질문 ::

안녕하세요.

플라즈마 강의록 "basic plasma"2편을 보는데 자유전자가 전기장에 가속되어 플라즈마를 생성시킨다고 하는데 자유전자가 뭘 말하는 거죠?
원래 기체중에 그냥 있는 건가요? 보통 금속에서 자유전자라는 얘기를 하는 것으로 아는데요. 좀 알려주세요.

좋은 하루 되세요. *^^*

답변 ::

플라즈마를 생성하기 위하여 전자의 개스 입자와의 충돌이 필수적입니다. 이때 전자들은 외부에서 인가된
전기장으로 부터 에너지를 받아 가속되고 가속된 전자들은 전기적으로 중성인 개스입자와 충돌하여
이온화 반응을 잃으킵니다.  이 반응에서 개스입자들은 전자를 잃어 버리고 양전하를 띄는 양이온이 되며 기존 충돌에
사용되었던 전자와 개스 입자로 부터 떨어져 나가게 됩니다.  이때  떨어져 나온 전자들은 다시 전기장 속에서
가속이 되어 이온화반응에 참여하게 됩니다. 전자의 갯수가 늘어나고 가속 전자의 수가 늘어나면서 이온화 반응은
폭발적으로 많이 잃어나게 됩니다. 발생되는 이온의 수와 재결합 혹은 벽으로 손실되는 이온의 수가 균형을
갖게 되고 공간내의 이온 들의 밀도가 높아져서 이온/전자들이 무리를 지어 행동하게 되면 플라즈마가
형성되었다고 합니다.

그러면 처음 중성 개스 입자와 충돌은 하는 전자는 반응기 내 어디에 있었던 전자들 일까요? 반응기 속에
주입된 개스는 전기적으로 중성입니다. 즉 전자들이 핵 주변에 잘 구속되어서 있기 때문에 외부 전기장에
큰 영향을 받지 않을 조건입니다. 따라서 초기 이온화 반응에 참여할 전자들은 어디에선가
공급을 받아야 할 것 입니다. 다행이도 공간 중에는 광전리에 의한 전자 발생, 우주선 (cosmic ray)에 의하여
공간내 개스 입자들로부터 전리된 전자들, 반응기 표면에 붙어 있던 전자들이 작은 충력등에 의해서도 쉽게
떨어져 나오게 되는 전자들, 이런 전자들이 반응기내에 존재하고 있기 때문에 자유전자로서 역할을 담당하게 됩니다.
우리도 이런 경험이 있습니다. 맑고 건조한 여름날 가끔씩 문 손잡이를 잡다가 정전기가 오르기도 합니다.
특히 햇살이 많이 비치는 방에서 잘 잃어납니다. 이렇듯 반응기 내부에는 약간의 자유전자들이 돌아다니고
있습니다. 물론 이들 자유전자가 충분하지 않아서 플라즈마 방전이 시작되기 힘들 때도 많이 있습니다.
이런 경우에는 필라멘트에 전기를 흘려서 열전자를 발출시켜 반응기 내에 넣어 플라즈마 방전을
시키기도 합니다. 이런 예로서는 형광등이 있습니다.

플라즈마 발생의 이해에 도움이 되었기를 바랍니다.