等離子(Plasma)
定義是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質形態,廣泛存在於宇宙中,常被視為是物質的第四態,被稱為等離子態,或者“超氣態”,也稱“電漿體”。電漿具有很高的電導率,與電磁場存在極強的耦合作用。電漿是由克魯克斯在1879年發現的,1928年美國科學家歐文·朗繆爾和湯克斯(Tonks)首次將“電漿”(plasma)一詞引入物理學,用來描述氣體放電管里的物質形態。嚴格來說,電漿是具有高位能動能的氣體團,電漿的總帶電量仍是中性,藉由電場或磁場的高動能將外層的電子擊出,結果電子已不再被束縛於原子核,而成為高位能高動能的自由電子。
性質等離子態常被稱為“超氣態”,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。電漿中的粒子具有群體效應,只要一個粒子擾動,這個擾動會傳播到每個電漿中的電離粒子。電漿本身亦是良導體。
原理電漿通常被視為物質除固態、液態、氣態之外存在的第四種形態。如果對氣體持續加熱,使分子分解為原子並發生電離,就形成了由離子、電子和中性粒子組成的氣體,這種狀態稱為電漿。電漿與氣體的性質差異很大,電漿中起主導作用的是長程的庫侖力,而且電子的質量很小,可以自由運動,因此電漿中存在顯著的集體過程,如振盪與波動行為。電漿中存在與電磁輻射無關的聲波,稱為阿爾文波。
組成粒子和一般氣體不同的是,電漿包含兩到三種不同組成粒子:自由電子,帶正電的離子和未電離的原子。這使得我們針對不同的組分定義不同的溫度:電子溫度和離子溫度。輕度電離的電漿,離子溫度一般遠低於電子溫度,稱之為“低溫電漿”。高度電離的電漿,離子溫度和電子溫度都很高,稱為“高溫電漿”。
相比於一般氣體,電漿組成粒子間的相互作用也大很多。 等離子燈
電漿和普通氣體的最大區別是它是一種電離氣體。由於存在帶負電的自由電子和帶正電的離子,有很高的電導率,和電磁場的耦合作用也極強:帶電粒子可以同電場耦合,帶電粒子流可以和磁場耦合。描述電漿要用到電動力學,並因此發展起來一門叫做磁流體動力學的理論。
速率分布一般氣體的速率分布滿足麥克斯韋分布,但電漿由於與電場的耦合,可能偏離麥克斯韋分布。
等離激元表面等離激元(surface plasmon)效應--實驗裡我們把金屬的微小顆粒視為電漿(金屬晶體因為其內部存在大量可以移動的自由電子----帶有定量電荷,自由分布,且不會發生碰撞導致電荷的消失----因此金屬晶體可以被視為電子的電漿),由於金屬的介電係數在可見光和紅外波段為負數,因此當把金屬和電介質組合為複合結構時會發生很多有趣的現象。當光波(電磁波)入射到金屬與介質分界面時,金屬表面的自由電子發生集體振盪,如果電子的振盪頻率與入射光波的頻率一致就會產生共振,這 時就形成的一種特殊的電磁模式:電磁場被局限在金屬表面很小的範圍內並發生增強,這種現象就被稱為表面等離激元現象。 這種電磁場增強效應能夠有效地提高分子的螢光產生信號,原子的高次諧波產生效率,以及分子的拉曼散射信號等。在巨觀的尺度上這一現象就表現為在特定波長,狀態下的金屬晶體的透光率的大幅提升。
常見的電漿
人造電漿螢光燈,霓虹燈燈管中的電離氣體
核聚變實驗中的高溫電離氣體
電焊時產生的高溫電弧,電弧燈中的電弧
火箭噴出的氣體
等離子顯示器和電視
太空飛船 重返地球時在飛船的熱禁止層 前端產生的電漿
在生產積體電路用來蝕刻電介質層的電漿
等離子球
聖艾爾摩之火
火焰(上部的高溫部分)
閃電
球狀閃電
大氣層中的電離層
極光
中高層大氣閃電
太陽和其他恆星
(其中電漿由於熱核聚變供給能量產生)
太陽風
行星際物質
(存在與行星之間)
星際物質
(存在於恆星之間)
星系際物質
(存在於星系之間)
木衛一與木星之間的流量管
吸積盤
星際星雲