหนือเสียง ซึ่งจะต้องพบกับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง
ฟิสิกส์ของพลาสมาอุณหภูมิต่ำ ( PHYSICS of low temperature plasmas )
- เทอร์โมไดนามิกส์ ( Thermodynamics )
- กลศาสตร์สถิติ ( Statistical mechanics )
- พลศาสตร์ของไหล ( Fluid dynamics )
- กลศาสตร์คลาสสิก ( Classical mechanics )
- คลื่น ( Waves )
- ไฟฟ้าและแม่เหล็ก ( Electricity and magnetism )
- ฟิสิกส์อะตอม ( Atomic physics )
- ควอนตัม ( Quantum )
- เคมี ( Chemistry )
พลาสม่าอุณหภูมิต่ำคืออะไร? ( What is a low temperature plasma? )
- พลาสม่าคืออะไร?
- อุณหภูมิคืออะไร?
- อุณหภูมิต่ำในแง่ใด?
อุณหภูมิ: การชนแบบยืดหยุ่นทำให้ประชากรมีอุณหภูมิคงที่
- การชนแบบยืดหยุ่น – อนุภาค “กระเด้ง” ออกจากกัน พลังงานจลน์ ได้รับการอนุรักษ์
- พลังงานกระจายแบบสุ่ม ระหว่างอนุภาค เมื่อเวลาผ่านไป – นี่คือภาวะสมดุลทางความร้อน
สมดุลทางความร้อน
- พลังงานของระบบกระจายอย่างสุ่มระหว่างอนุภาคผ่านการชนกัน
- คู่ของอนุภาคแลกเปลี่ยนพลังงานในการชนกัน แต่สำหรับระบบโดยรวม จำนวนอนุภาคสัมพันธ์กันสำหรับแต่ละพลังงานจะไม่เปลี่ยนแปลง
- รูปร่างของการกระจายสามารถแสดงได้ด้วยพารามิเตอร์ตัวเดียว – อุณหภูมิ
- เรียกว่าการกระจายแบบ “แมกซ์เวลล์-โบลต์ซมันน์” หรือ “แมกซ์เวลล์”
กรณีศึกษาอุณหภูมิ: พลาสม่าแบบเหนี่ยวนำแบบมีการเชื่อมต่อ
- กระแสไฟฟ้าสลับในเสาอากาศแบบเกลียวสร้างสนามไฟฟ้าความถี่สูงภายในปริมาตรพลาสม่า
- อิเล็กตรอน (มวลต่ำ!) จะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าโดยเฉพาะ
- แรงลอเรนซ์ ( Lorentz Force )
- และถูกทำให้ร้อน ( and heated )
- อิเล็กตรอนจะเกิดความร้อนจน κTe ∼ 1 − 10 eV
- อะตอมและไอออนยังคงอยู่ใกล้อุณหภูมิห้อง
- พลาสม่าอุณหภูมิต่ำจำนวนมากไม่อยู่ในภาวะสมดุลทางความร้อน
การชนแบบยืดหยุ่น: พลาสมาอุณหภูมิต่ำมักจะ *ไม่* อยู่ในภาวะสมดุลทางความร้อน
พลาสมาอุณหภูมิสูงและต่ำ (มันสัมพันธ์กันหมด!)
พลาสมา อุณหภูมิสูง VS พลาสมา อุณหภูมิต่ำ
| พลาสมา อุณหภูมิสูง | พลาสมา อุณหภูมิต่ำ | |
| โดยปกติจะแตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์? | ใช่ | ไม่ |
| การชนกับสารที่เป็นกลาง? | เกิดขึ้นยาก | เกิดขึ้นบ่อย |
| คลื่นพลาสมา | มีแนวโน้ม | ดูดซับแรงกระแทกจากการชน |
| ขอบเขตพื้นผิว? | หายาก | ทั่วไป |
| ปฏิกิริยาฟิวชัน | อาจจะ | ไม่มี |
อย่าปล่อยให้คู่แข่งนำหน้า!
อัปเดตเทรนด์ และ Protocols
นวัตกรรมมือแพทย์ล่าสุดก่อนใครที่นี่!!
