等離子子

等離子子,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”。

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

電離

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

地球上的電漿

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

宇宙中的電漿

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)
木衛一木星之間的流量管
吸積盤
星際星雲

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