探秘等離子體——認識等離子體

前言

繼固態、液態、氣態之后，等離子體被稱作為物質的第四態，雖然在我們的生活環境中占比很少但是宇宙中的物質99%都是以等離子體形式存在的。等離子體有許許多多不同尋常的特性，這些特性可以應用在材料、能源、信息、環境空間、空間物理、地球物理等各種學科為其進一步發展提供了新的技術和工藝。小到生活用品例如一次性牙刷上面的印字、大到可控核聚變發電都離不開對等離子的研究。所以作為我們普通人有必要認識一下等離子體，本文是從一個普通人的視角來初探等離子體世界的奧秘。

更新歷史

2022年2月17日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉載注明出處）

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什么是等離子體

我們知道常態下的物質是由分子、原子組成的。分子和原子失去電子或得到電子就會變成離子，所以離子就是帶電的分子或原子。常見的離子是在水溶液中，例如氯化鈉分子（\( NaCl \)）溶于水，化學鍵斷裂形成鈉離子（\( Na^+ \)）和氯離子（\( Cl^- \)），這個過程就是氯化鈉分子在水溶液中的離解過程。

相類似的，若是一部分組成物質被加熱到足夠高的溫度或其他原因，原子中的最外層電子脫離了原子核的束縛成為自由電子，這個過程叫做“電離”，此時的物質由離子、電子和未被“電離”的中性粒子組成，這些”混合物“中正負電荷總量相等，因此它是近似電中性的，所以就叫等離子體。

圖1：(HF)氟化氫激光器中的等離子體

等離子體的生成

天然存在的等離子體

宇宙中99%以上的可見物質都處于等離子狀態，從炙熱的恒星、燦爛的氣態星云、浩瀚的星際間物質，到多變的電離層和高速的太陽風都是等離子的天下。我們不談那么遠的就談談我們身邊——地球上的等離子體，由于地球是一顆“冷星球”穩定存在的等離子體不多，自然界中常見到的等離子體是火焰、閃電和極光，他們都是短暫存在的，那么如何持續獲得等離子體呢？

人造的等離子體

作為現代人我們可以接觸到越來越多的等離子體，如熒光燈、霓虹燈、甚至能照亮整個體育場的弧光燈，還有核聚變裝置中“燃燒”的等離子體。他們都是由人工產生的。

氣體原子、分子的電離可以通過光、X 射線 、γ射線照射，即電磁波的吸收，加速電子、離子或高能中性粒子的碰撞等方式發生。一般，電離的方法有如下幾種： 

1. 光、X 射線、γ 射線照射：電離所需要的能量由光、X 射線、γ 射線提供。 放電的起始電荷是電離生成的離子。 這種電離形成的電荷密度一般極低。
2. 放電：通過從直流到微波的所有頻率帶的放電可以產生各種不同的電離狀態 。
3. 燃燒：是通過燃燒使氣體發生熱電離的方法 。 火焰中的高能粒子相互碰撞發生電離稱之為熱電離。 另外，特定的熱化學反應所放出的能量也能引起電離。
4. 沖擊波：氣體急劇壓縮形成的高溫氣體 ，發生熱電離生成等離子體 。
5. 激光照射：激光照射可使物質蒸發電離 。 這需要大功率的激光 。
6. 堿金屬蒸氣與高溫金屬板的接觸：使堿金屬蒸氣與高溫金屬板接觸生成等離子體。當氣體接觸到具有比電離能大的功函數的金屬時則發生電離。 堿金屬蒸氣的電離能小，故容易發生電離。

等離子體的特性

知道了等離子體的是由離子、電子、中性粒子組成我們就不難想象到它有著與常規物質不同的特性。下面我們就了解一下，等離子到底有哪些特別之處，以及如何利用這些特性。

物理特性

首先等離子有著與氣體類似的特性，比如良好的流動性和擴散性。但是，由于等離子體的基本組成粒子是離子和電子，因此它也具有許多區別于氣態的性質，比如良好的導電性、導熱性。

由于等離子內有著不同種類的帶電離子，而帶電離子就可以被電場加速、被磁場偏轉。例如，大家可能在各種科幻作品中了解到的等離子體推進器，利用的就是離子在電場中加速這一特性，進而獲得比化學推進器更高的比沖。

化學特性

前面我們提到過，許多化學試劑在水溶液中也是以離子形式存在的，水溶液中的化學反應本質也是離子間的反應。離子體中也有離子的存在，所以等離子體也有著化學反應性。我們知道絕大多數化學反應在常態下很難進行往往需要高溫高壓和加入催化劑進行催化，化學反應的本質是舊化學鍵斷裂和新化學鍵形成的過程。而如果能使用“電離”的手段將舊化學鍵斷裂，那么化學反應就很容進行。

應用展望

本文初步探究了等離子體的定義及產生過程，提到的應用也是九牛一毛，廣大的科學家和研究工作者每天都會針對等離子體在各個學科領域開發各種各樣的應用。 由于等離子體的應用非常廣泛，等離子科學就是一門新興交叉學科，海伏科技希望能憑借自身在電源方面的積累，與各領域科研工作者一起繼續探究等離子體。

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參考文獻

陳杰瑢. 低溫等離子體化學及其應用[M]. 第一版. 科學出版社, 2001.

李定 陳銀華 馬錦繡 等. 等離子體物理學[M]. 2006年5月第一版. 高等教育出版社, 2006.