等離子體

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等離子體Plasma)是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質形態,廣泛存在於宇宙中,常被視為是物質的第四態,被稱為等離子態,或者「超氣態」,也稱「電漿體」。等離子體具有很高的電導率,與電磁場存在極強的耦合作用。等離子體是由克魯克斯在1879年發現的,1928年美國科學家歐文·朗繆耳和湯克斯(Tonks)首次將Plasma一詞引入物理學,用來描述氣體放電管裡的物質形態[1],Plasma是源自希臘文,意為可形塑的物體,此字有隨着容器形狀改變自身形狀之意,如燈管中的等離子體會隨着燈管的形狀改變自身的形狀。 嚴格來說,等離子體是具有高位能動能的氣體團,等離子體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。

等離子體的原理[編輯]

等離子體通常被視為物質除固態、液態、氣態之外存在的第四種形態。如果對氣體持續加熱,使分子分解為原子並發生電離,就形成了由離子電子和中性粒子組成的氣體,這種狀態稱為等離子體。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。等離子體與氣體的性質差異很大,等離子體中起主導作用的是長程的庫侖力,而且電子的質量很小,可以自由運動,因此等離子體中存在顯著的集體過程(collective behavior),如振蕩與波動行為。等離子體中存在與電磁輻射無關的聲波,稱為阿爾文波

常見的等離子體[編輯]

太陽
雷電
極光

等離子體是宇宙中存在最廣泛的一種物態,目前觀測到的宇宙物質中,99%都是等離子體,雖然分佈的範圍很稀薄。

常見等離子體形態包括
人造等離子體
地球上的等離子體
太空天體物理中的等離子體

等離子體的性質[編輯]

相圖上,物質在極高的溫度可轉變為等離子體體,轉變的溫度稱為離子化點

等離子態常被稱為「超氣態」,它和氣體有很多相似之處,比如:沒有確定形狀體積,具有流動性,但等離子也有很多獨特的性質。等離子體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等離子體中的電離粒子。等離子體本身亦是良導體。

電離[編輯]

等離子體和普通氣體的最大區別是它是一種電離氣體。由於存在帶負電的自由電子和帶正電的離子,有很高的電導率,和電磁場的耦合作用也極強:帶電粒子可以同電場耦合,帶電粒子流可以和磁場耦合。描述等離子體要用到電動力學,並因此發展起來一門叫做磁流體動力學的理論。

組成粒子[編輯]

和一般氣體不同的是,等離子體包含兩到三種不同組成粒子:自由電子,帶正電的離子和未電離的原子。這使得我們針對不同的組分定義不同的溫度:電子溫度和離子溫度。輕度電離的等離子體,離子溫度一般遠低於電子溫度,稱之為「低溫等離子體」。高度電離的等離子體,離子溫度和電子溫度都很高,稱為「高溫等離子體」。

相比於一般氣體,等離子體組成粒子間的相互作用也大很多。

速率分佈[編輯]

一般氣體的速率分佈滿足麥克斯韋分佈,但等離子體由於與電場的耦合,可能偏離麥克斯韋分佈。

等離激元[編輯]

表面等離激元(surface plasmon)效應--實驗裡我們把金屬的微小顆粒視為等離子體(金屬晶體因為其內部存在大量可以移動的自由電子----帶有定量電荷,自由分佈,且不會發生碰撞導致電荷的消失----因此金屬晶體可以被視為電子的等離子體),由於金屬的介電係數在可見光和紅外波段為負數,因此當把金屬和電介質組合為複合結構時會發生很多有趣的現象。當光波(電磁波)入射到金屬與介質分界面時,金屬表面的自由電子發生集體振蕩,如果電子的振蕩頻率與入射光波的頻率一致就會產生共振,這 時就形成的一種特殊的電磁模式:電磁場被局限在金屬表面很小的範圍內並發生增強,這種現象就被稱為表面等離激元現象。 這種電磁場增強效應能夠有效地提高分子的熒光產生信號,原子的高次諧波產生效率,以及分子的拉曼散射信號等。在宏觀的尺度上這一現象就表現為在特定波長,狀態下的金屬晶體的透光率的大幅提升。

非中性等離子體[編輯]

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等離子體相似,被稱作非中性等離子體。這類非中性等離子體不會因溫度下降而發生如離子與電子相互結合這類情況,被用於製出低溫等離子體。

等離子體在現實生活中的應用[編輯]

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  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