词条 | 电浆态 |
释义 | 目前共发现五种"态"即:固态`液态`气态`等离子态和中子态 "态"是指的物体状态"体"字典上的意思是指形状或形态 这一两年太阳表面正处于11年周期的活跃活动,太阳表面出现了因巨量的电浆流动而产生的强大磁场和可观的喷流景象,如闪焰、日珥、黑子等现象。接着而来的是太阳风促使行星的南北两极有着壮丽的极光秀呈现。这些天文现象到底是怎么回事?这该从物质的一种奇特状态说起,这状态叫做“电浆”,宇宙间许许多多天文秀的呈现跟它都有密切的关联。 什么是电浆(Plasma)? 电浆是物质的一种状态,如同在常温下大家熟悉的水之固态、液态和气态。电浆的英文是“Plasma”(亦译为血浆,其内含红血球、白血球、血小板等),指一大群块带电的原子流体当中某小块可能带着正电荷,周遭另一小块可能带着负电荷;但巨观看来,大群块是中性的,这种状态称为“电浆”态。在地球上大气层中的电离层、霓虹灯、日光灯等内的气体状态都是电浆态。虽然在日常生活中电浆态不如物质的固、液、气三态常被见到,但其实电浆是宇宙间最常见的一种物质状态,几近99%宇宙间能见到的物质组成都呈电浆态。电浆态在太空环境中处处可见,如在行星大气层上空摇曳的极光现象、随着太阳旋转生成的太阳风、星系中恒星本身之巨大喷流现象。 电浆是怎么产生的? 电浆是由基本且细小的原子群所构成,与日常见到的物体比起来,原子显得非常细小,它们是组成物体的基本元素,也是物体化学作用反应的基本单位,约百万个原子的组成才有一个针头的大小。这些原子都是由更细小且带负电荷的电子、环绕中心为正电荷的原子核(原子核内可含有具正电荷的质子和中性的中子)所组成。当原子呈电中性时,表示原子核所带正电荷数目和外层的电子所带负电荷数目相等。 当一团电中性气体被加温或强光辐射下,使得气体内的原子游离成带正电荷的离子群和自由电子群,这团气体就呈电浆态了(因此有些人称电浆为“离子气体”)。正因为电浆是由带正电荷和带负电荷的离子所组成的流体,它的特性会和电中性的气体特性有所不同。 在太空中仍然充满作用力场的作用,如物质与物质彼此间的万有引力(简称为“重力”)的存在会使得所有的物质间都有相互吸引靠近的力量。相同地,电浆的流动会形成“电场”和“磁场”等交互作用,使得其他带电体的运动受到这些电场和磁场的电磁力的规范,形成我们所能见的壮丽天文景观。 美国科学家宣称他们可能发现了物质存在的新状态---超固态(或超固体)。如果他们的发现是正确的话,那么他们见到的则是物质的一种十分奇异的状态。该状态下的物质为一种晶体固态,但能像滑润的、无粘性的液体那样流动。 无粘性液体的行为相当独特,人们认识它已有多年,并将它们称为超流体。当容器中的超流体被搅拌后,它将永久地保持旋涡形状,这是在普通液体中无法看到的现象。此外,超流体甚至可以沿着容器的一边向上蔓延并高出容器的顶端。过去,研究人员利用氦-4和氦-3首次发现两种超流体。这两种物质的超流体行为或现象需要在冷却到接近绝对零度时才会出现。 据1月15日《自然》杂志网络版介绍,美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员永顺.金和摩西.陈表示,他们已将冷冻的氦-4成功地转变成超固体。实验中,他们将氦-4充进多孔带有狭窄通道的维克玻璃盘中,接着冷却玻璃盘并附加60多个大气压的压力。然后,将该玻璃盘进行旋转,在高于绝对零度0.175摄氏温度时,这时的氦-4应该仍然是固态,他们却发现玻璃的旋转突然开始变得轻松。对此现象的解释是固态的氦-4具有了液态的流动性,这导致旋转变得容易。也就是说氦-4这时的状态为超固态。 金和陈表示,如果不借用超固体的观点,他们很难解释他们发现的现象。然而,加拿大阿尔伯特大学研究人员约翰.比米西却认为,金和陈的宣称肯定会引起一些争议。比如,有学者可能会认为,实验中部分液态氦仍然覆盖在维克玻璃多孔的表壁并变成超流体,导致玻璃多孔盘旋转加快。但金和陈坚持认为他们的发现不像是比米西所说的这种情况。 游离电子和自由电子流体组成的物质的第四种形态。如极高温度的气体就形成电浆,其特点是粒子间有很强的电力。日光灯的光和恒星内部含有电浆。电浆物理学研究电浆的性质。其主要目的是产生可控核融合(nuclear fusion),以便最终获得能源。主要方法是用磁场保持等电浆“电浆约束”(plasma confinement)和电浆通电流、注入粒子或应用无线电波等方式加热电浆。 物理学上的电浆,是1928年由Langmuir开始说的。因为这个部分具有普通气体缺少的很有趣的性质,Langmuir因此决定用特别的名称称呼它,所以就提倡采用“电浆”(Plasma)这个名词。不久之后,在物理学上开始以此种意义广泛使用电浆这个名词。 电浆之基本原理 电浆是一团带正、负电荷之粒子所形成的气体,而且在正常状况下,正电荷之总数等于负电荷之总数。带正电荷之粒子是因为失去电子而带正电荷之气体原子或分子(气体正离子);而带负电荷之粒子主要为电子,也包括少许的气体负离子。但是电浆中也含有中性的气体原子、分子和自由基。至于整团气体粒子中,正离子(或电子)所占的比例,一般定义为“离子化程度”(Ionization Degree)。基于电浆产生的方法和维持状态(如压力、电源供应器之功率等)的不同,各种离子化程度由小于0.1 %到接近100 %都有。所有的电浆都会发光(glow),这大都是由于电浆中的激发态粒子(excited state,X*)返回基态(ground state, X)时,将其能量以光子(hν)的形式放出所造成的,此称为弛豫反应(relaxation reaction),可用下列式子来表示: RX* → RX + hν 所放出的光一般在可见光及紫外光的范围,其波长和电浆内的气体种类有密切的关系。 已知电浆是由电子、正离子、中性原子、自由基等组成的,所以,在电浆内部的反应极为繁杂,包含气体分子之激发(excitation),解离(dissociation),离子化(ionization),结合(recombination)等作用,其可能发生的反应如下表所列。 感应偶合式电浆产生原理 感应隅合式电浆(Inductively-Coupled-Plasma,ICP)之工作原理,如图二所示于线圈上加上一高频电源,当线圈上之电流改变时,由安培定律 H = J + 0(E/t) 知,可感应产生一变动磁场,并且由法拉第定律 E = - 0(H/t) 知此变动之磁场会感应一反方向之电场,此电场加速电浆中的电子而成一与线圈电流相反的二次电流。并且随着施加于线圈上之电流不断改变,而使感应出之电场也不断改变,这不断改变之电场与平板式高周波电浆一样能用来加速电子以维持电浆,所不同的是电场与电极之方向不同。在平板式高周波电浆中电子因受电场影响而运动方向垂直于电极,所以会有许多电子逃离电浆跑到电极上,使能量消耗在加热电极。而在感应隅合式电浆中,电子受感应电场之影响而运动方向与电极平行,因此不会有太多的电子损耗在电极上,故可维持线圈周围相当高之电子密度(电浆密度,plasma density)。 |
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