等离子态 等离子态与常规的固液气态有什么不同？

等离子态和常规的固液气态有什么区别？

说到物质的状态，我们可能首先想到三种:固体、液体和气体。在固体中，物质粒子被限制在固定的位置附近，不规则地振动，所以整个身体呈现出固定的体积和形状。随着物质粒子不规则热运动动能的增加，物质粒子会脱离固定位置的束缚，瞬间流动。这时物质粒子在空之间没有固定的位置，但仍然被周围的粒子吸引，很难脱离粒子群。从宏观上看，物质具有相对固定的体积和不固定的形状，这样的物质状态就是我们熟悉的液体。随着温度的进一步升高，粒子的热运动越来越强烈，以至于粒子基本脱离了粒子之间的引力而自由分散。这种既没有固定体积也没有固定形状的物质形态叫做气体。可以看出，固体、液体和气体的区别，本质上是由于颗粒热运动导致颗粒之间脱离相互作用的程度增加而引起的。

知道了这三种物质形态，我们自然会想，会不会有更多的物质形态？物质温度进一步升高会发生什么？由于气体几乎完全脱离了直接构成物质的粒子之间的相互作用，进一步变暖只会破坏更强、更密切的相互作用。对于分子气体，升温可能首先破坏共价键或配位键，使组成分子的原子或原子团相互分离，分子气体一步步变成原子气体。如果我们继续加热，即使是强大的原子也会“撑不住”，原子中的电子会不断脱离原子核的引力，从而成为独立于原子的自由电子，而原本电中性的原子会因为失去负电荷而带正电，于是由原子变成离子。当气体中的电子-离子密度达到一定水平，从而它们的集体效应可以支配气体的性质时，第四种形式的物质——等离子体就产生了。

以上描述了一种产生等离子体的方法——加热电离法。通过加热，电子的热运动变得强烈，最终脱离原子。这样得到的等离子体往往处于热平衡，即电子和离子温度相同。太阳能和核聚变反应堆中的等离子体就是用这种方法产生的，处于热平衡状态。灯管中的闪电和等离子体是通过另一种方式产生的——放电。放电时，电极发射的电子与气体原子中的电子碰撞，将它们撞出，从而产生电子离子对。与加热方式不同，放电只是把动能注入电子，所以电子的温度比这样产生的等离子体中离子的温度要高得多。

说了等离子体的产生过程，再来看看等离子体的集体效应，这是两种奇特而又常见的物质。第一种效应叫做等离子体振荡。我们知道，等离子体是由大量的正电荷和负电荷组成的。根据库仑定律，每个电荷总是受到其他电荷的作用:同性电荷相斥，异性电荷相吸。但是等离子体中正负电荷的数量大致相同，所以引力和斥力大致相等，粒子在统计上处于平衡状态。如果有均衡，可能会被打破。当同种等离子体的所有电荷偏离平衡位置一定距离时，平衡被打破。

想象一下，在电子-离子等离子体中，电子被某种扰动向右移动。此时，由于电子的“离家出走”，在电子的后面出现了一个区域，这里离子的密度大于电子的密度，从而向外呈现整体的正电。因为电子带负电荷，正负电荷相互吸引，失控的电子感受到一种向后的吸引力，试图把它拉回家。但这还不是全部。当电子被拉回家时，引力消失，但电子在回家的过程中跑得越来越快，由于惯性而到达平衡位置，所以电子会越过平衡位置，再次以与第一个相反的方向逃跑。当然这次会有正电荷的吸引力把它拖回家。所以我们发现有一个循环——电子跑了，离子把电子拉了回来。离子向相反的方向跑去，再次把电子拉回来。这样，随着时间的推移，电子呈现集体振荡。我们称之为等离子体振荡。因为离子的质量是电子的近两千倍，所以在受到相同的反作用力时，离子的加速度要比电子小得多。所以当电子振荡时，离子基本停留在原来的位置，还没来得及移动，电子就跑到了另一边。

等离子体振荡有许多应用，其中之一是合理解释太阳风暴中短波通信的中断。我们知道所有的振子都有一个固有频率，等离子体也不例外。等离子体振荡的固有频率随着正负电荷密度的增加而增加。我们也知道，当一个外加力的频率接近振子的固有频率时，就会发生共振，从而使外加力的能量最大限度地被振子吸收，形成最大振幅。无线电通信中使用的电磁波本质上是在改变电场和磁场。带电粒子，如电子，会受到电场中电场力的影响。所以我们发现电磁波通过等离子体相当于给等离子体中的电子加上一个周期性的外力。当这个外力的频率远高于等离子体振荡的固有频率时，由于电子的振荡和外力的变化非常不同步，外力对电子所做的功基本为零，所以电磁波可以无损耗地通过等离子体，从而实现通信，就像地球上平时发生的情况一样。

但是一旦太阳风暴爆发，大量带电粒子进入地球大气层，会增加正负电荷密度。如前所述，等离子体振荡的自然频率会相应增加。当固有频率上升到与短波通信中使用的电磁波频率基本相同时，就会发生共振，电磁波的能量最大限度地输入等离子体，导致电磁波在等离子体中传播困难，通信中断。因为交流高压输电也是通过周期性改变电场来实现的，所以在某些情况下，太阳风暴也会导致大规模停电。

太阳风暴和地球磁场示意图

至于等离子体的德拜屏蔽，这是电荷的另一个有趣的地方。我们可以称之为等离子体中电荷的“不可见性”。想象一团电子-离子等离子体，其中等离子体因扰动而不时振荡，就像起伏的海洋。这时你把一个带正电的球体扔进海洋，球体很快就被海洋淹没了。现在，一件神奇的事情发生了——因为一个带正电的球体吸引带负电的电子，排斥带正电的离子，所以它周围电子的密度高于离子的浓度，从远处看，它就像一个被电子“皮”包围的包子。但是因为周围的电子都带负电，正负电荷互相抵消，所以整个包子并没有表现出太强的电性。你看，刚开始把一个带正电的球扔进等离子体，它的正电荷好像消失了。这就是等离子体中电荷的“不可见性”——德拜屏蔽。

这些只是等离子故事的冰山一角。不断探索，你会发现更多关于等离子的秘密和奇迹。

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APC科普zu编辑部

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