等離子態(tài)和常規(guī)的固液氣態(tài)有什么區(qū)別？

說到物質(zhì)的狀態(tài)，我們可能首先想到三種:固體、液體和氣體。在固體中，物質(zhì)粒子被限制在固定的位置附近，不規(guī)則地振動，所以整個身體呈現(xiàn)出固定的體積和形狀。隨著物質(zhì)粒子不規(guī)則熱運動動能的增加，物質(zhì)粒子會脫離固定位置的束縛，瞬間流動。這時物質(zhì)粒子在空之間沒有固定的位置，但仍然被周圍的粒子吸引，很難脫離粒子群。從宏觀上看，物質(zhì)具有相對固定的體積和不固定的形狀，這樣的物質(zhì)狀態(tài)就是我們熟悉的液體。隨著溫度的進一步升高，粒子的熱運動越來越強烈，以至于粒子基本脫離了粒子之間的引力而自由分散。這種既沒有固定體積也沒有固定形狀的物質(zhì)形態(tài)叫做氣體?？梢钥闯?，固體、液體和氣體的區(qū)別，本質(zhì)上是由于顆粒熱運動導致顆粒之間脫離相互作用的程度增加而引起的。

知道了這三種物質(zhì)形態(tài)，我們自然會想，會不會有更多的物質(zhì)形態(tài)？物質(zhì)溫度進一步升高會發(fā)生什么？由于氣體幾乎完全脫離了直接構(gòu)成物質(zhì)的粒子之間的相互作用，進一步變暖只會破壞更強、更密切的相互作用。對于分子氣體，升溫可能首先破壞共價鍵或配位鍵，使組成分子的原子或原子團相互分離，分子氣體一步步變成原子氣體。如果我們繼續(xù)加熱，即使是強大的原子也會“撐不住”，原子中的電子會不斷脫離原子核的引力，從而成為獨立于原子的自由電子，而原本電中性的原子會因為失去負電荷而帶正電，于是由原子變成離子。當氣體中的電子-離子密度達到一定水平，從而它們的集體效應可以支配氣體的性質(zhì)時，第四種形式的物質(zhì)——等離子體就產(chǎn)生了。

以上描述了一種產(chǎn)生等離子體的方法——加熱電離法。通過加熱，電子的熱運動變得強烈，最終脫離原子。這樣得到的等離子體往往處于熱平衡，即電子和離子溫度相同。太陽能和核聚變反應堆中的等離子體就是用這種方法產(chǎn)生的，處于熱平衡狀態(tài)。燈管中的閃電和等離子體是通過另一種方式產(chǎn)生的——放電。放電時，電極發(fā)射的電子與氣體原子中的電子碰撞，將它們撞出，從而產(chǎn)生電子離子對。與加熱方式不同，放電只是把動能注入電子，所以電子的溫度比這樣產(chǎn)生的等離子體中離子的溫度要高得多。

說了等離子體的產(chǎn)生過程，再來看看等離子體的集體效應，這是兩種奇特而又常見的物質(zhì)。第一種效應叫做等離子體振蕩。我們知道，等離子體是由大量的正電荷和負電荷組成的。根據(jù)庫侖定律，每個電荷總是受到其他電荷的作用:同性電荷相斥，異性電荷相吸。但是等離子體中正負電荷的數(shù)量大致相同，所以引力和斥力大致相等，粒子在統(tǒng)計上處于平衡狀態(tài)。如果有均衡，可能會被打破。當同種等離子體的所有電荷偏離平衡位置一定距離時，平衡被打破。

想象一下，在電子-離子等離子體中，電子被某種擾動向右移動。此時，由于電子的“離家出走”，在電子的后面出現(xiàn)了一個區(qū)域，這里離子的密度大于電子的密度，從而向外呈現(xiàn)整體的正電。因為電子帶負電荷，正負電荷相互吸引，失控的電子感受到一種向后的吸引力，試圖把它拉回家。但這還不是全部。當電子被拉回家時，引力消失，但電子在回家的過程中跑得越來越快，由于慣性而到達平衡位置，所以電子會越過平衡位置，再次以與第一個相反的方向逃跑。當然這次會有正電荷的吸引力把它拖回家。所以我們發(fā)現(xiàn)有一個循環(huán)——電子跑了，離子把電子拉了回來。離子向相反的方向跑去，再次把電子拉回來。這樣，隨著時間的推移，電子呈現(xiàn)集體振蕩。我們稱之為等離子體振蕩。因為離子的質(zhì)量是電子的近兩千倍，所以在受到相同的反作用力時，離子的加速度要比電子小得多。所以當電子振蕩時，離子基本停留在原來的位置，還沒來得及移動，電子就跑到了另一邊。

等離子體振蕩有許多應用，其中之一是合理解釋太陽風暴中短波通信的中斷。我們知道所有的振子都有一個固有頻率，等離子體也不例外。等離子體振蕩的固有頻率隨著正負電荷密度的增加而增加。我們也知道，當一個外加力的頻率接近振子的固有頻率時，就會發(fā)生共振，從而使外加力的能量最大限度地被振子吸收，形成最大振幅。無線電通信中使用的電磁波本質(zhì)上是在改變電場和磁場。帶電粒子，如電子，會受到電場中電場力的影響。所以我們發(fā)現(xiàn)電磁波通過等離子體相當于給等離子體中的電子加上一個周期性的外力。當這個外力的頻率遠高于等離子體振蕩的固有頻率時，由于電子的振蕩和外力的變化非常不同步，外力對電子所做的功基本為零，所以電磁波可以無損耗地通過等離子體，從而實現(xiàn)通信，就像地球上平時發(fā)生的情況一樣。

但是一旦太陽風暴爆發(fā)，大量帶電粒子進入地球大氣層，會增加正負電荷密度。如前所述，等離子體振蕩的自然頻率會相應增加。當固有頻率上升到與短波通信中使用的電磁波頻率基本相同時，就會發(fā)生共振，電磁波的能量最大限度地輸入等離子體，導致電磁波在等離子體中傳播困難，通信中斷。因為交流高壓輸電也是通過周期性改變電場來實現(xiàn)的，所以在某些情況下，太陽風暴也會導致大規(guī)模停電。

太陽風暴和地球磁場示意圖

至于等離子體的德拜屏蔽，這是電荷的另一個有趣的地方。我們可以稱之為等離子體中電荷的“不可見性”。想象一團電子-離子等離子體，其中等離子體因擾動而不時振蕩，就像起伏的海洋。這時你把一個帶正電的球體扔進海洋，球體很快就被海洋淹沒了?，F(xiàn)在，一件神奇的事情發(fā)生了——因為一個帶正電的球體吸引帶負電的電子，排斥帶正電的離子，所以它周圍電子的密度高于離子的濃度，從遠處看，它就像一個被電子“皮”包圍的包子。但是因為周圍的電子都帶負電，正負電荷互相抵消，所以整個包子并沒有表現(xiàn)出太強的電性。你看，剛開始把一個帶正電的球扔進等離子體，它的正電荷好像消失了。這就是等離子體中電荷的“不可見性”——德拜屏蔽。

這些只是等離子故事的冰山一角。不斷探索，你會發(fā)現(xiàn)更多關于等離子的秘密和奇跡。

這

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APC科普zu編輯部

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