等離子態

人們常年看到的閃電、流星以及熒光燈點亮時、火焰燃燒（只有部分高温火焰才是真正的等離子體,其他大部分日常生活中見到的火焰，都是激發態的氣體分子）時，它們都是處於等離子態 ^[2]  。人類可以利用它放出大量能量產生的高温，切割金屬、製造半導體元件、進行特殊的化學反應。在茫茫無際的宇宙空間裏，等離子態是一種普遍存在的狀態。宇宙中大部分發光的星球內部温度和壓力都很高，這些星球內部的物質差不多都處於等離子態。只有那些昏暗的行星和分散的星際物質裏才可以找到固態、液態和氣態的物質。

等離子態是由等量的帶負電的電子和帶正電的離子組成，我們通常稱處於等離子態的物質為等離子體。等離子體在宇宙中廣泛存在。用人工方式也可以產生等離子體，如霓虹燈放電、原子核聚變、紫外線和X射線照射氣體，都可以產生等離子體。

等離子體在工業、農業和軍事上都有廣泛的用途，如利用等離子弧進行切割、焊接、噴塗、利用等離子體制造各種新穎的光源和顯示器等。如果利用這種顯示器製造電視，那麼電視機可以像畫一樣掛在牆上。用等離子體技術處理高分子材料，包括塑料和紡織物，既能改變材料的表面性質，又能保留原材料的優異性能，而且無污染。在軍事上可以利用等離子體來規避探測系統，用於飛機等武器裝備的隱形。

（等離子態，電漿，英文：Plasma）大家常見的霓虹燈，在它點亮以後，燈管裏的氣體就被電離了，成為電子與離子的混合物——等離子體。極光，是我們看見的大自然裏的等離子體。人們把大氣圈分為對流層、平流層、中間層、電離層和散逸層，這電離層就是等離子體。電離層能反射短波無線電波，使它能傳播到地球上很遠的地方。由於存在電離出來的自由電子和帶電離子，等離子體具有很高的電導率，與電磁場存在極強的耦合作用。等離子態在宇宙中廣泛存在，常被看作物質的第四態（也稱之為超氣態） ^[3]  。等離子體由克魯克斯在1879年發現，“Plasma"這個詞，由朗廖爾在1928年最早採用。

等離子態常被稱為超氣態，它和氣體有很多相似之處，比如，沒有確定形狀和體積，具有流動性，但等離子也有很多獨特的性質。普通氣體由電中性的分子或原子組成，而等離子體則是帶電粒子和中性粒子的集合體。等離子體和普通氣體在性質上更是存在本質的區別。

首先，等離子體是一種導電流體，但是又能在與氣體體積相比擬的宏觀尺度內維持電中性；

其次，氣體分子間不存在淨電磁力，而等離子體中的帶電粒子之間存在庫侖力；

再者，作為一個帶電粒子體系，等離子體的運動行為會受到電磁場的影響和支配。

因此，等離子體是完全不同於普通氣體的一種新的物質聚集態。 應當指出，並非任何的電離氣體都是等離子體。眾所周知，只要絕對温度不為零，任何氣體中總存在有少量的分子和原子電離。嚴格地説來，只有當帶電粒子的密度足夠大，能夠達到其建立的空間電荷足以限制其自身運動時，帶電粒子才會對體系性質產生顯著的影響，換言之，這樣密度的電離氣體才能夠轉變成等離子體。除此之外，等離子體的存在還有其特徵的空間和時間限度，如果電離氣體的空間尺度L不滿足等離子體存在的空間條件L>>D（德拜長度D為等離子體宏觀空間尺度的下限）的空間限制條件，或者電離氣體的存在的時間不滿足>>p（等離子體的振盪週期p為等離子體存在的時間尺度的下限）時間限制條件，這樣的電離氣體都不能算作等離子體。

等離子體和普通氣體的最大區別是它是一種電離氣體。由於存在帶負電的自由電子和帶正電的離子，有很高的電導率，和電磁場的耦合作用也極強，帶電粒子可以同電場耦合，帶電粒子流可以和磁場耦合。描述等離子體要用到電動力學，並因此發展起來一門叫做磁流體動力學的理論。

組成粒子和一般氣體不同的是，等離子體包含兩到三種不同組成粒子，自由電子，帶正電的離子和未電離的原子。這使得我們針對不同的組成定義不同的温度，電子温度和離子温度。輕度電離的等離子體，離子温度一般遠低於電子温度，稱之為低温等離子體。高度電離的等離子體，離子温度和電子温度都很高，稱為高温等離子體。對於理想等離子體，離子之間的相互作用可以忽略，其狀態方程較簡單，已趨於完善。在超高温下，原子完全電離，離子和電子都可以採用理想氣體狀態方程描述；當温度不太高時，離子部分電離，可以採用Saha方程及其修正模型描述；原子在高度壓縮狀態下，其狀態方程可以採用Thomas-Fermi模型及其改進模型得到。對於非理想等離子體，離子之間存在強耦合，還沒有單一的理論模型能夠在任意密度和温度範圍內，對離子之間的相互作用進行統一描述 ^[4]  。

氣體電離的機制有很多種不同的方法，當氣體加熱到數千攝氏度時，氣體中分子間的碰撞，就會是其中一部分分子或原子發生電離現象，並且電離度會隨温度的升高而迅速增大，這種電離被稱為熱電離或熱平衡電離。除了用高温的方法使物質電離以外，還能用紫外線、X射線、丙種射線以及電磁場來照射氣體，這樣也可以使氣體發生電離，從而轉變成等離子態。只是在這種情況下，等離子體中的各種離子之間通常不能達到熱平衡，是一種非熱平衡的電離。

相比於一般氣體，等離子體組成粒子間的相互作用也大很多。

一般氣體的速率分佈滿足麥克斯韋分佈，但等離子體由於與電場的耦合，可能偏離麥克斯韋分佈。