什么是等离子.doc

火是一种被称为“等离子”态的物质，这是除固，液，气三态之外的第四态 我们的地球虽然身为宇宙的一员，但在浩瀚的宇宙中却显得孤傲不群，像一座孤独飘零的岛屿。不要说它诞生了宇宙中极为罕见的智慧生命(而这样的生命在宇宙中其他地方却难以生存)，就是它上面的物质形态特别的与众不同。地球上司空见惯的物质三态固态、液态、气态，在宇宙中却极为罕见，物质第四态等离子态，是宇宙中极多的状态。这实在是个奇怪的现象。 更有意思的是，当我们让物质不断地冷下去、冷下去不可思议的新物质形态又出现了。这种在地球上只能出现于条件严格的实验室中的物质形态，会在宇宙的某个角落随意飘荡吗？ 从物质三态到第四态 石头、铁块等物体既坚硬又不易挥发，这就是作为固体物质的基本特性之一。我们人类居住在一个绝大部分由这些固态物质组成的天地里。当然，我们一样离不开水和空气，它们分别属于液态和气态物质中的一类，相比较而言，这些柔软而易挥发的物质在我们生存的环境中占据的比例更大，对我们生活的影响其实也更大：在科幻故事中，人类依然可以生活在未来水世界上，却无法生活在全部由岩石构成的世界之中。 物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了，它们是不同温度下的状态，由所谓的冰点和熔点决定各自产生转换的温度。100多年前，人类对物质状态的认识基本上仅只于此。虽然亚里士多德在2000多年前就发现世界的组成除了这三态以外还包括火，但他也不清楚火究竟是一种什么物质？其实这就是物质的第四种状态等离子体的一种表现形式。 如果把气体持续加热几千甚至上万度时，物质会呈现出一种什么样的状态呢？这时，气体原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去外层电子的原子变成带电的离子，这个过程称为电离。所谓“电离”，其实就是电子离开原子核的意思。除了加热能使原子电离(热电离)外，还可通过电子吸收光子能量发生电离(光电离)，或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原子碰撞发生能量交换，从而使气体电离(碰撞电离)。发生电离(无论是部分电离还是完全电离)的气体称之为等离子体(或等离子态)。等离子体的独特行为与固态、液态、气态截然不同，因此称之为物质第四态。 等离子体的存在机理是怎样的呢？物质是由分子或者原子组成的，而分子也是由原子组成。原子都由原子核和绕核高速运动的电子构成。原子核带正电，电子带负电，正、负电数量相等，整个原子对外不显电性。电子之所以绕核运动，因为它的能量不足以挣脱核的束缚力。如果不停地给物质加热，当温度升高到数十万度甚至更高，或者用较高电压的电激，电子就能获得足够逃逸的能量，从原子核上剥落下来，成为自由运动的电子。这就像一群下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。这时物质就成为由带正电的原子核和带负电的电子组成的一团匀浆，人们戏称它“离子浆”。这些离子浆中正负电荷总量相等，因此又叫等离子体。 等离子体的物质密度跨度极大，从10的3次方个立方厘米的稀薄星际等离子体到密度为10的22次方个立方厘米的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级；温度分布范围则从100 K(173.15C)的低温到超高温核聚变等离子体的10的8次方10的9次方K。 等离子体在我们的宇宙中大量存在，从一根蜡烛燃起的火苗到滋生万物的太阳，从闪烁的星星到灿烂的星系。就在我们周围，在日光灯和霓虹灯的灯管里，在眩目的白炽电弧里，都能找到它的踪迹；另外，在地球大气层的电离层里，在美丽的极光和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等离子态；放眼宇宙，更是等离子体的天下，宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高，这些星球内部的物质差不多都处于等离子态，像太阳这样灼热的恒星就是一团巨大的等离子体。只有那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。据印度天体物理学家沙哈的计算，宇宙中99%的物质都处于等离子体状态，而地球上常见的物质状态在宇宙中却成为稀罕宝贝。 这是为什么呢？原来是地球演化到今日，已成为一颗冷行星。实际上，室温下物质的电离成分完全可以忽略不计，即使温度上升到一万度，电离成分也不过千万分之一！ 等离子体的研究主要分为高温和低温等离子体两大方面。 高温等离子体中的粒子温度高达上千万以至上亿度，可以使粒子有足够的能量互相碰撞，达到核聚变反应。氢弹就是人类历史上第一次成功应用高温等离子体的产物。氢弹是用原子弹作为“引信”，发出高热，从而产生高温等离子体，引发猛烈的核聚变，释放巨大的破坏性能量。 核聚变如果用于和平目的，把其变成一种新能源，那么核聚变就必须是缓慢地、持续地、可以控制地进行，这正是半个世纪以来高温等离子体物理研究的重点。 空间等离子体研究也是高温等离子体研究的一个重要部分。宇宙中99%以上的物质均是等离子体，而我们的太阳也就是一团巨大的等离子体，因此空间等离子体研究在宇航时代具有极其重要的作用。 一般来说，人们把温度在10万度以下的等离子体称为低温等离子体，低温等离子体大多是弱电离、多成分、并与其它物质有强烈的相互作用。低温等离子体能够由人类的