什么是等離子體？

等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)。通常情況下物質(zhì)有三種狀態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。在一定溫度和壓力下三態(tài)可以互相轉(zhuǎn)換。但在一定條件下，如加熱、放電等，氣體分子會發(fā)生解離、電離等過程，當產(chǎn)生的帶電粒子密度達到一定數(shù)值時，物質(zhì)狀態(tài)就會出現(xiàn)新的變化，這時的電離氣體已經(jīng)不再是原來的氣體了，人們把這時的狀態(tài)稱為等離子狀態(tài)。

等離子體定義

什么是等離子體?早期的定義為包含足夠多的正電荷數(shù)目近于相等的帶電粒子的物質(zhì)聚集狀態(tài)。當然，在這個定義下也包含了固態(tài)等離子體和液態(tài)等離子體。晶格中正離子和自由電子組合或半導(dǎo)體中電子與空穴的組合等為固態(tài)等離子體。電解質(zhì)溶液中正負離子的組合為液態(tài)等離子體。1994年國家自然科學(xué)基金委員會在“等離子體物理學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報告”中提出等離子體是由大量帶電粒子組成的非凝聚系統(tǒng)。報告強調(diào)了等離子體的非凝聚系統(tǒng)屬性，排除了單純的固態(tài)和液態(tài)。因此，等離子體是指在宏觀上呈電中性的電離態(tài)氣體，是電子、離子、自由基和各種活性基團等粒子組成的集合體。其中正電荷總數(shù)和負電荷總數(shù)在數(shù)值上相等，故稱為等離子體。此等離子體定義既強調(diào)了等離子體微觀上的電離屬性，又強調(diào)了等離子體宏觀上的電中性。

等離子體的特性

等離子體宏觀上呈電中性：

通常情況下，等離子體呈現(xiàn)的是電中性，但是其如果受到某種擾動，它的內(nèi)部就會出現(xiàn)局部電荷分離，就會產(chǎn)生電場。比如，在等離子體中放入一個帶正電荷的小球，它就會吸引等離子體中的電子，排斥離子，從而在小球周圍形成一個帶負電的球狀“電子云”。

等離子體具有振蕩性：

通常情況下，等離子體在處于平衡狀態(tài)時，宏觀看其密度分布是均勻的，但從微觀來看，其密度分布是有漲有落，是不均勻的，并且這種密度漲落具有振蕩性。

等離子體具有鞘層現(xiàn)象：

因為等離子體在開始時處在準電中性狀態(tài)，如果在等離子體中懸浮一個不導(dǎo)電的絕緣基板，此時等離子體中的離子與電子都會朝著這個基板運動，單位時間內(nèi)到達基板上的電子數(shù)要遠大于離子個數(shù)。到達基板的電子一部分與離子復(fù)合，還有一部分剩余，從而在基板出現(xiàn)凈負電荷積累，這樣基板表面呈負電勢。該負電勢將排斥后續(xù)電子，同時吸引正離子。直到基板負電勢達到某個值，使離子流與電子流相等時為止。由于基板呈負電勢，則在基板與等離子體交界處形成一個由正離子構(gòu)成的空間電荷層，即離子鞘層。

等離子體分類

按溫度分類：高溫等離子體和低溫等離子體。

高溫等離子體是高于10000℃的等離子體，如聚變、太陽核心。高溫等離子體中的粒子溫度T> 108-109K，粒子有足夠的能量相互碰撞，達到了核聚變反應(yīng)的條件。

低溫等離子體又分為熱等離子和冷等離子體兩種。

熱等離子體是稠密氣體在常壓或高壓下電弧放電或高頻放電而產(chǎn)生的，溫度也在上千乃至數(shù)萬開，可使分子、原子離解、電離、化合等。

冷等離子體的溫度在100-1000K之間，通常是稀薄氣體在低壓下通過激光、射頻或微波電源發(fā)輝光放電而產(chǎn)生的。

等離子體作為具有一定電離度的氣體-等離子體和普通氣體的主要區(qū)別在于組成和性質(zhì)。組成上普通氣體是由電中性的分子或原子組成，而等離子體是由帶電粒子和中性粒子組成的集合體。性質(zhì)上等離子體是一種導(dǎo)電流體，但在宏觀尺度上維持電中性，其帶電粒子間存在庫侖力，運動行為會受到磁場影響或支配。

等離子體發(fā)生

日常生活環(huán)境中因不具備等離子體產(chǎn)生的條件而使人們對等離子體感到陌生。事實上，在一些特定的環(huán)境下是能看到自然界的等離子體現(xiàn)象的，如閃電、極光等。在宇宙中，99%以上的物質(zhì)均是以等離子狀態(tài)存在的，如太陽等恒星。在實驗條件下產(chǎn)生等離子體的方法很多，大氣壓下氣體放電逐步發(fā)展起來，相比于低氣壓氣體放電，大氣壓氣體放電無需復(fù)雜的真空系統(tǒng)，使費用大大降低。目前，實驗室中常用的大氣壓氣體放電有輝光放電(glow discharge)、介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge)、電暈放電(corona discharge)、滑動弧放電(gliding arc discharge)、火花放電(spark discharge)、射頻等離子體(radio-frequency plasma)及微波等離子體(microwave plasma)。