等离子体概述

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1、、等离子体概述物质有几个状态？学过初中物理的会很快回答固态、液态、气态。其实，等离子态是物质存在的又一种聚集态，称为物质的第四态。它是由大量的自由电子和离子组成，整体上呈现电中性的电离气体。在一定条件下，物质的各态之间是可以相互转化的，当有足够的能量施予固体，使得粒子的平均动能超过粒子在晶格中的结合能，晶体被破坏，固体变成液体。若向液体施加足够的能量，使粒子的结合键破坏，液体就变成了气体。若对气体分子施加足够的能量，使电子脱离分子或原子的束缚成为自由电子，失去电子的原子成为带正电的离子时，中性气体就变成了等离子体。物质的状态对应了物质中粒子的有序程度，等离子内物质中的粒子有序程度是最差的。相应

2、的，等离子体内的粒子具有较高的能量、较高的温度。实际上，宇宙中99.9%的物质处于等离子态，它是宇宙中物质存在的普遍形式，不过地球上，等离子体多是人造的。人工如何造出等离子体呢？从上面的论述可以看出，等离子体的能量是很高的，任何物质加热到足够高的温度，都会成为电离态，形成等离子体。在太阳和恒星的内部，都存在着大量的高温产生的等离子体。太阳和恒星的热辐射和紫外辐射能使星际空间的稀薄气体产生电离，形成等离子体，如地球上空的电离层就是这样来的。各种直流、交流、脉冲放电等均可用来产生等离子体。利用激光也可以产生等离子体。等离子体如何描述？温度。等离子体有两种状态：平衡状态和非平衡状态。等离子体中的带电

3、粒子之间存在库伦力的作用，但是此作用力远小于粒子运动的热运动能。当讨论处于热平衡状态的等离子体时，常将等离子体当做理想气体处理，而忽略粒子间的相互作用。3在热平衡状态下，粒子能量服从麦克斯韦分布。每个粒子的平均动能E2kT。对于处于非平衡状态下的等离子体，一般认为不同粒子成分各自处于热平衡态，分别用T、T、T表ein示电子气、离子气和中性气体的温度，并表示各自的平均动能。可以用动力学温度T(eV)E表示等离子体的温度，T的单位是能量单位，由粒子的动能公式可得E133Emv2kTT，T就是粒子的等效能量kT值(leV的能量温度，相应的开氏222EE绝对温度为T1=11600K)k温度是描述等离子

4、体能量的，还有其它的一些概念来表述。(1)高温等离子体，低温等离子体，冷等离子体。高温等离子体也是完全电离体，温度106108K，核反应、恒星的等离子体是这类。低温等离子体是部分电离体，T104106K,T3x1033x104K，ei电弧等离子体、燃烧等离子体是这种。冷等离子体是T，104K,T约等于室温的等离子体。ei(2)电离度。强电离等离子体指电离度n10-4的等离子体，弱电离等离子体nv,当等离子体与容器壁ei相接触时，一开始到达器壁表面的电子数目远远超过离子数目，固体壁积聚负电荷，由此产生负电位阻止电子向器壁运动，而吸引离子向器壁运动，电子逐渐减少，离子逐渐增加，最后达到平衡，使固体

5、器壁的负电位数值不再改变，这样就形成了一层负电位的等离子体“鞘”。它把固体器壁与等离子体隔开，并把等离子体包围起来。电子要从等离子到达器壁，必须要克服由“鞘”所形成的势垒。“鞘”的宽度一般在拜德屏蔽长度级别。6. 等离子体的磁约束：带电粒子在恒稳磁场中的运动受到洛伦兹力作用，通过受力分析可以得到带电粒子总的运动轨迹是以磁力线为轴的螺旋线。回旋运动中心沿磁力线作匀速运动。对于高温等离子体来说，任何固体容器都难以承受，因此，必须采用强磁场约束等离子体，这是的外磁场称为“磁壁”。三、等离子体的辐射等离子体都是发光的，不仅包含可见光，还可以发出紫外光，甚至X射线。等离子体发生辐射的方式有很多种：1.

6、激发辐射。主要发生在粒子密度很低的冷等离子体中，当粒子能量小于几个电子伏时，主要产生激发辐射。常见的日光灯、霓虹灯等都是这种冷等离子体辐射。它主要是核外电子从较高能级向较低能级的跃迁。原子或离子都可以发光，主要靠的是电子的碰撞激发，电子的碰撞几率和电子的能量有关。对应于一定电子温度的某些特定能级的相应激发几率最大，产生的谱线最强。在低气压放电的冷等离子体中，粒子的激发辐射可看成是孤立原子或离子产生的辐射，谱线宽度很窄，等于谱线的自然宽度。当在高气压放电的电弧等离子体中，辐射谱线波长变短，谱线也会丰富很多。当电子温度Te达到10eV时，几乎所有的原子都电离，多电子的原子发生二次或多次电离，使核电

7、荷屏蔽减少，束缚态之间能级差更大，辐射谱线波长更短，甚至发射X射线。当温度更高时，所有的核外电子都被剥离,离子变成裸核，于是激发辐射消失。2. 复合辐射。自由电子和离子的复合有两种状况，一是自由电子被n次电离的原子俘获，俘获了电子的离子跃迁到（n-1）次电离原子的束缚态，被俘获的电子的多余能量以及原子的电离能以光子的形式发射出来；二是两个自由电子同时与一个离子相碰，则一个电子被俘获，而另一个电子带走多余能量，这个电子仍然是自由电子，并不产生辐射，随着等离子体密度的增大，这种三体复合发生的几率比复合辐射更大。需要说明的是，由于自由电子的动能有一定的连续分布，且不同能量的电子所对应的俘获截面也不同

8、，因此，自由电子被俘获后失去的能量是一个连续谱。3. 轫致辐射。在无磁场等离子体中，自由电子在原子核电场作用下产生电子-原子核库伦碰撞，使自由电子跃迁到能量较低的另一自由态。碰撞过程中，电子减速，将一部分能量或动量传递给原子核，把多余的能量以光子形式辐射出去。这种由减速电子所发射的辐射，称为轫致辐射。由于电子碰撞前后都是自由度，也称为自由-自由跃迁。由于电子的能量具有任意性，故轫致辐射产生连续光谱。一般而言，轫致辐射出现在紫外到X射线范围。4. 回旋辐射。在磁场中围绕磁力线作回旋运动的带电粒子发出的辐射，称为回旋辐射或磁轫致辐射。一般只考虑电子的回旋辐射，电子质量小，回旋加速度大，辐射强度大。它也是一种连续辐射。