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奇妙的物质第四态-等离子体

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虽然宇宙空间充满等离子体,而且在现代工业生产中也渐渐地广泛应用,但大多数人对“等离子体”可能显得比较生疏,或许还有几分神秘,这主要是因为在地球表面,自然存在的等离子体不多。

我们都知道,H2O是一种物质,在地球表面的常温下,呈液态,称之为“水”。如果温度低于摄氏0度,它就会变成固态,叫做“冰”。如果温度高于摄氏100度,它就会变成气态,叫做“水蒸气”。其实,不光是H2O,大多数物质都是这样,温度低时呈固态,中等温度时呈液态,温度高时呈气态,这就是我们通常知道的物质存在的三种状态。当然,这里所说的低温、中温和高温,对不同的物质是不一样的。冰在高于摄氏0度时就会变成水,而铁只有当温度高于摄氏1,536.5度时才会熔化成液态。

物质是由分子组成的,一个分子可以包含一个或几个原子。在固体物质中,分子之间的相互束缚力很强,以至于分子和分子之间的相对位置是固定的,不能随便移动。对一固体加热,其分子的动能增加,克服固定其位置的相互束缚能,使其间的相对位置可以改变,成为液体。分子在液体内虽然可以较自由地运动,但不能自由离开液体的表面。所以液体仍然是我们肉眼看得见,用手摸得到的凝聚体。对一液体再加热,其分子的热运动动能会继续增加,而最终可以完全脱离表面的束缚,液体也就成为分子可以自由运动的气体。

这种固、液、气三态互变的过程称为相变。它可以向两个方向发展,一是对一固体继续降温,一是对一气体继续加热。实验结果告诉我们,前者只会引起物质性质的变化,但是,后者却完全不同,它会使物质变成一种新的状态–等离子体态,等离子体态是物质的第四态。

如上所述,物质是由分子组成的,一个分子可以包含一个或多个原子,而一个原子则是由原子核和若干个电子组成。原子核带正电,电子带负电,原子呈电中性。气态时,电子在电场束缚下围绕原子核旋转。如果气体被加热,其电子的热运动动能就会增加。一旦电子的热运动动能超过原子核对它的束缚,电子就成为自由电子,这种过程称之为电离。如果气体中的所有原子都被电离,就称为完全电离,如果只有部分原子被电离,则称为部分电离。被电离的原子数与总原子数之比称为电离度。电离度为100%时,即气体被完全电离,就成为我们上面所说的物质第四态–等离子体,也称为等离子体。这是最严格定义的等离子体,在实际应用中,部分电离的气体,只要满足一定的条件,也通称为等离子体。等离子体中,失去电子的原子称为离子。

因此,产生等离子体的最简单方法就是对气体进行加热使其电离,即成等离子体。在实验室和工业应用中,就是先把容器抽到比较高的真空,再充入所需要的气体,但仍保持比大气压低的气压,然后再用放电或电磁波使气体电离。

奇妙的物质第四态-等离子体插图
等离子体球是人造等离子体的装置

在地球表面上,自然存在的等离子体虽然有,比如闪电、极光等,但不多。我们接触到的大多数是人工制造的等离子体,比如日光灯、霓虹灯、火箭的尾气、等离子体电视,以及大量的实验室和工业生产中应用的等离子体系统。实际上,据估计,在宇宙中,99%以上的已知物质是处于等离子体态。现代天文知识告诉我们,很多星体,比如太阳,是处于等离子体态,星体周围的大气及星际空间也充满了等离子体。就我们地球而言,大气层以上的电离层,太阳风等等都存在着等离子体。

等离子体的基本特性

等离子体与固体、液体和气体最大的不同是,后者是由中性原子组成,而前者是由带电的离子和电子组成。原子不产生电场,运动时也不会产生磁场。在等离子体中就不一样,组成等离子体的粒子(电子和离子)有自己的电场,运动时会产生磁场,也会受到电磁场的影响。结果,相距很远的两个粒子,不必碰撞就可发生相互作用。同时,电磁场的运动和粒子的运动强烈耦合,结果就使等离子体具有集体行为。也就是说,在等离子体中,双体碰撞不起主导作用,集体行为起决定作用。这是等离子体的第一个基本特性。集体行为的研究在现代物理学的发展中很重要。

要了解等离子体的第一个基本特性,需要先了解等离子体的第二个基本特性︰等离子体具有屏蔽外加电场而保持自身为电中性的能力。如果将两块连到电池两端的平板放入等离子体中,则连接正极和负极的平板将分别吸引电子和离子。结果,电场只存在于平板周围的一个厚度为德拜屏蔽长度的薄层内,而在等离子体的其他部分,平板所产生的电场趋近于零。这种屏蔽效应称为德拜屏蔽(Debye shielding)。濒临平板边界数个德拜屏蔽长度厚的薄层,一般称为鞘层。

这种德拜屏蔽效应也发生于等离子体中电子对于离子电场的屏蔽。存在德拜屏蔽效应而保持近似电中性是等离子体的第二个基本特性。只有当电离气体系统的尺度远大于德拜屏蔽长度,而且德拜屏蔽层内的带电粒子数足够多时,该系统才会具有等离子体的第二个特性。当上述条件产生时,等离子体粒子的动能远大于双体碰撞的平均位能,集体作用的远距电磁场对于等离子体行为起主要作用,使得等离子体具有第一个基本特性。

等离子体的第三个特性是每一个等离子体系统都有一个固有频率,称为等离子体频率。一束电磁波打到等离子体的表面,如果电磁波的频率小于等离子体频率,则该电磁波就会被屏蔽在外面而进不了等离子体。其道理很简单,如果,两块平板之间加的不是直流电压,而是交流电压,则当平板上的电压改变时,等离子体中的电子会被平板吸引或排斥。如果电磁波的频率小于等离子体的频率,则电子的反应就跟得上电压的改变,而将电压屏蔽在外。

在电离度非常低而密度高的电离气体中,带电粒子与中性分子的碰撞频率很高,即粒子间的平均碰撞频率大于等离子体频率,则系统的性质将由双体碰撞决定而不由集体效应决定,这样的系统不能称为等离子体。在等离子体系统中碰撞频率小于等离子体频率的条件需要被满足。这是等离子体的第三个基本特性。

有一类等离子体,存在于磁场之中,称为磁化等离子体,由于其广泛存在且有重要的应用前景而特别值得一提。

地球周围有磁场存在,星际空间也有磁场存在,因此这些地方的等离子体都是磁化等离子体。磁化等离子体与非磁化等离子体的重要差别在于磁场对带电粒子的影响。为简单说明,让我们考虑单个带电粒子的运动。没有磁场时,空间是各向同性的,带电粒子在各个方向都可以自由运动。有磁场时,假设磁场垂直于纸面,则在沿着磁场的方向,带电粒子可以自由运动。但是在垂直于磁场的方向,即在纸面上,带电粒子只能做圆周运动。电荷不同的粒子,其旋转方向相反。这种运动称为回旋运动,其频率称为回旋频率,回旋半径又称为拉摩半径。我们不难发现,回旋频率和回旋半径分别正比和反比于磁场强度。前者是高频电磁波源的基本工作原理,后者是磁约束热核融合研究的基本出发点。

等离子体的应用

人类对物质第四态–等离子体的认识比对其他三态要晚得多,主要是因为在地球表面的自然环境中,等离子体出现的机会不是很多。但是,随着科学技术的发展和社会的进步,人类与等离子体接触的机会越来越多,人造等离子体在实验室和工业界大量出现,人类对等离子体的依赖也越来越大。等离子体研究对基本物理发展很重要,同时也因被广泛地应用而呈现出更为广阔的前景。

气体放电

实验室等离子体研究始于1830年代,法拉第(Michael Faraday, 1791-1867)研究气体的辉光放电效应。对大电流真空管的需求打开了等离子体应用的大门,从此等离子体开始在工业生产中得到应用。直到现在,等离子体还在各种与气体放电有关的工业生产中应用。最常见的有日光灯、霓虹灯、等离子体显示器,以及其他各种的等离子体光源。此外,在等离子体焊接、汞整流器、引燃管、火花隙等也会用到等离子体。

电磁波源

带电粒子在磁场中要在垂直于磁场的平面上做圆周运动,它的加速度方向是垂直于本身的速度方向。有加速度的带电粒子会辐射电磁波,只是非单一频率,强度也弱。若将一电子束射入磁场中,因为回旋运动有固有频率,而且等离子体强耦合产生集体效应,所以可以产生很强的单频集体电磁辐射,成为电磁波源。

值得特别一提的是,爱因斯坦的相对论指出电子质量和其能量状态有关。电子束中的电子在和电磁波作用时能量变化,造成回旋频率会随之变化而产生群聚效应增进辐射效能,这个效应称为回旋梅射。当外加磁场配置改变成垂直于原来电子束的行进方向而且磁场方向交错地改变时,电子束运动也会有另一种相似的固定频率的周期运动,而产生单频集体辐射效应,这就是自由电子雷射的工作原理。这样的电磁波源具有功率高、频率高、定向性好的特点,在科学研究和工业生产中被广泛应用。例如,在磁约束受控核融合研究中,不同频率的这种电磁波可用来加热等离子体,以提升温度,从而增加核融合反应的速率。

受控核融合

随着社会的发展,人类对能源的消耗急剧增加。在过去的半个世纪中,人类每年消耗的能量大约增加了十倍。根据这个速度,地球上的煤和石油等石化能源将会在一百年中消耗殆尽。做为下一代的能源,核能是最受重视的选择。

核能有两种,一种是重核(如铀235)裂变产生的能量。这种能量以剧烈爆炸的形式释放,就是原子弹。以可控制的、缓慢的方式释放,就是当今的核能电厂。地球上的重核资源也非常有限,所能提供的能源,大约也只够人类用一百年左右。更重要的是,裂变核能电厂产生的废料有很强的放射性,半衰期又长,对环境的影响十分严重。

另一种核能就是轻核融合,如一个氘核与一个氚核融合,产生一个氦核(α粒子)和一个中子,并释放出约18百万电子伏特的能量。氘和氚都是氢的同位素。核融合能以剧烈爆炸的形式释放,就是氢弹,其威力比原子弹还强。核融合能以可控制的缓慢方式释放,实验室中现在已实现,只是尚不能达到经济效益,仍存在着许多物理和工程难题待解决,但它正是全世界无数科学家和工程师追求的目标。如果受控核融合电厂能实现,则可以满足人类十亿年的能源需求,而且还免去了环境污染的苦恼,可以说是最终解决了人类对洁净能源需求的问题。

一个氘核和一个氚核融合成一个较重的氦核而释放出能量的反应率是温度的函数,而且在绝对温度为数亿度时最大。为了实现受控核融合,我们必须将氘和氚的混合气体加热到接近这个温度。在这样的温度之下,气体早就被完全电离而成了等离子体。因此,等离子体就成了实现热核融合的必经之路。在历史上,等离子体科学主要是因核融合的研究而推动发展的。

温度在一亿度时,不存在任何固态物质,因此进行核融合的容器就是个大问题,解决这个问题的途径之一就是磁场。组成等离子体的带电粒子只能绕着磁场做回旋运动,而不能在垂直于磁场的方向自由运动。如果我们能构成一个磁力线闭合的磁场位形,则等离子体就会被约束在其中,这就是目前磁约束热核融合研究环形实验装置的基本工作原理。

如果没有集体效应,带电粒子横越磁力线的扩散系数和热传导系数都正比于拉摩半径的平方,从而反比于磁场的平方。也就是说,只要磁场足够强,则扩散系数就可以降到足以维持足够高的密度和温度的等离子体而产生受控核融合。遗憾的是,实验结果显示,在磁约束等离子体中,集体效应发生决定性的作用,扩散系数和热传导系数并不随着磁场的增加而平方反比下降。经过将近五十年的探索,科学界对此现象有了一些初步的认识,但真正的物理机制和变化规律,至今还没有被人类所掌握。

解决等离子体约束的另一条途径是利用惯性,也就是在一个真空容器中心的小范围内,以某种方式产生高温高密度等离子体,并让其在极短(十亿分之一秒)的时间内发生核融合反应。由于惯性的作用,在这短的时间内,等离子体中的带电粒子还达不到容器的内表面。因此,这种途径被称为惯性约束。在实验中,目前比较通用的办法是用多束强雷射来压缩固态氢小球,使其在很短的时间内升华成气体、电离并发生核融合。因此,这一途径有时也称为雷射核融合。惯性约束核融合也有一些科学上和技术上的问题,有待进一步探索和解决。

地球的太空环境

人类所赖以生存的地球,处于太阳风的连续轰击之下,太阳风就是从太阳发出的带电粒子流,也就是流动的等离子体。地球周围的磁场,即地磁层,将太阳风偏转而使地球的表面免受辐射的伤害。地磁层在太阳风的作用下也会发生变化。同时,地球上空五十公里到十个地球半径的空间,是充满了低密度等离子体的电离层。太阳风与地磁层的相互作用、电离层的结构、状态等构成了地球的太空环境。他们的变化会直接或间接地影响地球表面人类的生活环境,如气候、通讯状况等。为了有效地监测、预报地球太空环境的变化,就必须研究和掌握太阳风和地球周围的等离子体的性质和变化规律。所以,等离子体在地球太空环境的研究中有着核心且不可替代的地位。

现代天文学

大多数恒星的内部和周围的大气都有很高的温度而处于等离子体态,例如,太阳中心的绝对温度约为两千万度。该温度下的热核融合反应是太阳辐射的源泉。日冕则是比较稀薄和温度较低的等离子体。星际空间则是充满了电离的氢,即氢等离子体。等离子体研究已经成了现代天文学的一个重要部分。太阳的活动,比如太阳表面黑子的增加对地球气候和人类生活的影响正日益受到社会各界,尤其是学术界的关注。要解释观测到的现象,掌握太阳活动的规律,就必须应用和发展现有的等离子体理论。

磁流体发电和等离子体推进器

磁流体发电就是让稠密的等离子体垂直通过一个磁场,由于等离子体中的带电粒子在磁场的作用下运动方向会发生偏转,正离子会打到上面的平板而电子则打到下面的平板,结果就会在两板之间产生电压,这就是磁流体发电原理。

这一原理反过来的应用就成了等离子体推进器,将两块平板接上电源,在电场的作用之下,等离子体中会产生电流,该电流与磁场的相互作用会使等离子体受力而被推出火箭,其反冲力就会推动火箭前进。当然往外喷的等离子体的总电量必须是中性的,不然,宇宙飞船就会带上高电压。

环境保护

塑料制品的广泛使用给我们的生活带来很大方便,但是塑料垃圾很不容易腐坏,不易消毁,不好处理,因而带来了环境的问题。有些科学技术人员就想到把塑料垃圾粉碎后拌到水泥中,这样既可以处理垃圾,又有可能改变水泥的特性。但他们碰到的一个问题就是塑料碎片表面不够干净,因而与水泥不能紧密结合。解决这一问题的途径之一就是把塑料碎片放到有等离子体的容器中,接受带电粒子的轰击进行净化。实验结果显示,经过净化后的塑料碎片可以与水泥结合得更为紧密。这是用等离子体进行净化,从而达到环保目的的一个例子。

另一方面,如果让有毒的或对环境造成污染的气体,如工厂的烟囱废气和汽车尾管的废气通过等离子体,则废气中的有毒化学物质就会在带电粒子的轰击下分解成无污染的气体而排掉,或者变成固态或液态物质而更易于回收或处理。世界各国的科学家正在从事这方面的研究,而且已经取得可观的成果。

高科技产业

伴随有化学反应的等离子体放电,已被广泛地用来改变材料表面的性质。对全世界若干大材料处理工业而言,等离子体处理技术至关重要。对于电子产业采用的超大型积体电路的处理而言,基于等离子体的表面处理是不可缺少的。这样的加工对航空、汽车、钢铁和生物医学工业也有决定性的作用。用这种技术制造出的材料和表面结构是用其他生产方式得不到的,同时,材料的表面可以用很独特的方式加以改进。例如,在矽膜中或基质材料中可以蚀刻出宽0.2微米、深4微米的沟槽。人类头发的直径是50~100微米,也就是说,在一根头发那么粗的一个晶片上,就可以刻上数百个这样的槽和线路。另外,像钻石薄膜,太阳能电池中用的非晶体矽等独特的材料,也可利用等离子体处理生产出来。

据统计,在超大型积体电路板加工中,三分之一的工序是以等离子体处理为核心。等离子体在积体电路的加工中,主要用于蚀刻。其工作原理就是利用等离子体在临近边界(即积体电路板面)处产生的鞘层电场。这样,等离子体中的正离子就在鞘层电场的加速下,轰击积体电路板而刻出所需要的槽纹。在传统的化学蚀刻加工过程中,工件是放到化学溶液中,化学反应在空间各方向都可能发生,因而刻出的槽,其壁成弧形,影响了积体电路的品质。等离子体蚀刻中产生了垂直于积体电路板面的鞘层电场,带电离子只在电场方向被加速,因此而刻出的槽,壁是垂直的,这就提高了积体电路的品质。

等离子体在材料处理中的另一应用就是镀膜。等离子体镀膜的基本原理就是把被镀的工件放到要镀上去的材料的等离子体中,在一定的条件下,等离子体中的离子就会沉积到工件上而形成一层薄膜。被镀的工件可以是金属,也可以是非金属材料。所镀的薄膜可以是单一元素,也可以是多元素的混合体。这样产生的薄膜可以根据需要而有耐酸、耐碱、抗腐蚀性等特性。

采用等离子体进行离子布植改变物质性质已在工业生产中显现其优越性。其工作原理与镀膜相似,不同的是,在这里,带正电的离子必须具有较高的能量而能穿透工件的表面并沉积到工件材料之中,而不是沉积在表面。用这种方式,可以改变工件的性质。比如用不同金属的离子来布植钻头,可以成倍地提高钻头的硬度和使用寿命。

军事用途

现代战争离不开先进的通讯设备,等离子体在先进通讯设备,包括波源、传播、接收和讯号分析设备中都有着不可替代的作用。

现代战争的一个特点就是远程攻击。为了使远程的武器如飞弹、战机等,达到目标而不被对方发现,就得想办法躲过对方的雷达。雷达的基本工作原理就是向空中发射电磁波,当电磁波碰到飞行器时,就会被反射,雷达接收到被反射的讯号,就发现了飞行器。所以,要躲过对方的雷达,方法之一就是要让飞行器吸收或折射雷达的电磁波而不反射,这就要用到等离子体。我们知道,与气体的分子不一样,等离子体中的带电粒子会与电磁场发生相互作用,结果是一定参数的等离子体可以吸收或折射一定频率范围的电磁波。所以,只要想办法在飞行器周围产生一层参数合适的等离子体,对方的雷达就探测不到飞行器。这种技术叫做隐形,目前,世界各国都在发展这方面的研究,并得到一些初步的结果。

此外,不少新武器的研制也与等离子体密切相关。比如微波武器就倚赖于等离子体波源,某些雷射武器也与等离子体中的自由电子雷射有关,还有粒子束武器等也与等离子体科学密不可分。

本文来自网络,不代表黑科技立场,转载请注明出处。

作者: thinkou

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