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科普 | 神奇的等离子体

【来源:中国科学院等离子体物理研究所】 2015.12.09

说起等离子体,可能很多人只会联想到等离子电视!可是如果小编告诉你,宇宙中99%都是等离子体,你会不会惊讶地张大嘴巴?

等离子体是中国大陆的叫法,它的英文名是“plasma”,plasma有血浆的意思,因此台湾称它为“电浆”。

然而,这还不是全部……

等离子体还有一个更霸气的名字……

请叫我——物质第四态!!!

物质第四态?什么鬼?小学老师曾语重心长地告诉我说物质有三种状态——固态、液态、气态,什么时候又冒出来一个第四态?

别着急,且听小编和你慢慢掰扯……

为了解释方便,我们用水来做例子。

我们知道,在0℃以下水会呈现固态,就是“冰”。当升温到0℃以上之后,就会变成液态,这就是我们平时接触到的“水”,如果继续使温度上升至100℃,那么水就会变成气态,我们称为“水蒸气”。接下来,请你开始想象,如果把水蒸汽继续加热,加到几千度,甚至上万度,会发生什么变化呢?

【答案君:超高温下物质会变成等离子体,水蒸气加热到上万度之后会变成物质第四态——等离子体!】

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那么,物质在高温状态下究竟发生了什么样的微观变化呢?

让我们温习一些初中物理知识先

物质由分子构成;

分子由原子构成;

原子由带正电的原子核

和带负电的电子构成。

原子核带正电,

电子带负电;

它们之间相互吸引。

由于原子核的质量一般比电子的质量大得多,所以一般是电子绕原子核做匀速圆周运动,就好比地球受到太阳的吸引绕太阳作圆周运动一样。

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OK!了解了以上知识后,请跟小编一起想象以下画面……

在普通条件下,原子中的电子会围绕着原子核运动。

当物质被加热到足够高的温度时,原子中的电子就会获得非常大的动能。

当电子的动能大于原子核对它的约束能时,电子就会摆脱原子核的束缚,成为“自由自在”运动的自由电子;

而原子核则会因为失去一个电子,变成带一个单位正电荷的“离子”。

我们把这种过程称为“电离”。

当足够多的原子电离,那么物质对外就会呈现带电的特性。即物质会变成带电的气体。

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由于“离子”和“自由电子”是从一个中性的原子中分离出来的,所以离子和电子的电荷数总体上是相等的。

我们把这种既呈现带电性,同时宏观上正负离子数相等的物质称为“等离子体”。

你可以这样理解:

等离子体 = 正负离子数相等的带电气体

下面这张图显示了物质状态变化时内部发生的微观变化:

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我们身边的等离子体

由于我们居住的地球环境温度较低,所以天然的等离子体都存在于远离人群的地方,如闪电、极光等。在我们的地球之外,等离子体却是几乎所有可见物质的存在形式,大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团,毫无例外的都是等离子体。

惊人的存在:据印度天体物理学家沙哈的计算,宇宙中的99.9%的物质都是等离子体!

随着科技的发展,

人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。

常见的日光灯、霓虹灯、

等离子体显示器等等,

里面发光的全是等离子体。

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等离子体分布图


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