什麼是物質的第四態?一起來揭開等離子體的神秘面紗

2021-01-10 小尋愛科普

說起等離子體,大家可能會感覺到非常陌生,覺得它離我們的生活很遙遠?可是小尋如果告訴你,宇宙中99%都是等離子體,你會不會感覺到非常驚訝!!從電離層到宇宙深處物質幾乎都是等離子體,就連我們的日常生活中也存在很多等離子體,如等離子體電視、等離子體消毒櫃,甚至連日光燈、霓虹燈裡也會產生等離子體。

圖1、等離子體

等離子體是經氣體電離產生的由大量帶電粒子離子、電子和中性粒子原子、分子所組成的體系,因這種氣體的正電荷總數與負電荷總數在數值上相等,故稱為等離子體。不過等離子體還有一個更霸氣的名字-物質的第四態。當物質的溫度從低到高變化時,物質將依次經歷固體、液體和氣體三種狀態;當溫度進一步升高時,氣體中的原子、分子將出現電離狀態,形成電子、離子組成的體系,這種體系是區別於固體、液體和氣體的另一種物質存在狀態,故又稱為物質的第四態。1928年美國科學家Langumiur第一次將物質的這種存在狀態命名為等離子體態(Plasma)。

圖2、物質的第四態

「Plasma」中文譯作「等離子體」,其本意是電離狀態氣體正負電荷大體相等,整體上處於電中性(準電中性)。等離子體嚴格的說是一種由大量帶電粒子組成的非束縛態的宏觀體系。它通常由光子、基態原子或分子、激發態原子(或分子)、正離子和負離子組成。等離子體體系是一個非常複雜的體系,其內部主要過程可以歸納為激發、退激發、離解、電離、粒子加速和粒子碰撞。

等離子體在宇宙中存在非常廣泛,佔目前宇宙可見物質的99%。所有的恆星都是高溫等離子體團,星雲和星間也都是以等離子體態存在的。等離子體在工業工程中也有著很多重要的應用,如核聚變發電、原子彈和氫彈爆炸時產生的高溫等離子體、等離子體化學氣相沉積、等離子體表面改性和等離子體濺射鍍膜等。

圖3、等離子體參數空間

等離子體可以根據以下方法進行分類:

(a)按存在分類可以分為天然等離子體和人工等離子體。天然等離子體指天然存在的等離子體,如星雲、恆星、極光等。人工等離子體是指通過人為活動產生的等離子體,如日光燈中的等離子體、等離子體炬中的電弧等離子體等;

(b)按電離度分類,當電離度大於1%時稱為完全電離等離子體,如電離度小於1%時稱弱電離等離子體;

(c)按粒子密度分類,當粒子密度N>10^15~18cm-3時稱為緻密等離子體,當粒子密度N <10^12~14cm-3時稱為稀薄等離子體;

(d)按熱力學平衡分類分為局部熱力學平衡等離子體、非熱力學平衡等離子體(低溫等離子體)和完全熱平衡等離子體。局部熱力學平衡等離子體中只有局部能滿足Te(電子溫度)等於Ti(離子溫度)等於Tn(中性粒子溫度),例如電弧等離子體。非熱力學平衡等離子體中Te>>Ti,Te>>Tn,例如輝光放電和介質阻擋放電。完全熱力學平衡等離子體中Te=Ti=Tn,例如太陽。

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