이온과 프라즈마

[미자르]

원자는 정상상태에서는 원자핵에 (+)의 전하를 가진 양자와 전하를 갖지 않는 중성자를, 그리고 이 원자핵의 주위에는 양자와 같은 수의 전자가 일정한 궤도를 회전하고 있다.  그런데 이 원자에 높은 전압을 인가해서 에너지를 주거나 그 어떤 상태로 바꾸어주면, 전자를 밖으로 내어 보내거나(방출) 또는 밖에서 전자를 받아들이게(포획)된다. 이것은 앞서 원자의 구조에서 설명했던 것처럼, 원자의 최외각 궤도에 들어갈 수 있는 전자의 수에 제한이 있어서 원자에 따라서는 1~2개 정도의 전자가 남거나 모자라게 되기 때문이다.  원자는 이와 같은 경우에도 최외각 궤도를 회전할 수 있는 전자의 개수를 확보해서 가장 안정된 상태를 계속 유지하려고 하기 때문에 일부의 전자를 방출하거나 포획하려고 한다.  어떤 원자가 최외각 전자를 방출하면 그 원자는 원자전체로서는 방출한 전자의 수만큼 (-)전하가 부족하기 때문에, 원래의 전기적인 중성의 상태로부터 (+) 전하를 띤 상태로 바뀐다.  반대로 어떤 원자가 외부에서 전자를 포획하면, 그 원자는 원자전체로서는 새로 받아들인 전자의 수만큼 (-) 전하가 늘기 때문에, (-)전하를 띤 상태로 된다.  이와 같이 해서 원자가 본래의 전기적인 중성상태에서 벗어나서 원자전체로서 (+)나 (-)의 어느 한쪽 상태로 바뀐 것을 이온이라고 부르는데, 이때 전자가 부족된 상태가 (+)이온, 반대로 전자가 남아도는 상태가 (-)이온으로 된다. 또한 이때 전자의 과부족수가 1개, 2개, 3개, …이면, 각각 이를 1가(價)의 이온, 2가의 이온, 3가의 이온이라고 부른다.   앞서 설명한 볼타의 전지에서는 나토륨(Na)과 염소(CI)의 화합물인 식염(NaCI)을 물에 녹인 식염수를 사용하였는데, 이 경우 용액 중에서 식염은 1가의 (+)인 나토륨이온(Na+)과 1가의 (-)의 염소이온 (CI-)으로 나누어져서 전기를 발생하는데 이들 이온이 작용하였던 것이다.  따라서 전기, 전류현상의 주역은 전자라고 앞서 설명하였지만, 실은 이 이온도 전하를 가지고 전기현상에 관계하고 있는 것이다.  플라즈마는 기체의 원자 또는 분자가 분해해서 산산조각으로 떨어져 나간 것으로서 (+)와 (-)의 전하를 가진 입자(하전 입자라고 함)가 혼합되어 전체로서는 전기적으로 중성인 집합체를 말한다.  산산조각으로 분해한 전하를 가진 입자란 위에서 설명한 이온을 말한다.  따라서, 플라즈마란 달리 표현한다면, (+) 이온과 (-) 이온의 혼합기체라고 할 수 있다. 여기서 (-) 의 이온이란, 통상 말하는 전자인 것이며, (+)의 하전입자는 원자핵을 말한다. 플라즈마로 하려면 기체를 수만도(℃) 이상으로 가열해서 열적으로 원자로부터 전자를 분리하거나, 기체에 전계(電界)를 걸어줌으로써 전자나 이온을 고속으로 가속하고, 이것을 기체입자에 충돌시켜서 중성의 원자라든지 분자로부터 전자를 방출시킴으로써 만들 수 있다. 물론, 전자와 (+)이온은 서로 끌어당겨서 본래의 원자라든지 분자로 되돌아가려고 하므로 플라즈마를 유지하려면 이 인력에 이겨내서 분리증배해 주어야 할 것이다.  기체의 원자라든지 분자로부터 전자가 분리되는 현상을 전리현상이라고 한다. 따라서 플라즈마는 기체의 열전리 또는 열방전에 의해서 일어난다고도 할 수 있다. 플라즈마는 전체로서는 전기적으로 중성이지만, 전기의 전도체이기도 하다. 전계가 인가되면 (+)의 하전입자와 (-)의 하전입자가 각각 반대방향으로 흘러서 전류를 형성한다.  네온램프라든지 형광등은 압력을 낮게 한 기체에 전압을 걸어서 방전을 일으켰을 때의 발광 또는 자외선 방사현상을 이용한 것인데, 이 발광은 플라즈마에서 생긴 것이다. 다만 이때의 발광색은 기체의 종류에 따라서 결정되는 것이다.  플라즈마의 온도는 전자자 이온입자의 운동에너지의 크기와 관계하고 있다. 태양은 고온의 플라즈마에 의한 핵융합반응이 그 놀라운 에너지의 원천으로 되어 있는 것이다. 현재 원자력 발전에서는 원자로 내의 우라늄 등의 핵연료가 원자핵이 분열할 때 생기는 에너지를 이용해서 수증기를 만들고 이 고온고압의 과열증기로 터빈을 돌려서 발전하고 있다.  미래의 발전원으로 각광을 받고 있는 핵융합발전은 핵분열과 반대로 가령 수소의 원자 2개가 충돌해서 헬륨 1개로 될 때 생기는 에너지를 이용하는 것이다. - 동아출판사 [알기 쉬운 전기의 세계 - 송길영 저] 中 발췌 -