Plasma là gì trạng thái vật chất thứ tư chiếm hơn 99% vũ trụ

Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, hình thành khi khí bị ion hóa mạnh thành hỗn hợp ion dương và electron tự do. Khác với rắn, lỏng, khí, plasma dẫn điện cực tốt và phản ứng trực tiếp với từ trường nhờ chuyển động hỗn loạn của các hạt tích điện. Trạng thái này chiếm hơn 99% vật chất nhìn thấy trong vũ trụ, từ lõi các ngôi sao đến tầng điện ly Trái Đất.

Plasma là gì và vì sao được xếp là trạng thái thứ tư của vật chất

Plasma là một trạng thái vật chất hình thành khi chất khí trải qua quá trình điện ly mạnh. Đây là trạng thái cơ bản xếp sau thể rắn, thể lỏng và thể khí. Khác biệt cốt lõi khiến plasma tách khỏi khí thông thường nằm ở khả năng dẫn điện cao và phản ứng nhanh với trường điện từ.

Cấu tạo của plasma gồm các ion dương cùng các electron tự do chuyển động hỗn loạn. Các hạt không liên kết chặt chẽ như trong chất rắn hay lỏng, nhưng chúng cũng không hoàn toàn tự do.

Chuyển động của các hạt tích điện tạo ra dòng điện và sinh ra từ trường riêng. Các trường này lại chi phối hành vi tập thể của toàn khối plasma, khiến plasma dễ bị điều khiển bởi từ trường hơn là trọng lực.

Dù trung hòa điện tổng thể, plasma chứa mật độ cao các hạt mang điện tích tự do, khiến nó dẫn điện cực tốt và phản ứng mạnh với trường điện từ. Nhiệt độ là yếu tố quyết định trạng thái ion hóa; ở nhiệt độ thấp, các hạt dễ tái kết hợp thành nguyên tử trung hòa và plasma biến mất.

Cơ chế hình thành và sự khác biệt giữa plasma nóng với plasma nguội

Plasma xuất hiện khắp nơi trong tự nhiên và có thể được tạo ra chủ động trong phòng thí nghiệm bằng cách cung cấp năng lượng liên tục. Các phương pháp phổ biến bao gồm đốt nóng khí trơ, đặt khí vào điện trường mạnh, hoặc sử dụng sóng vô tuyến, laser.

Trong phòng thí nghiệm và công nghiệp, plasma được duy trì bằng các nguồn năng lượng này để gia công kim loại, khắc chip bán dẫn và xử lý bề mặt vật liệu. Dù được tạo ra bằng cách nào, plasma luôn cần nguồn năng lượng đầu vào để bù đắp tổn thất. Khi nguồn năng lượng ngắt, plasma sẽ nhanh chóng tái kết hợp và trở lại trạng thái khí trung hòa.

Plasma nóng và plasma nguội khác nhau chủ yếu ở cơ chế ion hóa và sự chênh lệch nhiệt độ giữa các hạt. Plasma nóng hình thành do va chạm nhiệt giữa các phân tử hoặc nguyên tử ở nhiệt độ cực cao.

Khi nhiệt độ tăng dần, electron bị bật khỏi nguyên tử và toàn bộ nguyên tử bị ion hóa hoàn toàn. Trong plasma nóng, nhiệt độ của electron, ion và nguyên tử trung hòa thường cân bằng nhau. Mặt Trời và lõi các ngôi sao là những ví dụ điển hình.

Ngược lại, plasma nguội hình thành khi vật chất nhận năng lượng từ bên ngoài như bức xạ điện từ hoặc điện trường mạnh. Quá trình này không đòi hỏi nhiệt độ môi trường cao.

Các electron trong plasma lạnh được gia tốc nhanh, đạt nhiệt độ rất cao, trong khi ion và nguyên tử trung hòa vẫn giữ ở mức nhiệt độ phòng. Đèn neon và đèn huỳnh quang hoạt động dựa trên nguyên lý này.

Vai trò của plasma trong vũ trụ và lịch sử phát hiện thuật ngữ

Plasma là dạng vật chất thông thường phong phú nhất trong vũ trụ, chiếm hơn 99% khối lượng và thể tích vật chất nhìn thấy. Phần lớn vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, phân bố chủ yếu trong các ngôi sao và môi trường giữa các thiên hà.

Trong hệ Mặt Trời, plasma đóng vai trò then chốt trong hoạt động của Mặt Trời. Phần lõi và vầng hào quang của Mặt Trời là plasma ion hóa hoàn toàn.

Gió Mặt Trời liên tục phóng thích các hạt plasma ra không gian liên hành tinh. Khi các hạt plasma này tương tác với từ trường Trái Đất, chúng tạo ra hiện tượng cực quang ở hai cực.

Tầng điện ly của Trái Đất cũng là một lớp plasma tự nhiên có khả năng phản xạ sóng vô tuyến, hỗ trợ thông tin liên lạc toàn cầu. Từ quyển chứa plasma bao bọc hành tinh, hoạt động như lá chắn bảo vệ bề mặt khỏi bức xạ vũ trụ độc hại.

Thuật ngữ plasma có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp cổ πλάσμα, nghĩa là vật chất có thể uốn hoặc thạch. Nhà vật lý Sir William Crookes lần đầu mô tả trạng thái này trong ống Crookes năm 1879. Ông gọi hiện tượng này là vật chất bức xạ.

Bản chất của tia âm cực sau đó được Sir JJ Thomson xác định vào năm 1897. Đến năm 1928, nhà hóa học Irving Langmuir chính thức đưa ra thuật ngữ plasma để mô tả khí ion hóa.

Langmuir và các cộng sự nhận thấy khí ion hóa trong ống phóng điện có hành vi tương tự huyết tương trong máu. Giống như huyết tương vận chuyển các tế bào máu, plasma trong ống phóng điện vận chuyển các electron tự do.

Langmuir mô tả vùng khí ion hóa này chứa các điện tích cân bằng của ion và electron. Ông đặt tên plasma cho vùng không gian trung hòa điện đó. Kể từ đó, plasma trở thành thuật ngữ chuẩn trong vật lý học.