等离子态等离子体

（等离子态，电浆，英文：Plasma）大家常见的霓虹灯，在它点亮以后，灯管里的气体就被电离了，成为电子与离子的混合物——等离子体。极光，是我们看见的大自然里的等离子体。人们把大气圈分为对流层、平流层、中间层、电离层和散逸层，这电离层就是等离子体。电离层能反射短波无线电波，使它能传播到地球上很远的地方。由于存在电离出来的自由电子和带电离子，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。等离子态在宇宙中广泛存在，常被看作物质的第四态（也称之为超气态） 。等离子体由克鲁克斯在1879年发现，“Plasma"这个词，由朗廖尔在1928年最早采用。

人们常年看到的闪电、流星以及荧光灯点亮时、火焰燃烧（只有部分高温火焰才是真正的等离子体,其他大部分日常生活中见到的火焰，都是激发态的气体分子）时，它们都是处于等离子态 。人类可以利用它放出大量能量产生的高温，切割金属、制造半导体元件、进行特殊的化学反应。在茫茫无际的宇宙空间里，等离子态是一种普遍存在的状态。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。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。

等离子态是由等量的带负电的电子和带正电的离子组成，我们通常称处于等离子态的物质为等离子体。等离子体在宇宙中广泛存在。用人工方式也可以产生等离子体，如霓虹灯放电、原子核聚变、紫外线和X射线照射气体，都可以产生等离子体。

等离子体在工业、农业和军事上都有广泛的用途，如利用等离子弧进行切割、焊接、喷涂、利用等离子体制造各种新颖的光源和显示器等。如果利用这种显示器制造电视，那么电视机可以像画一样挂在墙上。用等离子体技术处理高分子材料，包括塑料和纺织物，既能改变材料的表面性质，又能保留原材料的优异性能，而且无污染。在军事上可以利用等离子体来规避探测系统，用于飞机等武器装备的隐形。

等离子态常被称为超气态，它和气体有很多相似之处，比如，没有确定形状和体积，具有流动性，但等离子也有很多独特的性质。普通气体由电中性的分子或原子组成，而等离子体则是带电粒子和中性粒子的集合体。等离子体和普通气体在性质上更是存在本质的区别。

首先，等离子体是一种导电流体，但是又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性；

其次，气体分子间不存在净电磁力，而等离子体中的带电粒子之间存在库仑力；

再者，作为一个带电粒子体系，等离子体的运动行为会受到电磁场的影响和支配。

因此，等离子体是完全不同于普通气体的一种新的物质聚集态。 应当指出，并非任何的电离气体都是等离子体。众所周知，只要绝对温度不为零，任何气体中总存在有少量的分子和原子电离。严格地说来，只有当带电粒子的密度足够大，能够达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动时，带电粒子才会对体系性质产生显著的影响，换言之，这样密度的电离气体才能够转变成等离子体。除此之外，等离子体的存在还有其特征的空间和时间限度，如果电离气体的空间尺度L不满足等离子体存在的空间条件L>>D（德拜长度D为等离子体宏观空间尺度的下限）的空间限制条件，或者电离气体的存在的时间不满足>>p（等离子体的振荡周期p为等离子体存在的时间尺度的下限）时间限制条件，这样的电离气体都不能算作等离子体。

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。这使得我们针对不同的组成定义不同的温度，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。对于理想等离子体，离子之间的相互作用可以忽略，其状态方程较简单，已趋于完善。在超高温下，原子完全电离，离子和电子都可以采用理想气体状态方程描述；当温度不太高时，离子部分电离，可以采用Saha方程及其修正模型描述；原子在高度压缩状态下，其状态方程可以采用Thomas-Fermi模型及其改进模型得到。对于非理想等离子体，离子之间存在强耦合，还没有单一的理论模型能够在任意密度和温度范围内，对离子之间的相互作用进行统一描述 。

气体电离的机制有很多种不同的方法，当气体加热到数千摄氏度时，气体中分子间的碰撞，就会是其中一部分分子或原子发生电离现象，并且电离度会随温度的升高而迅速增大，这种电离被称为热电离或热平衡电离。除了用高温的方法使物质电离以外，还能用紫外线、X射线、丙种射线以及电磁场来照射气体，这样也可以使气体发生电离，从而转变成等离子态。只是在这种情况下，等离子体中的各种离子之间通常不能达到热平衡，是一种非热平衡的电离。

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。

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。2100433B

物质的一般情况下，物质都有三态，如水的三态为冰、水、水蒸气，分别

为固体，液体和气体。当然，物质还有其他两种存在的形态，叫做等离子态和超固态。处于等离子态的物质叫做等离子体，处于超固态的物质叫做超固体。

物体状态“等离子态”

原子是由原子核和电子组成的，通常情况下电子都围绕着原子核旋转。然而在几千摄氏度以上的高温中，气态的原子开始抛掉身上的电子，于是带负电的电子开始自由自在地游逛，而原子也成为带正电的离子。温度愈高，气体原子脱落的电子就愈多，这种现象叫做气体的电离化。科学家把电离化的气体，叫做“等离子态”。除了高温以外，用强大的紫外线、X射线和丙种射线来照射气体，也可以使气体转变成等离子态。也许你感到这种等离子态很稀罕吧！其实，在广漠无边的宇宙中，它是最普遍存在的一种形态。因为宇宙中大部分的发光的星球，它们内部的温度和压力都高极了，这些星球内部的物质几乎都处在等离子态。这是物质的第四种状态。处于等离子态的物质，电子与原子核“身首异处”，彼此离开。

物体状态“超固态”

在白矮星里面，压力和温度更高了。在几百吉帕气压的压力下，不但原子之间的空隙被压得消失了，就是原子外围的电子层也都被压碎了，所有的原子核和电子都紧紧地挤在一起，这时候物质里面就不再有什么空隙，这样的物质，科学家把它叫做“超固态”。白矮星的内部就是充满这样的超固态物质。在我们居住着的地球的中心，那里的压力达到350吉帕左右，因此也存在着 一定的超固态物质。

物体状态“中子态”

假如在超固态物质上再加上巨大的压力，那么原来已经挤得很紧的原子核和电子，就不可能再紧了，这时候原子核只好宣告解散，从里面放出质子和中子。从原子核里放出的质子，在极大的压力下会和电子结合成为中子。这样一来，物质的构造发生了根本的 变化，原来是原子核和电子，现在却都变成了中子。这样的状态，叫做“中子态”。中子态物质的密度更是吓人，它比超固态物质 还要大十多万倍呢！一个火柴盒那么大的中子态物质，重30亿吨，要有960000多台重型火车头才能拉动它！在宇宙中，估计只有少 数的恒星，才具有这种形态的物质。