探秘等离子体——认识等离子体

前言

继固态、液态、气态之后，等离子体被称作为物质的第四态，虽然在我们的生活环境中占比很少但是宇宙中的物质99%都是以等离子体形式存在的。等离子体有许许多多不同寻常的特性，这些特性可以应用在材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等各种学科为其进一步发展提供了新的技术和工艺。小到生活用品例如一次性牙刷上面的印字、大到可控核聚变发电都离不开对等离子的研究。所以作为我们普通人有必要认识一下等离子体，本文是从一个普通人的视角来初探等离子体世界的奥秘。

更新历史

2022年2月17日 - 初稿

作者：海伏科技——小涛（转载注明出处）

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什么是等离子体

我们知道常态下的物质是由分子、原子组成的。分子和原子失去电子或得到电子就会变成离子，所以离子就是带电的分子或原子。常见的离子是在水溶液中，例如氯化钠分子（\( NaCl \)）溶于水，化学键断裂形成钠离子（\( Na^+ \)）和氯离子（\( Cl^- \)），这个过程就是氯化钠分子在水溶液中的离解过程。

相类似的，若是一部分组成物质被加热到足够高的温度或其他原因，原子中的最外层电子脱离了原子核的束缚成为自由电子，这个过程叫做“电离”，此时的物质由离子、电子和未被“电离”的中性粒子组成，这些”混合物“中正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫等离子体。

图1：(HF)氟化氢激光器中的等离子体

等离子体的生成

天然存在的等离子体

宇宙中99%以上的可见物质都处于等离子状态，从炙热的恒星、灿烂的气态星云、浩瀚的星际间物质，到多变的电离层和高速的太阳风都是等离子的天下。我们不谈那么远的就谈谈我们身边——地球上的等离子体，由于地球是一颗“冷星球”稳定存在的等离子体不多，自然界中常见到的等离子体是火焰、闪电和极光，他们都是短暂存在的，那么如何持续获得等离子体呢？

人造的等离子体

作为现代人我们可以接触到越来越多的等离子体，如荧光灯、霓虹灯、甚至能照亮整个体育场的弧光灯，还有核聚变装置中“燃烧”的等离子体。他们都是由人工产生的。

气体原子、分子的电离可以通过光、X 射线 、γ射线照射，即电磁波的吸收，加速电子、离子或高能中性粒子的碰撞等方式发生。一般，电离的方法有如下几种： 

1. 光、X 射线、γ 射线照射：电离所需要的能量由光、X 射线、γ 射线提供。 放电的起始电荷是电离生成的离子。 这种电离形成的电荷密度一般极低。
2. 放电：通过从直流到微波的所有频率带的放电可以产生各种不同的电离状态 。
3. 燃烧：是通过燃烧使气体发生热电离的方法 。 火焰中的高能粒子相互碰撞发生电离称之为热电离。 另外，特定的热化学反应所放出的能量也能引起电离。
4. 冲击波：气体急剧压缩形成的高温气体 ，发生热电离生成等离子体 。
5. 激光照射：激光照射可使物质蒸发电离 。 这需要大功率的激光 。
6. 碱金属蒸气与高温金属板的接触：使碱金属蒸气与高温金属板接触生成等离子体。当气体接触到具有比电离能大的功函数的金属时则发生电离。 碱金属蒸气的电离能小，故容易发生电离。

等离子体的特性

知道了等离子体的是由离子、电子、中性粒子组成我们就不难想象到它有着与常规物质不同的特性。下面我们就了解一下，等离子到底有哪些特别之处，以及如何利用这些特性。

物理特性

首先等离子有着与气体类似的特性，比如良好的流动性和扩散性。但是，由于等离子体的基本组成粒子是离子和电子，因此它也具有许多区别于气态的性质，比如良好的导电性、导热性。

由于等离子内有着不同种类的带电离子，而带电离子就可以被电场加速、被磁场偏转。例如，大家可能在各种科幻作品中了解到的等离子体推进器，利用的就是离子在电场中加速这一特性，进而获得比化学推进器更高的比冲。

化学特性

前面我们提到过，许多化学试剂在水溶液中也是以离子形式存在的，水溶液中的化学反应本质也是离子间的反应。离子体中也有离子的存在，所以等离子体也有着化学反应性。我们知道绝大多数化学反应在常态下很难进行往往需要高温高压和加入催化剂进行催化，化学反应的本质是旧化学键断裂和新化学键形成的过程。而如果能使用“电离”的手段将旧化学键断裂，那么化学反应就很容进行。

应用展望

本文初步探究了等离子体的定义及产生过程，提到的应用也是九牛一毛，广大的科学家和研究工作者每天都会针对等离子体在各个学科领域开发各种各样的应用。 由于等离子体的应用非常广泛，等离子科学就是一门新兴交叉学科，海伏科技希望能凭借自身在电源方面的积累，与各领域科研工作者一起继续探究等离子体。

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参考文献

陈杰瑢. 低温等离子体化学及其应用[M]. 第一版. 科学出版社, 2001.

李定 陈银华 马锦绣 等. 等离子体物理学[M]. 2006年5月第一版. 高等教育出版社, 2006.