等离子体的性质稳定(物质的第四相等离子体)(1)

什么是等离子体

等离子体是一种过热物质,其温度高到电子被从原子中剥离出来,形成一种电离气体。它占可见宇宙的99%以上。在夜空中,等离子体以恒星、星云的形式发光,甚至有时在南极和北极上空泛起涟漪的极光。击穿天空的闪电分支是等离子体,城市街道上的霓虹灯也是如此。我们的太阳也是如此,这颗恒星使地球上的生命成为可能。

等离子体通常与固体、液体和气体一起被称为“物质的第四态”。就像液体沸腾,当能量增加时变成气体一样,加热气体会形成等离子体——一种带正电荷的粒子(离子)和带负电荷的粒子(电子)的汤。

因为宇宙中有如此多的物质是由等离子体构成的,它的行为和特性引起了许多学科的科学家的强烈兴趣。重要的是,在实现聚变能目标所需的温度下,所有物质都以等离子体的形式存在。研究人员利用等离子体作为一种带电气体的特性,将其限制在磁场中,并将其加热到比太阳核心还要高的温度。其他研究人员则在研究等离子体用于制造电脑芯片、火箭推进、清洁环境、破坏生物危害、愈合伤口和其他令人兴奋的应用。

等离子体的性质

等离子体的性质稳定(物质的第四相等离子体)(2)

虽然等离子体是物质本身的一种相,但它经常被称为电离气体。它类似于常见的气体,无形可以飘散。即使只有1%的原子失去了电子,气体也会表现出类似等离子体的行为。

等离子体是导电的,可以被磁场控制,可以在各种日常环境中发现,包括电视、荧光灯、霓虹灯、光刻机、火焰、闪电、北极光、特斯拉线圈等。

等离子体相差很大。用于它们分类的一些参数是电离度、温度、磁场密度和粒子密度。例如,蜡烛火焰中的气体只有非常轻微的电离,而闪电路径中的空气是高度电离的。有些形式温度很低,比如星系间介质,而另一些则温度很高,比如恒星的中心。

等离子体的性质稳定(物质的第四相等离子体)(3)

等离子体炬用强电磁场电离金属,用于切割或焊接。

与由中性原子组成的气体不同,带电等离子体有不同的成分,它们的行为是自发的。自由电子是带负电荷的,而没有电子的原子核是带正电荷的离子。大多数等离子体仍然包含完整的原子,它们也是电中性的。由于这些组件中的每一个都可以根据外部和内部条件的变化而表现出不同的行为,因此可能会出现各种复杂的波状现象。

等离子体的性质稳定(物质的第四相等离子体)(4)

数百万开尔文的等离子体是在一种叫做托卡马克反应堆的特殊设备中产生的。

使用等离子球可以在家中安全地观察等离子现象。这个装置通过一个玻璃球内的带电气体产生电场。当一个人触碰球边缘时,电离气体会向他的手指发出可见的丝状物质,这表明电荷本身会“接地”。在球内部可以看到复杂的分形图案。

等离子体的性质稳定(物质的第四相等离子体)(5)

过热等离子体可用于启动核聚变反应

因为等离子体可以被磁场所包含,它可以在不将热量扩散到周围介质的情况下变得非常热。一种可以测量到数百万开尔文的反应堆是用一种叫做托卡马克反应堆的特殊设备制造出来的。在不远的将来,人们可能会经常使用过热的等离子体来启动核聚变反应,从而产生大量的能量。

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