基本介紹
- 中文名：電漿體
- 外文名：Plasma
- 又叫：電漿
- 分類：高溫和低溫電漿
基本概述,電漿,構成,發展史,離子效應,主要套用,
基本概述
據印度天體物理學家沙哈(M·Saha，1893-1956)的計算，宇宙中的99.9%的物質處於等離子狀態。
低溫電漿廣泛運用於多種領域。例如：等離子電視。
電漿和普通氣體性質不同，普通氣體由分子構成，分子之間相互作用力是短程力，僅當分子碰撞時，分子之間的相互作用力才有明顯效果，理論上用分子運動論描述。在電漿中，帶電粒子之間的庫侖力是長程力，庫侖力的作用效果遠遠超過帶電粒子可能發生的局部短程碰撞效果，電漿中的帶電粒子運動時，能引起正電荷或負電荷局部集中，產生電場；電荷定向運動引起電流，產生磁場．電場和磁場要影響其他帶電粒子的運動，並伴隨著極強的熱輻射和熱傳導；電漿能被磁場約束作迴旋運動等．電漿的這些特性使它區別於普通氣體被稱為物質的第四態。地球上空的電離層也是電漿，它會影響無線電波的傳播，微波的電離層反射效應就源於此。
Plasma，在中國台灣譯作電漿體，在中國大陸譯作電漿。
電漿
等離子體(plasma)又叫做電漿，是由部分電子被剝奪後的原子及原子團被電離後產生的正負離子組成的離子化氣體狀物質，尺度大於德拜長度的巨觀電中性電離氣體，其運動主要受電磁力支配，並表現出顯著的集體行為。它廣泛存在於宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四態。電漿是一種很好的導電體，利用經過巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速電漿。電漿物理的發展為材料、能源、信息、環境空間、空間物理、地球物理等科學的進一步發展提供了新的技術和工藝。
電漿是不同於固體、液體和氣體的物質第四態。物質由分子構成，分子由原子構成，原子由帶正電的原子核和圍繞它的、帶負電的電子構成。當被加熱到足夠高的溫度或其他原因，外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，就像下課後的學生跑到操場上隨意玩耍一樣。電子離開原子核，這個過程就叫做“電離”。這時，物質就變成了由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的、一團均勻的“漿糊”，因此人們戲稱它為離子漿，這些離子漿中正負電荷總量相等，因此它是近似電中性的，所以就叫電漿。
構成
看似“神秘”的電漿，其實是宇宙中一種常見的物質，在太陽、恆星、閃電中都存在電漿，它占了整個宇宙的99%。21世紀人們已經掌握和利用電場和磁場產生來控制電漿。最常見的電漿是高溫電離氣體，如電弧、霓虹燈和日光燈中的發光氣體，又如閃電、極光等。金屬中的電子氣和半導體中的載流子以及電解質溶液也可以看作是電漿。在地球上，電漿物質遠比固體、液體、氣體物質少。在宇宙中，電漿是物質存在的主要形式，占宇宙中物質總量的99%以上，如恆星(包括太陽)、星際物質以及地球周圍的電離層等，都是電漿。為了研究電漿的產生和性質以闡明自然界電漿的運動規律並利用它為人類服務，在天體物理、空間物理、特別是核聚變研究的推動下，近三、四十年來形成了磁流體力學和電漿動力學。
電漿由離子、電子以及未電離的中性粒子的集合組成，整體呈中性的物質狀態。電漿可分為兩種：高溫和低溫電漿。電漿溫度分別用電子溫度和離子溫度表示，兩者相等稱為高溫電漿；不相等則稱低溫電漿。低溫電漿廣泛運用於多種
電漿發生器
高溫電漿只有在溫度足夠高時發生的。恆星不斷地發出這種電漿，組成了宇宙的99%。低溫電漿是在常溫下發生的電漿（雖然電子的溫度很高）。低溫電漿可以被用於氧化、變性等表面處理或者在有機物和無機物上進行沉澱塗層處理。
電漿（Plasma）是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質形態，廣泛存在於宇宙中，常被視為是物質的第四態，被稱為等離子態，或者“超氣態”，也稱“電漿體”。電漿具有很高的電導率，與電磁場存在極強的耦合作用。電漿是由克魯克斯在1879年發現的，1928年美國科學家歐文·朗繆爾和湯克斯（Tonks）首次將“電漿”（plasma）一詞引入物理學，
用來描述氣體放電管里的物質形態[1]。嚴格來說，電漿是具有高位能動能的氣體團，電漿的總帶電量仍是中性，藉由電場或磁場的高動能將外層的電子擊出，結果電子已不再被束縛於原子核，而成為高位能高動能的自由電子。
電漿是物質的第四態，即電離了的“氣體”，它呈現出高度激發的不穩定態，其中包括離子(具有不同符號和電荷)、電子、原子和分子。其實，人們對電漿現象並不生疏。在自然界里，熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃電、以及絢爛壯麗的極光等都是電漿作用的結果。對於整個宇宙來講，幾乎99．9%以上的物質都是以電漿態存在的，如恆星和行星際空間等都是由電漿組成的。用人工方法，如核聚變、核裂變、輝光放電及各种放電都可產生電漿。分子或原子的內部結構主要由電子和原子核組成。在通常情況下，即上述物質前三種形態，電子與核之間的關係比較固定，即電子以不同的能級存在於核場的周圍，其勢能或動能不大。
普通氣體溫度升高時，氣體粒子的熱運動加劇，使粒子之間發生強烈碰撞，大量原子或分子中的電子被撞掉，當溫度高達百萬開到1億開，所有氣體原子全部電離。電離出的自由電子總的負電量與正離子總的正電量相等。這種高度電離的、巨觀上呈中性的氣體叫電漿。
電漿和普通氣體性質不同，普通氣體由分子構成，分子之間相互作用力是短程力，僅當分子碰撞時，分子之間的相互作用力才有明顯效果，理論上用分子運動論描述。在電漿中，帶電粒子之間的庫侖力是長程力，庫侖力的作用效果遠遠超過帶電粒子可能發生的局部短程碰撞效果，電漿中的帶電粒子運動時，能引起正電荷或負電荷局部集中，產生電場；電荷定向運動引起電流，產生磁場。電場和磁場要影響其他帶電粒子的運動，並伴隨著極強的熱輻射和熱傳導；電漿能被磁場約束作迴旋運動等。電漿的這些特性使它區別於普通氣體被稱為物質的第四態。
發展史
19世紀以來對氣體放電的研究;19世紀中葉開始天體物理學及20世紀對空間物理學的研究；1950年前後開始對受控熱核聚變的研究；以及低溫電漿技術套用的研究，從四個方面推動了這門學科的發展。
19世紀30年代英國的M.法拉第以及其後的J.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現象，這實際上是電漿實驗研究的起步時期。1879年英國的W.克魯克斯採用“物質第四態”這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。美國的I.朗繆爾在1928年首先引入電漿這個名詞，電漿物理學才正式問世。1929年美國的L.湯克斯和朗繆爾指出了電漿中電子密度的疏密波（即朗繆爾波）。
對空間電漿的探索，也在20世紀初開始。1902年英國的O.亥維賽等為了解釋無線電波可以遠距離傳播的現象，推測地球上空存在著能反射電磁波的電離層。這個假說為英國的E.V.阿普頓用實驗證實。英國的D.R.哈特里(1931)和阿普頓(1932)提出了電離層的折射率公式，並得到磁化電漿的色散方程。1941年英國的S.查普曼和V.C.A.費拉羅認為太陽會發射出高速帶電粒子流，粒子流會把地磁場包圍，並使它受壓縮而變形。
從20世紀30年代起，磁流體力學及電漿動力論逐步形成。電漿的速度分布函式服從福克－普朗克方程。蘇聯的Л.Д.朗道在1936年給出方程中由於電漿中的粒子碰撞而造成的碰撞項的碰撞積分形式。1938年蘇聯的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即棄去碰撞項的無碰撞方程。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出，標誌著動力論的發端。
1942年瑞典的H.阿爾文指出，當理想導電流體處在磁場中，會產生沿磁力線傳播的橫波(即阿爾文波)。印度的S.錢德拉塞卡在1942年提出用試探粒子模型來研究弛豫過程。1946年朗道證明當朗繆爾波傳播時，共振電子會吸收波的能量造成波衰減，這稱為朗道阻尼。朗道的這個理論，開創了電漿中波和粒子相互作用和微觀不穩定性這些新的研究領域。
從1935年延續至1952年，蘇聯的H.H.博戈留博夫、英國的M.玻恩等從劉維定理出發，得到了不封閉的方程組系列，名為BBGKY鏈。由它可導出符拉索夫方程等,這給電漿動力論奠定了理論基礎。
1950年以後，因為英、美、蘇等國開始大力研究受控熱核反應，促使電漿物理蓬勃發展。熱核反應的概念最早出現於1929年，當時英國的阿特金森和奧地利的豪特曼斯提出構想，太陽內部氫元素的核之間的熱核反應所釋放的能量是太陽能的來源，這是天然的自控熱核反應。1957年英國的J.D.勞孫提出受控熱核反應實現能量增益的條件，即勞孫判據。
50年代以來已建成了一批受控聚變的實驗裝置，如美國的仿星器和磁鏡以及蘇聯的托卡馬克，這三種是磁約束熱核聚變實驗裝置。60年代後又建立一批慣性約束聚變實驗裝置。
環狀磁約束電漿的平衡問題由蘇聯的V.D.沙弗拉諾夫等解決。美國的M.克魯斯卡和沙弗拉諾夫導出了最重要的一種電漿不穩定性，即扭曲不穩定性的判據。1958年美國的I.B.伯恩斯坦等提出分析巨觀不穩定性的能量原理。處在環狀磁場中的電漿的輸運係數首先由聯邦德國的D.普菲爾施等作了研究(1962)，他們給出在密度較大區的擴散係數，蘇聯的A.A.加列耶夫等給出了密度較小區的擴散系散(1967)，這一理論適用於托卡馬克這類環狀磁約束電漿中的輸運過程被命名為新經典理論。
自從蘇聯在1957年發射了第一顆人造衛星以後，很多國家陸續發射了科學衛星和空間實驗室，獲得很多觀測和實驗數據，這極大地推動天體和空間電漿物理學的發展。1959年美國的J.A.范艾倫預言地球上空存在著強輻射帶，這一預言為日後的實驗證實，即稱為范艾倫帶。1958年美國的E.N.帕克提出了太陽風模型。1974年美國的D.A.格內特根據衛星資料，認證出地球是一顆輻射星體，為長波輻射和熱紅外輻射[3]。地球輻射的輻射源是地球，其波長範圍約為4～120微米，為長波輻射[3]。輻射能量的99%集中在3微米以上的波長範圍內[3]。地球輻射的最強波長約為9．7微米[3]。
在此期間，一些低溫電漿技術也在以往氣體放電和電弧技術的基礎上，進一步得到套用與推廣，如電漿切割、焊接、噴鍍、磁流體發電，電漿化工，電漿冶金，以及火箭的離子推進等，都推動了對非完全電離的低溫電漿性質的研究。
經過30年的發展，電漿所在高溫電漿物理實驗及核聚變工程技術研究方面中國科學院電漿物理研究所處於國際先進水平，形成了廣泛的國際交流與合作，與歐、美、日、俄、澳等近三十個國家和地區建立了穩定合作交流關係，開展多個國際合作項目，成為“第三世界科學院開放實驗室”和“世界實驗室聚變研究中心”，是國際受控熱核聚變計畫ITER中國工作組的重要單位之一。
離子效應
電離層由大氣的球面組成，其中帶有已經被太陽輻射而電離的離子，這就是電漿區，形成不同離子密度的層D、E、F1、F2。在太空飛行器重返大氣時，由於摩擦產生的高溫在器表面形成了很濃密的電漿，這些電子密度足夠高時，會致使電漿頻率非常高（一般為8MHz），因此地面和太空飛行器的通信被阻斷，直到它的速度降下來才恢復通信。
主要套用
當光打在金屬表面時，二維光或是電漿就會被激發。電漿可以被看作是光子和電子的連線。
可以建立一個混合原則，由光轉變成的電漿在金屬表面傳播時（該電漿的波長比原始光波的波長小的多）；電漿能被二維光學儀器（鏡子、波導、透鏡等）處理，電漿能再次轉變成光或者電信號。
電漿感測器和癌症治療儀：NaomiHalas描述了電漿怎樣激發小金屬層表面的，米粒形狀的粒子能量很大，做光譜學試驗的光是微分子數量級。
電漿
電漿顯微鏡：IgorSmolyaninov報導稱他和他的同事能夠拍下來空間解析度在60nm的物體（如果是實用材料，解析度能達到30nm），而用雷射激發只能達到515nm。換句話說，用這種解析度製造的顯微鏡會比平常使用的衍射方法好的多；而且，這更是遠場顯微鏡――光源不用放在少於光波長的範圍內。巨大光極化和光傳輸：GennadyShvets報導當表面的聲子被光激發來製造超稜鏡（用平板材料透鏡化）顯微鏡是紅外線光顯微鏡波長的二十分之一。他和他的同事能拍下樣品表面下的特徵，他們稱為“巨大的光傳輸”，照射到表面的光比一般光的波長小的多。
電路能夠接收廣播（1010Hz）或者是微波（1012Hz）的頻率，而該電路卻能達到光頻率（1015Hz）。這就能實現小型化以及用納米天線探測光信號的過程，納米波導，納米感測器，並且還有可能實現納米計算機，納米存儲，納米信號和光分子接口。
電漿主要用於以下3方面。
