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,也是宇宙中豐度最高的物质形态[1][2],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[3],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。

定義[编辑]

電漿可以簡單定義為由許多帶電粒子組成,總和大約為電中性的物質。電漿中的粒子會受到作用力的影響:當粒子運動時會會產生電流以及磁場,因此電漿粒子會受到彼此產生的電磁場的影響,這也會影響電漿整體的特性,減少一些自由度[4][5]。電漿可以由以下三個準則來識別[6][7]

  1. 電漿近似:帶電粒子彼此之間的距離需相當接近,帶電粒子需可以影響許多鄰近的粒子,而不是只影響最近的粒子(電漿的整體性效應是電漿特殊的性質之一)。當半徑為德拜長度的「德拜球」空間內,平均帶電粒子數量大於1時,即有電漿的整體性效應。德拜球內的平均帶電粒子數量稱為電漿數英语plasma parameter,可以用希臘字母"Λ"表示。
  2. 容積相互作用(Bulk interactions):電漿的德拜長度小於電漿體實際的體積,因此電漿的作用力主要是在電漿內部,而不是在其周圍,若符合這個準則,電漿可視為準中性。
  3. 電漿頻率:電漿的頻率(電子中電漿振盪的頻率)大於電中性振蘯的頻率(電子和中性粒子振盪的頻率),若滿足此條件,在一般氣體動力論的過程中,電漿只受靜電場的影響。

參數範圍[编辑]

電漿的參數可以在數個數量級之間變化,但在參數上顯然不同的電漿,卻有相當類似的性質(參考電漿比例英语plasma scaling),下表只考慮傳統帶正負電的電漿,不考慮特殊的夸克-膠子漿

電漿範圍,密度由上往下增加,溫度由左往右增加。金屬中的自由電子也可以視為是電子電漿[8]
電漿參數的典型範圍及數量級
特性 地球上的電漿 宇宙的電漿
大小
單位:公尺
10−6 m(實驗室電漿)到102 m(閃電)(相差8個數量級 10−6 m(航天器護套)到
1025 m(銀河星雲)(相差31個數量級)
壽命
單位:秒
10−12 s(雷射產生的電漿)到
107 s (蛍光燈)(相差19 個數量級)
101 s(太陽耀斑)到
1017 s(銀河星雲)(相差16個數量級)
密度
單位:粒子數/立方公尺
107 m−3
1032 m−3(慣性約束等離子體)
1 m−3(星系際介質)到
1030 m−3 (恆星核心)
溫度
單位:絕對溫度
~0 K(

結晶性非中性等離子體[9])到
108 K(磁融合電漿)

102 K(極光)到
107 K(太陽核心)
磁場
單位:特斯拉
10−4 T(實驗室電漿)到
103 T(脈衝功率等離子體)
10−12 T(星系際介質)到
1011 T(近中子星)

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。因此可以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。

電漿和氣體的比較[编辑]

電漿常稱為固體、液體及氣體以外的第四相[10][11]。但其特性和其他能量較低的物質狀態有顯著不同。電漿和氣體都沒有一定的形狀及體積,但兩者仍有以下不同之處:

性質 氣體 電漿
電導率 非常小:空氣是良好的絕緣體,在電場強度超過30kV/cm時會分解為電漿[12] 一般很大:在許多應用中,會假設電漿的電導率為無限大。
其中不同行為的粒子種類數 1:所有氣體粒子的行為類似,都受重力及其他粒子碰撞的影響。 2或是3電子離子質子中子其電荷的大小及符號不同,因此有獨立的行為,也有不同的溫度及速度,會有一些特殊的波動不穩定性
速度分佈 馬克士威-波茲曼分布:粒子的碰撞會造成氣體粒子的馬克士威-波茲曼分布,其中很少有高能量的粒子。 非馬克士威分佈:熱電漿的碰撞交互作用不強,以外力的影響為主,因此會有顯著比例的粒子有非常快的速度。
交互作用 二個粒子:主要以二個粒子之間的作用為主,三個粒子的碰撞很少見。 集體性:波動或是電漿的有組織作用非常重要,因為遠距離的粒子之間,會因電場及磁場而互相影響。

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。

活躍的研究[编辑]

霍尔效应推进器雙層電漿英语Double layer (plasma)中的電場可以有效的加速離子,因此可用在离子推力器

以下列出一些此領域的活躍研究,完整及有組織的列表可以在Plasma science and technology的網站上找到[13]

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. ^ Ionization and Plasmas. The University of Tennessee, Knoxville Department of Physics and Astronomy. 
  2. ^ How Lightning Works. HowStuffWorks. 
  3. ^ 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
  4. ^ Sturrock, Peter A. Plasma Physics: An Introduction to the Theory of Astrophysical, Geophysical & Laboratory Plasmas.. Cambridge University Press. 1994年. ISBN 978-0-521-44810-9. 
  5. ^ Hazeltine, R.D.; Waelbroeck, F.L. The Framework of Plasma Physics. Westview Press. 2004年. ISBN 978-0-7382-0047-7. 
  6. ^ Dendy, R. O. Plasma Dynamics. Oxford University Press. 1990年. ISBN 978-0-19-852041-2. 
  7. ^ Hastings, Daniel and Garrett, Henry. Spacecraft-Environment Interactions. Cambridge University Press. 2000年. ISBN 978-0-521-47128-2. 
  8. ^ Peratt, A. L. Advances in Numerical Modeling of Astrophysical and Space Plasmas. Astrophysics and Space Science. 1996年, 242 (1–2): 93–163. Bibcode:1996Ap&SS.242...93P. doi:10.1007/BF00645112. 
  9. ^ 參考The Nonneutral Plasma Group at the University of California, San Diego
  10. ^ Yaffa Eliezer, Shalom Eliezer, The Fourth State of Matter: An Introduction to the Physics of Plasma, Publisher: Adam Hilger, 1989, ISBN 978-0-85274-164-1, 226 pages, page 5
  11. ^ Bittencourt, J.A. Fundamentals of Plasma Physics. Springer. 2004年: 1. ISBN 9780387209753. 
  12. ^ Hong, Alice. Dielectric Strength of Air. The Physics Factbook. 2000年. 
  13. ^ Web site for Plasma science and technology
  14. ^ High-tech dentistry – "St Elmo's frier" – Using a plasma torch to clean your teeth. The Economist print edition. Jun 17, 2009 [2009-09-07].