物質(zhì)的神秘狀態(tài)就是等離子體。和氣體一樣,它沒有固定的形狀或體積,等離子體的密度比液體或固體要小。但與傳統(tǒng)氣體不同,等離子體是一種電離氣體,有自由電子,以及有自由移動(dòng)的正離子或負(fù)離子。
等離子體是一種具有強(qiáng)靜電作用的帶電氣體。原子在得到或失去電子時(shí),就會(huì)產(chǎn)生正電荷或負(fù)電荷,這個(gè)過程我們稱為電離。
在整個(gè)宇宙中,等離子體是物質(zhì)常見的狀態(tài)。
帶電粒子
一個(gè)典型的氣體,如氮或硫化氫,是由帶零電荷的分子組成的,這使得氣體本身為零電荷。由帶電粒子組成的等離子體,在整個(gè)體積內(nèi)可以有零電荷,但是,在單個(gè)粒子的水平上是不能有零電荷的。這意味著,等離子體中粒子之間的靜電力是相當(dāng)重要的。
帶電粒子的等離子體可以做氣體不能做的事情,例如,導(dǎo)電。
在普通氣體中,所有粒子的行為大致相同。因此,如果你把氣體放入容器里,讓氣體冷卻到室溫,那么里面所有的分子幾乎都會(huì)以相同的平均速度運(yùn)動(dòng)。在氣體中,分子就像臺(tái)球一樣,它們相互連接,相互傳遞能量。
然而, 在等離子體中,這不會(huì)發(fā)生,尤其是在電場或磁場中。例如,磁場可以產(chǎn)生大量的高速粒子群。大多數(shù)等離子體不夠致密,粒子之間經(jīng)常發(fā)生碰撞,因此,磁和靜電的相互作用就變得更加重要了。
因?yàn)榈入x子體中的粒子(電子和離子)可以通過電和磁相互作用,所以,它們的作用距離要比氣體粒子大得多。由此,我們就會(huì)聯(lián)想到波。
阿爾文波是由等離子體中的磁場受到干擾而引起的,產(chǎn)生了沿場線運(yùn)動(dòng)的波。
等離子體的另一個(gè)特征就是它受磁場限制。熱核能領(lǐng)域的大多數(shù)研究都集中于此。為了創(chuàng)造出聚變的條件,你需要一個(gè)非常熱的等離子體,溫度為數(shù)百萬度吧。因此,科學(xué)家們利用等離子體的這一特性來進(jìn)行研究。
等離子體的運(yùn)用
在生活中,我相信每個(gè)人都看到過等離子體的運(yùn)用吧,例如熒光燈和霓虹燈。在這種情況下,氣體,如氖,會(huì)受到高壓,電子要么與氣體原子分離,要么被推到更高的能級(jí)。燈里面的氣體會(huì)變成導(dǎo)電的等離子體。被激發(fā)的電子“回落”到它們先前的能量水平,輻射出光子,這就是我們在霓虹燈中看到的光。
同時(shí),等離子電視也是這樣工作的。將氣體(通常是氬氣、氖氣或氙氣)引入到兩個(gè)玻璃板之間的密封間隙中,電流通過氣體,使之發(fā)光。
等離子體還有另一種用途,即:等離子球。它們充滿惰性氣體混合物,當(dāng)氣體被電流電離時(shí),能產(chǎn)生壯觀的“閃電”。
此外,另一個(gè)等離子體的例子是北極光。太陽風(fēng)是進(jìn)入地球磁場的帶電粒子流,這些帶電的粒子沿著磁場的線移動(dòng)到兩極,在那里,它們發(fā)生碰撞并激發(fā)空氣中的原子,主要是氧和氮,就像霓虹燈的信號(hào)一樣,被激發(fā)的氧原子和氮原子會(huì)發(fā)光。