簡單的說一下等離子體是什麼東西?

時間 2021-05-05 15:07:33

1樓:

如上圖所示,火焰,霓虹燈裡的「氣體」,極光、閃電、太陽風(恆星風)……都是等離子態——高溫使得原子發生電離。

這位「博主」的回答很「通俗易懂」:石頭科普工作室:啥是等離子體啊?能吃不?

2樓:木木

粗略來說,等離子體就是發生了一定程度電離的氣體。

等離子體一詞翻譯自英文的plasma,在英文中有血漿的意思,最早是由朗繆爾命名的。據 Harold Smith [1] 給友人的信中回憶道:

那天朗繆爾興高采烈地對我們說他想好該給這種均勻放電起什麼名字了。他指出,放電的「平衡」部分的作用是一種基底,運載著各種粒子,如熱電絲發出的高速電子,氣體雜誌的分子和離子。這使他聯想到血漿運載紅血球、白血球和細菌的方式,所以他建議把我們的均勻放電叫做 「plasma」。

我們當然都同意。

以上譯文節選自趙凱華先生的《電漿基本理論》的開場白。

等離子體是電離了的氣體,其中或多或少的包含了一定數量的離子,電子。其對外整體上表現為電中性。我們可以利用電離度來表徵電離程度的大小。

代表電離的粒子數, 代表中性粒子數。

相對於中性氣體,等離子體有乙個非常顯著的特性是其集體相互作用。帶電粒子之間的庫倫力是長程力,乙個帶電粒子的周圍會被帶相反電荷的粒子包圍起來,將庫倫力在一定程度上遮蔽掉,這叫做德拜遮蔽。德拜遮蔽的大小為:

為玻爾茲曼常數, 為等離子體溫度, 為電子數密度, 為電子所帶電荷量。

以德拜距離為半徑畫乙個球,該球體稱為德拜球,德拜球內的粒子數目:

。當 時,我們變可以利用統計力學的方法來對等離子體進行描述。同時在等離子體內存在高頻的等離子體振盪,分為電子振盪頻率與離子振盪頻率,由於電子質量小的多,所以電子振盪頻率遠大於離子振盪頻率。

電子振盪頻率大小為:

,其中 為電子質量。

等離子體振盪頻率一般遠大於等離子體內部電子和離子之間的碰撞頻率,是等離子體的乙個重要參量。

要對等離子體給出乙個準確的定義是相對比較困難的,我們大致可以從準中性,集體相互作用以及存在高頻振盪這幾個特徵去定性的理解。其是物質的第四態,宇宙中99%以上的可見物質(不包含暗物質和暗能量)為等離子體態。除去在可控核聚變領域對等離子體的研究外,在天體物理學中,對等離子體的研究也是非常多的。

在一些關鍵問題,比如磁場產生及放大;天體噴流的產生及加速;超高能宇宙線粒子的產生等,都認為與等離子體密不可分。

[1] H.M. Mott Smith, Nature, 233(Sept, 1971), 219

3樓:武漢中科先進院

這裡,絕對是一篇通俗易懂的科普文!看完這一篇,你對等離子一定會有乙個初步的認識與了解!

你還記得電影《流浪地球》中,人類是怎麼拯救地球的嗎?

影片中,提前衰老的太陽即將吞沒地球,為了推動地球遷徙,人類修建了1.2萬台地球發動機,以岩石為燃料,利用岩石中的矽等重元素進行核聚變反映,產生高溫高壓高能的等離子體流,通過等離子體流噴射產生的巨大反衝力,成功推動地球逃出了太陽系。

那麼,這擁有強大能量的「等離子體」,究竟是何方神聖呢?

01

「高深莫測」的等離子體

是物質的第四態

很多人一聽說「等離子體」,就覺得高深莫測,但是如果你明白了原理,就會覺得它和桌子、水、空氣一樣,只是物質的一種形態。

物質有三態:液態、固態、氣態,而等離子體則是「物質的第四態」。

怎麼才能產生這種形態呢?

答案就是:對氣態物質繼續以加熱等方式,施加足夠的能量,這樣就能使氣態發生「電離」,變為等離子體,成為「物質的第四態」。

「電離」的原理其實並不難:我們的物質世界是由原子構成,原子是由原子核和電子構成的,原子核與原子緊密結合在一起,很難分離開來。但是將氣體加熱到一定的程度,氣體原子中的電子,就獲得了足夠的能量,這種能量使得電子能夠克服引力,逃逸出來變成自由電子,就像脫韁的Mustang不受原子核的束縛。

這一使得電子與原子核分離的過程,就叫做「電離」。

簡單來說:當對氣體施加足夠的能量,使其電子與原子核分離,就形成了等離子體。

02

等離子體並不陌生

它在生活中很常見

也許你不知道等離子體長什麼樣子,但是你一定知道雨天的閃電、美麗的極光、街邊的霓虹燈,或者修理工手中的電焊……這些「眼見為實」的物質,便是等離子體在生活中的樣子。

要說製造等離子體,大自然的「鬼斧神工」當屬第一,閃電、極光,都是大自然的傑作:

閃電的時候:雷雨雲聚集的電荷,使雲內不同部位之間,或者雲與地面之間,形成了很強的電場,足以把大氣層擊穿而形成等離子體,並發出耀眼的閃光。

極光則是:地球磁層或太陽風,激發了高層大氣分子或原子的電離,從而產生綺麗斑斕的色彩。

事實上,等離子體是宇宙中存在最廣泛的一種物態,99.9%以上的可觀測物質都是以等離子體態存在的,例如太陽和星際空間都是由等離子體組成的。

除了自然界的等離子體,人們生活中,也有很多的人造等離子體:

比如街上璀璨的霓虹燈,是由玻璃管內的特殊氣體在強電場下發生電離,而形成的一種等離子體,不同的氣體放電會發出不同顏色的光,經設計師巧妙安排後就能組合成一幅幅五顏六色的圖案。

再比如電焊,是一種由電弧放電產生的等離子體,在工件與焊條兩極間的氣體持續通過強電流形成電弧等離子體,產生足以熔化金屬部件的高溫並發出強烈的光輝,從而達到連線金屬的目的。

03

等離子體在國之重器上的應用

很酷炫很硬核!

如果說等離子體在日常生活的應用,展現了它「美麗」的一面,那麼在半導體、可控核聚變、醫學等領域的應用,則可以稱之為「酷炫」了。

當下國內半導體行業蓬勃發展,在晶元製造方面,對鍍膜和刻蝕的裝置提出了更高的要求,等離子體的應用則能將這一工藝達到極致。

首先是在清潔方面,等離子體所釋放出的高能粒子可以清洗掉矽片晶元表面的雜質;

其次是在鍍膜方面,等離子體增強氣相沉積技術可以為晶元提供均勻緻密的薄膜;

最值得一提的是,在刻蝕方面,等離子體技術能夠去除掉光刻機處理後殘留下的光刻膠,從而完整地將掩膜圖形複製到矽片表面。目前國內最先進的等離子體刻蝕裝置,能夠達到5奈米的刻蝕精度,已達到國際一流水平,極大地推動了半導體行業的發展。

等離子體技術的應用,讓我們對「中國芯」充滿了信心!

除了在晶元上的應用,「人造太陽」技術也離不開等離子體:

「人造太陽」能釋放出巨大能量,解決地球的能源問題,它是利用高溫等離子體實現可控核聚變,從而所實現巨大能量的持續穩定輸出,是真正的「國之重器」!

在醫學領域,等離子體也可以用於醫療器械的殺菌消毒,是因為:等離子體中,含有大量的活性氧離子和高能自由基團,極易與細菌、病毒中蛋白質發生氧化反應而變性,使各類微生物死亡;等離子體用於處理術後傷口,具有明顯的促進癒合作用。

在航天軍工領域,利用等離子體技術可以實現飛行隱身:在飛機表面形成等離子體雲,能夠吸收並散射雷達探測波,可使被敵方發現的概率降低99%。

在重工業領域,等離子體技術可以應用到冶金、焊接、熱噴塗等領域,利用熱等離子體的高溫來實現金屬材料的熔融。

等離子體技術還可以應用於消費電子、汽車和生物等行業,為其提供效能優異的塗層,讓產品的親水性、粘結性與生物相容性分別得到改善。

相信隨著等離子體技術的不斷發展,「中國芯」能發展得越來越好,「人造太陽」也終將實現,更多未知的領域裡,人們也將感受到等離子體的「魔力」。甚至真的可以像《流浪地球》中所說的一樣,拯救地球,也未可知!

[1]吳劍青,玄武岩纖維在汽車行業上的應用前景[J]。產業用紡織品,2012(4):26-28

[1]萬寶年,徐國盛,EAST超導托卡馬克[J]。科學通報,2015(23): 2157-2168

[2]萬樹德,汪海,電弧等離子體冶金技術的實際應用[J]。材料與冶金學報,2013, 12(2): 81-88

[3]董春林,吳林,邵亦陳,穿孔等離子弧焊發展歷史與現狀[J]。中國機械工程,2000,11(5): 577-581

[4]陳麗梅,李強,等離子噴塗技術現狀及發展[J]。熱處理技術與裝備,2006,27(1): 1-5

[5]戴忠玲,毛明,王友年,等離子體刻蝕工藝的物理基礎[J]。物理,2006,35(8): 693-698

[6]盧新培,等離子體射流及其醫學應用[J]。高電壓技術,2011,37(6): 1416-1425

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4樓:喲嚯

物質的形態分為液態、固態、氣態還有一種就是等離子態。等離子態、氣態、液態、固態在分子層面只是分子的間隙在不斷擴大。加壓能使等離子態轉變為氣態再轉變為液態再轉變為固態。

加熱能使固態變成液態再變成氣態最終達到等離子態。不過需要上億攝氏度才能使固態轉變到等離子態,這就不得不提到核聚變了,在超級高溫條件下,處於等離子態,分子熱運動,增大了粒子碰撞的可能從而發生聚變。等離子體就是處於等離子態的某一種物質。

5樓:鹽選推薦

雷雨天,雲層間的相互摩擦使不同的雲層帶有不同的電,有些帶有大量的正電,有些帶有大量的負電,隨著電荷的積累,空氣被電離形成等離子體,雲層間形成電流的通路。閃電(電流)出現的位置,就是等離子所在的位置。

神奇的宇宙構成

在浩瀚無垠的宇宙中,我們看見的滿天星斗,遙遠的、看不見的各種恆星、星系,似乎多到數也數不清。但實際上這些物質天體及星際塵埃,只佔宇宙組成部分的 5% 都不到,其餘 95% 以上的是暗物質和暗能量。

就在這可憐的不到 5% 的物質中,像地球、火星、金星等固體星星,土星、木星這類氣體星體,這些只佔宇宙物質的 1%,其他 99% 是一種等離子體。

說起等離子體,有些人可能還不太清楚。我上學的時候,老師告訴我,物質有三種狀態:固態、液態和氣態。

但是他錯了,根據現在我們對物質的了解,物質至少存在 6 種狀態,除了上述的三種基本狀態,還有等離子、玻色—愛因斯坦凝聚態和費公尺子凝聚態。

固態、液態和氣態是我們常見的。其實離子體也不是很神秘,太陽、天狼星等恆星就是等離子體。

處於等離子態的物質都有很高的能量。實際上,宇宙剛被創造的時候,世界就是等離子態的。另外,當溫度接近絕對 0 度時,物質會呈現出玻色—愛因斯坦凝聚態。

在這種狀態下,分子停止了運動,所有的原子聚集到一起,處於相同的量子態(能量相同),成為了乙個大原子,我們可以巨集觀地看到它們的量子特性(微觀特性)。費公尺子凝聚態也是物質在低溫時呈現出的一種狀態,但玻色子全部聚集在同一量子態上,費公尺子則與之相反,更像是「個人主義者」,各自佔據著不同的量子態。

等離子體的真面目

現在我們重點介紹一下物質的第四種狀態——等離子體。

不同的能量水平會造成不同的物質狀態。例如,你有一些固體(比如冰塊),如果加熱它,固體就會熔化,變成液體。如果繼續加熱,液體會慢慢蒸發,轉化為氣體。

如果我們繼續向這種氣體提供能量,當溫度足夠高時,這種氣體將被電離,即外層電子會擺脫原子核的束縛,成為自由電子。這時,物質就變成了由帶正電的原子核、帶負電的電子以及未電離的中性粒子組成的一團均勻的「漿糊」,人們戲稱它為「離子漿」。這些離子漿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。

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