物質狀態:等離子體

等離子體是物質的一種狀態,通常被認為是氣體的一個子集,但兩種狀態的行為卻大不相同。像氣體一樣,等離子體也沒有固定的形狀或體積,並且密度不如固體或液體。但是,與普通氣體不同,等離子體是由離子組成的,原子中的一些或全部電子已經被剝離掉,帶正電的原子核(稱為離子)自由漫遊。

物質狀態:等離子體

氣體是由中性分子和原子組成的。即帶負電的電子的數量等於帶正電的質子的數量。

等離子體是一種帶電氣體,具有很強的庫侖(或靜電)相互作用。原子或分子在獲得或失去電子時可以獲得正電荷或負電荷。該過程稱為電離。等離子體組成太陽和恆星,它是整個宇宙中最常見的物質狀態。

帶電粒子

典型的氣體(例如氮氣或硫化氫)由淨電荷為零的分子組成,從而使整個氣體體積的淨電荷為零。由帶電粒子構成的等離子體在其整個體積上的淨電荷可能為零,但在單個粒子的水平上電荷不為零。這意味著等離子體中的粒子之間的靜電力以及磁場的影響變得很大。

等離子體由帶電粒子製成,可以做氣體不能做的事情,例如導電。而且由於移動電荷會產生磁場,因此等離子體也可以具有磁場。

物質狀態:等離子體

在普通氣體中,所有粒子的行為大致相同。因此,如果你將氣體裝在容器中並讓其冷卻至室溫,則內部的所有分子平均將以相同的速度移動,並且如果要測量許多單個粒子的速度,則會得到分佈曲線,其中許多移動到平均值附近,只有幾條特別緩慢或快速。這是因為在氣體中,分子像檯球一樣,會相互撞擊並在它們之間傳遞能量。

在等離子體中,尤其是在電場或磁場中,不會發生這種情況。例如,磁場可以產生非常快的粒子。大多數等離子體的密度不足以使粒子彼此頻繁碰撞,因此,電磁相互作用變得更為重要。

物質狀態:等離子體

說到靜電相互作用,因為等離子體中的粒子(電子和離子)可以通過電和磁相互作用,所以它們的作用距離比普通氣體大得多。反過來,這意味著在討論等離子體中發生的事情時,波變得更加重要。這樣的波稱為Alfvén波,以瑞典物理學家和諾貝爾獎獲得者HannesAlfvén命名。當等離子體中的磁場受到干擾時,會產生Alfvén波,從而產生沿磁力線傳播的波。普通氣體中沒有真正的類似物。Alfvén波很可能是導致日冕的溫度(也是等離子)達到數百萬度的,而在表面上只有數千度的原因。

等離子體的另一個特徵是它們可以通過磁場保持在適當的位置。大多數聚變能研究都集中在這樣做。為了創造融合的條件,人們需要非常熱的等離子體,數百萬度。由於沒有材料可以固定它,因此科學家和工程師已經轉向磁場來完成這項工作。

物質狀態:等離子體

等離子在行動

你可以看到運行中的等離子體的一個地方是熒光燈或霓虹燈。在那些情況下,氣體氖要承受高壓,並且電子要麼與氣體原子分離,要麼被推入更高的能級。燈泡內部的氣體變成導電等離子體。下降回其先前能級的受激電子發出光子,這就是我們在霓虹燈或熒光燈中看到的光。

等離子電視的工作方式相同。將氣體(通常是氬氣,氖氣或氙氣)注入兩塊玻璃面板之間的密封間隙中。電流通過氣體,使其發光。等離子體激發紅色,綠色和藍色磷光體,這些磷光體結合在一起發出特定的顏色。

物質狀態:等離子體

等離子的另一個例子是當太陽特別活躍時圍繞地球兩極的極光。太陽風是帶電粒子流(主要是質子),它們撞擊地球的磁場。那些帶電的粒子沿著磁場線移動並向地球兩極移動,在那兒它們與空氣中的原子碰撞並激發出原子,其中大部分是氧氣和氮氣。像霓虹燈一樣,被激發的氧和氮原子發出光。


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