物质的第四态（科普）

归2022-02-132024-01-14

摘要：在初中物理，我们学习了物质有三态——气态、液态、固态，但在生活中、除了有这三种物态，还有一种物态叫做等离子态，我们生活中‘高温火焰’就处于等离子态，也就是等离子体

等离子态的定义：

在物理中将物质分为了六态（气态、液态、固态、等离子态、超固态、中子态），在初中的物理中我们学习了其中的三态，也是我们生活中最常见的三态——气态、液态、固态。
等离子态说起来你可能感觉这并不常见，实则不然，在生活中等离子态可是很常见的，在探究生活中什么物质是等离子态之前，我们先看看它的定义：

物质原子内的电子在脱离原子核的吸引而形成带负电的自由电子和带正电的离子共存的状态，此时，电子和离子带的电荷相反，但数量相等，这种状态称作等离子态，同时我们将处于等离子态的物质称作等离子体。（等离子体由克鲁克斯在 1879 年发现）
等离子态常被称为超气态，它和气体有很多相似之处，没有确定形状和体积，具有流动性，但等离子也有很多独特的性质。普通气体由电中性的分子或原子组成，而等离子体则是带电粒子和中性粒子的集合体。
等离子体是一种导电流体，但是又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性；等离子体中的带电粒子之间存在库仑力；作为一个带电粒子体系，等离子体的运动行为会受到电磁场的影响和支配。一般的气体的速率会满足麦斯克韦分布，但等离子体会和电场耦合，可能会派能力麦克斯韦分布。

等离子态的形成：

我们可以通过高温或者使用紫外线、X 射线、丙种射线以及电磁场来照射气体（利用辐射形成的等离子体为非热平衡的电离），使气体发生电离，但并不是所有电离的气体都能称作是等离子体的，电离的气体其空间尺度 L 要远远大于德拜长度 D（L>>D）（德拜长度是等离子体宏观空间尺度的下限），存在时间要远远大于 P（p 为等离子气体的振荡周期是等离子体存在时间尺度的下限）
在低温的条件下气体中的正离子和负电子会再度合成一个原子，所以并不会形成等离子体。

等离子体的分类：

等离子体按照温度可分为高温等离子体和低温等离子体，低温等离子体又可以细分为热等离子和冷等离子体。
高温等离子体中的原子几乎都被电离，负电子温度与正离子温度几乎相等，这种气体处于热力学平衡状态，一般具有很高的温度。
低温等离子体中的部分原子被电离，在其中负电子的温度远远高于正离子的温度。热等离子温度较高，处于部分热力学平衡状态。冷等离子温度接近室温，处于非热力学平衡状态。

等离子体的应用：

生活中：

生活中的霓虹灯，在点亮之前，灯管里的气体需要被电离，形成等离子体，其中多余的能量会以光子的形式发射出来，这样就完成了霓虹灯的点亮。（此处不过多介绍霓虹灯的原理）
电离层是气体电离的区域，在这其中部分被电离的区域称作电离层，完全被电离的区域称作磁层，也有人将大气中被电离的区域统称为电离层，不管怎么说，电离层就是等离子体，在生活中，我们的短波通信就是依赖于电离层。
前面有提及，在高温环境下可以发生电离现象，形成等离子体，在形成等离子体以后，会发出大量热，具有很高的温度，因此我们可以用它切割金属，在工业上就有了等离子弧切割。
在高温高压的环境下，核外电子可以摆脱原子核的掌控，让两个原子核可以相互吸引且发生碰撞，这就是核聚变的过程，因此在发生核聚变的物质就处于等离子态。
因为等离子体是一个带电粒子体系，可以规避探测系统的扫描，因此在军工中可以用此制作‘隐身装备’。