物質原子內的電子在脫離原子核的吸引而形成帶負電的自由電子和帶正電的離子共存的狀態(tài),此時,電子和離子帶的電荷相反,但數(shù)量相等,這種狀態(tài)稱作等離子態(tài)。
人們常年看到的閃電、流星以及熒光燈點亮時、火焰燃燒(只有部分高溫火焰才是真正的等離子體,其他大部分日常生活中見到的火焰,都是激發(fā)態(tài)的氣體分子)時,它們都是處于等離子態(tài)。人類可以利用它放出大量能量產生的高溫,切割金屬、制造半導體元件、進行特殊的化學反應等. 在茫茫無際的宇宙空間里,等離子態(tài)是一種普遍存在的狀態(tài)。宇宙中大部分發(fā)光的星球內部溫度和壓力都很高,這些星球內部的物質差不多都處于等離子態(tài)。只有那些昏暗的行星和分散的星際物質里才可以找到固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的物質。
等離子態(tài)是由等量的帶負電的電子和帶正電的離子組成,我們通常稱處于等離子態(tài)的物質為等離子體。等離子體在宇宙中廣泛存在。用人工方式也可以產生等離子體,如霓虹燈放電、原子核聚變、紫外線和X射線照射氣體,都可以產生等離子體。
等離子體在工業(yè)、農業(yè)和軍事上都有廣泛的用途,如利用等離子弧進行切割、焊接、噴涂、利用等離子體制造各種新穎的光源和顯示器等。如果利用這種顯示器制造電視,那么電視機可以像畫一樣掛在墻上。用等離子體技術處理高分子材料,包括塑料和紡織物,既能改變材料的表面性質,又能保留原材料的優(yōu)異性能,而且無污染。在軍事上可以利用等離子體來規(guī)避探測系統(tǒng),用于飛機等武器裝備的隱形。
等離子態(tài)常被稱為“超氣態(tài)”,它和氣體有很多相似之處,比如:沒有確定形狀和體積,具有流動性,但等離子也有很多獨特的性質。普通氣體由電中性的分子或原子組成,而等離子體則是帶電粒子和中性粒子的集合體。等離子體和普通氣體在性質上更是存在本質的區(qū)別,首先,等離子體是一種導電流體,但是又能在與氣體體積相比擬的宏觀尺度內維持電中性;其次,氣體分子間不存在凈電磁力,而等離子體中的帶電粒子之間存在庫侖力;再者,作為一個帶電粒子體系,等離子體的運動行為會受到電磁場的影響和支配。因此,等離子體是完全不同于普通氣體的一種新的物質聚集態(tài)。 應當指出,并非任何的電離氣體都是等離子體。眾所周知,只要絕對溫度不為零,任何氣體中總存在有少量的分子和原子電離。嚴格地說來,只有當帶電粒子的密度足夠大,能夠達到其建立的空間電荷足以限制其自身運動時,帶電粒子才會對體系性質產生顯著的影響,換言之,這樣密度的電離氣體才能夠轉變成等離子體。除此之外,等離子體的存在還有其特征的空間和時間限度,如果電離氣體的空間尺度L不滿足等離子體存在的空間條件L>>D(德拜長度D為等離子體宏觀空間尺度的下限)的空間限制條件,或者電離氣體的存在的時間不滿足>>p(等離子體的振蕩周期p為等離子體存在的時間尺度的下限)時間限制條件,這樣的電離氣體都不能算作等離子體。