等离子体

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等离子体Plasma)是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态,广泛存在于宇宙中,常被视为是物质的第四态,被称为等离子态,或者“超气态”,也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率,与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的,1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯(Tonks)首次将Plasma一词引入物理学,用来描述气体放电管裡的物质形态[1],Plasma是源自希臘文,意為可形塑的物體,此字有隨著容器形狀改變自身形狀之意,如燈管中的電漿會隨著燈管的形狀改變自身的形狀。 嚴格來說,等离子体是具有高位能動能的氣體團,等离子体的總帶電量仍是中性,藉由電場或磁場的高動能將外層的電子擊出,結果電子已不再被束縛於原子核,而成為高位能高動能的自由電子。

等离子体的原理[编辑]

等离子体通常被视为物质除固态、液态、气态之外存在的第四种形态。如果对气体持续加热,使分子分解为原子并发生电离,就形成了由离子电子和中性粒子组成的气体,这种状态称为等离子体。除了加熱之外,還可以利用如加上強電磁場等方法使其解離。等离子体与气体的性质差异很大,等离子体中起主导作用的是长程的库仑力,而且电子的质量很小,可以自由运动,因此等离子体中存在显著的集体过程(collective behavior),如振荡与波动行为。等离子体中存在与电磁辐射无关的声波,称为阿尔文波

常见的等离子体[编辑]

太阳
雷电
极光

等离子体是宇宙中存在最广泛的一种物态,目前观测到的宇宙物质中,99%都是等离子体,雖然分佈的範圍很稀薄。

常见等离子体形态包括
人造等离子体
地球上的等离子体
太空天体物理中的等离子体

等离子体的性质[编辑]

相圖上,物質在極高的溫度可轉變為電漿體,轉變的溫度稱為離子化點

等离子态常被称为“超气态”,它和气体有很多相似之处,比如:没有确定形状体积,具有流动性,但等离子也有很多独特的性质。電漿中的粒子具有群體效應,只要一個粒子擾動,這個擾動會傳播到每個電漿中的電離粒子。電漿本身亦是良導體。

电离[编辑]

等离子体和普通气体的最大区别是它是一种电离气体。由于存在带负电的自由电子和带正电的离子,有很高的电导率,和电磁场的耦合作用也极强:带电粒子可以同电场耦合,带电粒子流可以和磁场耦合。描述等离子体要用到电动力学,并因此发展起来一门叫做磁流体动力学的理论。

组成粒子[编辑]

和一般气体不同的是,等离子体包含两到三种不同组成粒子:自由电子,带正电的离子和未电离的原子。这使得我们针对不同的组分定义不同的温度:电子温度和离子温度。轻度电离的等离子体,离子温度一般远低于电子温度,称之为“低温等离子体”。高度电离的等离子体,离子温度和电子温度都很高,称为“高温等离子体”。

相比于一般气体,等离子体组成粒子间的相互作用也大很多。

速率分布[编辑]

一般气体的速率分布满足麦克斯韦分布,但等离子体由于与电场的耦合,可能偏离麦克斯韦分布。

等离激元[编辑]

表面等离激元(surface plasmon)效应--实验裡我们把金属的微小颗粒视为等离子体(金属晶体因为其内部存在大量可以移动的自由电子----带有定量电荷,自由分布,且不会发生碰撞导致电荷的消失----因此金属晶体可以被视为电子的等离子体),由于金属的介电系数在可见光和红外波段为负数,因此当把金属和电介质组合为复合结构时会发生很多有趣的现象。当光波(电磁波)入射到金属与介质分界面时,金属表面的自由电子发生集体振荡,如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振,这 时就形成的一种特殊的电磁模式:电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强,这种现象就被称为表面等离激元现象。 这种电磁场增强效应能够有效地提高分子的荧光产生信号,原子的高次谐波产生效率,以及分子的拉曼散射信号等。在宏观的尺度上这一现象就表现为在特定波长,状态下的金属晶体的透光率的大幅提升。

非中性電漿[编辑]

電子離子正電子反質子這類的帶電粒子集團因其集體式運動和電漿相似,被稱作非中性電漿。這類非中性電漿不會因溫度下降而發生如離子與電子相互結合這類情況,被用於製出低溫電漿。

等离子体在现实生活中的应用[编辑]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ Langmuir, I., 1928, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 14, 627. NASA ADS DOI:10.1073/pnas.14.8.627