物质第四态:等离子态

物质第四态：等离子态

前言：

一般情况下,物质的形态分为呈固、液、气这三态,随着科学技术的发展,人们发现了物质第四态：等离子态！第四态等离子态的发现时间是1879年，发现之后已经应用于多个领域。现在已经应用于机械加工、化工、冶金、发电、作物育种等领域，显示了它的独特魅力。

第四态
在超高温或超高压下,物质分子、原子甚至原子核的稳定性遭到破坏,形成新的聚集态——等离子态和超固态。

等离子态。当气体温度升到几千度或在高强射线作用下,气体原子中的电子开始脱离原子核的束缚,呈游离状态。温度升到几百万度时,气体就成为自由电子和完全赤裸的原子核的混和物,处于高度电离状态。由于电子和离子带有等值异号的电荷,故系统还是呈中性,这种状态称为等离子态。与普通气体相比,它能传导电流,且导电率很高。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，这种状态称做等离子态，亦称为第四态。

等离子态是怎么来的
我们知道物质有三种存在状态：固态、液态和气态。其实物质还有第四种状态，那就是等离子态（plasma）。它是由英国皇家学会会员化学家兼物理学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）在1879年发现，而“Plasma”这个词最早由朗廖尔（Longmuir）在1928年采用。

第四态简介
等离子态是指物质原子内的电子在高温下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。由于此时物质正、负电荷总数仍然相等，因此叫做等离子态（又叫等离子体）。

第四态具体内容

宏观物质在一定的压力下随温度升高由固态变成液态，再变为气态(有的直接变成气态)。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，[1] 便开始彼此分离。分子受热时分裂成原子状态的过程称为离解；若进一步提高温度，原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子。失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程称电离。发生电离（无论是部分电离还是完全电离）的气体称之为等离子态。等离子态是由带正、负电荷的粒子组成的气体，由于正负电荷总数相等，故等离子态的净电荷等于零。通常把电离度小于0.1%的气体称弱电离气体，也称低温等离子态。电离度大于0.1%的称为强电离等离子态，也称高温等离子态。
等离子态和气体有很多相似之处，比如，没有确定的形状和体积，具有流动性。但等离子态也有很多独特的性质，等离子态和普通气体的最大区别就是它是一种电离气体。由于存在带负电的自由电子和带正电的离子，有很高的电导率；和电磁场的耦合作用也极强：带电粒子可以同电场耦合，带电粒子流可以和磁场耦合，因此它的运动明显受到电磁场的影响，所以描述等离子态要用到电动力学、磁流体动力学等。

如果对气体持续加热，加热到一定温度，气体中的分子分解为原子并发生电离，就形成了由离子、电子和中性粒子组成的气体，这种状态称为等离子体。等离子体通常被视为物质除固态、液态、气态之外存在的第四种形态。等离子体与气体的性质差异很大。

电离等离子体和普通气体的最大区别是它是一种电离气体。由于存在带负电的自由电子和带正电的离子，是很好的导体，有很高的电导率。组成粒子和一般气体不同的是，等离子体包含两到三种不同组成粒子：自由电子，带正电的离子和未电离的原子。轻度电离的等离子体，离子温度一般远低于电子温度，称之为“低温等离子体”。高度电离的等离子体，离子温度和电子温度都很高，称为“高温等离子体”。相比于一般气体，等离子体组成粒子间的相互作用也大很多。

等离子体机械加工

利用等离子体喷枪产生的高温高速射流，可进行焊接、堆焊、喷涂、切割、加热切削等机械加工。等离子弧焊接比钨极氩弧焊接快得多。1965年问世的微等离子弧焊接，火炬尺寸只有2～3毫米，可用于加工十分细小的工件。等离子弧堆焊可在部件上堆焊耐磨、耐腐蚀、耐高温的合金，用来加工各种特殊阀门、钻头、刀具、模具和机轴等。利用电弧等离子体的高温和强喷射力，还能把金属或非金属喷涂在工件表面，以提高工件的耐磨、耐腐蚀 ；、耐高温氧化、抗震等性能。等离子体切割是用电弧等离子体将被切割的金属迅速局部加热到熔化状态，同时用高速气流将已熔金属吹掉而形成狭窄的切口。等离子体加热切削是在刀具前适当设置一等离子体弧，让金属在切削前受热，改变加工材料的机械性能，使之易于切削。这种方法比常规切削方法提高工效5～20倍。

等离子体化工

利用等离子体的高温或其中的活性粒子和辐射来促成某些化学反应，以获取新的物质。如用电弧等离子体制备氮化硼超细粉，用高频等离子体制备二氧化钛（钛白）粉等。

等离子体冶金

从20世纪60年代开始，人们利用热等离子体熔化和精炼金属，现在等离子体电弧熔炼炉已广泛用于熔化耐高温合金和炼制高级合金钢；还可用来促进化学反应以及从矿物中提取所需产物。

等离子体表面处理

用冷等离子体处理金属或非金属固体表面，可显著改变固体的表面性能。如在光学透镜表面沉积10微米的有机硅单体薄膜，可改善透镜的抗划痕性能和反射指数；用冷等离子体处理聚酯织物，可改变其表面浸润性。这一技术还常用于金属固体表面的清洗和刻蚀。

等离子发电

燃烧产生的等离子体还用于磁流体发电。

等离子体推进

上世纪70年代以来，人们利用电离气体中电流和磁场的相互作用力使气体高速喷射而产生的推力，制造出磁等离子体动力推进器和脉冲等离子体推进器。它们的比冲（火箭排气速度与重力加速度之比）比化学燃料推进器高得多，已成为航天技术中较为理想的推进方法。

第四态宇宙中的等离子态
在茫茫无际的宇宙空间里，等离子态是一种普遍存在的状态，如下图所示是由等离子态聚集而在各处形成的星系。宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高，这 些星球内部的物质差不多都处于等离子态。只有在那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。目前观测到的宇宙物质中，等离子态占到99%。

第四态日常应用
就在我们周围，也经常看到等离子态的物质。在日光灯和霓虹灯的灯管里，在眩目的白炽电弧里，都能找到它的踪迹。另外，在地球周围的电离层里，在美丽的极光、大气中的闪光放电和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等离子态。
等离子态在工业上的应用具有十分广阔的前景。高温等离子态的重要应用是受控核聚变。低温等离子态用于切割、焊接和喷涂以及制造各种新型的电光源与显示器等。等离子彩电PDP（Plasma Display Panel）就是等离子态在工业上的具体应用。它是在两张薄玻璃板之间充填混合气体，施加电压使之产生离子气体，然后使等离子气体放电，与基板中的荧光体发生反应，产生彩色影像。等离子彩电不受磁力和磁场影响，具有机身纤薄、重量轻、屏幕大、色彩鲜艳、画面清晰、亮度高、失真度小、节省空间等优点，因此又叫“壁挂式电视”。

第四态常见的等离子体
人造的等离子体
荧光灯，霓虹灯灯管中的电离气体
核聚变实验中的高温电离气体
电焊时产生的高温电弧
地球上的等离子体
火焰（上部的高温部分）
闪电
大气层中的电离层
极光
宇宙空间中的等离子体
恒星
太阳风
行星际物质
恒星际物质
星云
积层云火花

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