等離子態(tài)
物質(zhì)有三種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。其實物質(zhì)還有第四種狀態(tài)，那就是等離子態(tài)。
等離子態(tài)又叫做物質(zhì)的第四態(tài),它是氣體,不過其原子失去電子形成自由電子和離子,因為兩者的量相等因此又叫做等離子態(tài),它可導(dǎo)電而且受磁場影響,熱氣體中,因為原子高速碰撞而造成電離現(xiàn)象,形成等離子態(tài),太陽內(nèi)部的氣體就是其中一個例子。低溫氣體,負(fù)電子和正離子會再結(jié)合,因此不會形成等離子態(tài)。在螢光燈內(nèi),存在低壓汞蒸汽及一些惰性氣體,在高電壓下,電子急劇加速,碰撞而造成更多電子及正離子,形成等離子態(tài),過程中汞原子被激發(fā)至激發(fā)態(tài),由激發(fā)態(tài)躍至基態(tài),發(fā)出電磁波,主要為紫外輻射,紫外輻射投射到管壁的熒光粉時,再轉(zhuǎn)為可見光。
為了克服氫核間的強(qiáng)勁排斥力而進(jìn)行核熔合作用,兩氫核必須高速碰撞,而所需溫度高達(dá)千萬度攝氏,太陽內(nèi)溫度高達(dá)上億度，但如要發(fā)展受「控制的熱核熔合」作用,沒有容器可忍受此高溫而不熔解,利用磁場將等離子體困在磁場內(nèi),使它在高溫下進(jìn)行核熔合,這方法仍未成功,仍有待進(jìn)一步研究。
我們知道，把冰加熱到一定程度，它就會變成液態(tài)的水，如果繼續(xù)升高溫度，液態(tài)的水就會變成氣態(tài)，如果繼續(xù)升高溫度到幾千度以上，氣體的原子就會拋掉身上的電子，發(fā)生氣體的電離化現(xiàn)象，物理學(xué)家把電離化的氣體就叫做等離子態(tài)。
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(nèi)部溫度和壓力都很高，這些星球內(nèi)部的物質(zhì)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(zhì)里才可以找到固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的物質(zhì)。
就在我們周圍，也經(jīng)?？吹降入x子態(tài)的物質(zhì)。在日光燈和霓虹燈的燈管里，在眩目的白熾電弧里，都能找到它的蹤跡。另外，在地球周圍的電離層里，在美麗的極光、大氣中的閃光放電和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等離子態(tài)。
除了等離子態(tài)外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了“超固態(tài)”和“中子態(tài)”。宇宙中存在一顆白矮星，它的密度很大，大約是水的3600萬到幾億倍。一立方厘米白矮星上的物質(zhì)就有100～200公斤重，這是怎么回事呢？
原來，普通物質(zhì)內(nèi)部的原子與原子之間有很大的空隙，但是在白矮星里面，壓力和溫度都很大，在幾百萬個大氣壓的壓力下，不但原子之間的空隙被壓縮了，就是原子外圍的電子層也被壓縮了。所有的原子核和原子都緊緊地擠在一起，物質(zhì)里面不再有什么空隙，因此物質(zhì)就特別重，這樣的物質(zhì)就是超固態(tài)?？茖W(xué)家推測，不但白矮星內(nèi)部充滿了超固態(tài)物質(zhì)，在地球中心一定也存在著超固態(tài)物質(zhì)。
假如在超固態(tài)物質(zhì)上再加上巨大的壓力，原子核只好被迫解散，從里面放出質(zhì)子和中子。放出的質(zhì)子在極大的壓力下會跟電子結(jié)合成中子。這樣一來，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)就發(fā)生了根本性的改變，原來是原子核和電子，現(xiàn)在都變成了中子。這樣的狀態(tài)就叫做“中子態(tài)”。
中子態(tài)物質(zhì)的密度大得更是嚇人，它比超固態(tài)物質(zhì)還要大10多萬倍。一個火柴盒那么大的中子態(tài)物質(zhì)，就有30億噸重，要用96000臺重型火車頭才能拉動它。
宏觀物質(zhì)在一定的壓力下隨溫度升高由固態(tài)變成液態(tài)，再變?yōu)闅鈶B(tài)(有的直接變成氣態(tài))。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，氣態(tài)分子熱運動加劇。當(dāng)溫度足夠高時，分子中的原子由于獲得了足夠大的動能，便開始彼此分離。分子受熱時分裂成原子狀態(tài)的過程稱為離解。若進(jìn)一步提高溫度，原子的外層電子會擺脫原子核的束縛成為自由電子。失去電子的原子變成帶電的離子，這個過程稱電離。發(fā)生電離(無論是部分電離還是完全電離)的氣體稱之為等離子體(或等離子態(tài))。等離子體是由帶正、負(fù)電荷的粒子組成的氣體。由于正負(fù)電荷總數(shù)相等，故等離子體的凈電荷等于零。
等離子態(tài)與固、液、氣三態(tài)相比無論在組成上還是在性質(zhì)上均有本質(zhì)區(qū)別。首先，氣體通常是不導(dǎo)電的，等離子體則是一種導(dǎo)電流體。其次，組成粒子間的作用力不同。氣體分子間不存在凈的電磁力，而等離子中的帶電粒子間存在庫侖力，并由此導(dǎo)致帶電粒子群的種種特有的集體運動。另外，作為一個帶電粒子系，等離子體的運動行為明顯的受到電磁場的影響和約束。
根據(jù)離子溫度與電子溫度是否達(dá)到熱平衡，可把等離子體分為平衡等離子體和非平衡等離子體。在平衡等離子體中，各種粒子的溫度幾乎相等。在非平衡等離子體中電子溫度與離子溫度相差很大。
通常把電離度小于0.1％的氣體稱弱電離氣體，也稱低溫等離子體。電離度大于0.1％的稱為強(qiáng)電離等離子體，也稱高溫等離子體。
等離子體在工業(yè)上的應(yīng)用具有十分廣闊的前景。高溫等離子體的重要應(yīng)用是受控核聚變。低溫等離子體用于切割、焊接和噴涂以及制造各種新型的電光源與顯示器等。
等離子體在自然界中是普遍存在的。例如，太陽、恒星、銀河系、河外星系中的大部分星際物質(zhì)都處于等離子體狀態(tài)。地球上南北極有時發(fā)生的五顏六色的極光、夏日雷雨時出現(xiàn)的閃電和絢麗多彩的霓虹燈、日光燈等都與等離子體現(xiàn)象密切有關(guān)。
