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奇妙的物質第四態–電漿
對一氣體持續加熱,其電子的熱運動動能就會增加,一旦電子的熱運動動能超過原子核對它的束縛,電子就成為自由電子。氣體被完全電離,就成為電漿,也稱為等離子體。
 
 
大多數恆星的內部和周圍大氣處於電漿態
▲大多數恆星的內部和周圍大氣處於電漿態

 
雖然宇宙空間充滿電漿,而且在現代工業生產中也漸漸地廣泛應用,但大多數人對「電漿」可能顯得比較生疏,或許還有幾分神秘,這主要是因為在地球表面,自然存在的電漿不多。

我們都知道,H2O是一種物質,在地球表面的常溫下,呈液態,稱之為「水」。如果溫度低於攝氏0度,它就會變成固態,叫做「冰」。如果溫度高於攝氏100度,它就會變成氣態,叫做「水蒸氣」。其實,不光是H2O,大多數物質都是這樣,溫度低時呈固態,中等溫度時呈液態,溫度高時呈氣態,這就是我們通常知道的物質存在的三種狀態。當然,這裡所說的低溫、中溫和高溫,對不同的物質是不一樣的。冰在高於攝氏0度時就會變成水,而鐵只有當溫度高於攝氏1,536.5度時才會熔化成液態。

物質是由分子組成的,一個分子可以包含一個或幾個原子。在固體物質中,分子之間的相互束縛力很強,以至於分子和分子之間的相對位置是固定的,不能隨便移動。對一固體加熱,其分子的動能增加,克服固定其位置的相互束縛能,使其間的相對位置可以改變,成為液體。分子在液體內雖然可以較自由地運動,但不能自由離開液體的表面。所以液體仍然是我們肉眼看得見,用手摸得到的凝聚體。對一液體再加熱,其分子的熱運動動能會繼續增加,而最終可以完全脫離表面的束縛,液體也就成為分子可以自由運動的氣體。

這種固、液、氣三態互變的過程稱為相變。它可以向兩個方向發展,一是對一固體繼續降溫,一是對一氣體繼續加熱。實驗結果告訴我們,前者只會引起物質性質的變化,但是,後者卻完全不同,它會使物質變成一種新的狀態–電漿態, 電漿態是物質的第四態。

如上所述,物質是由分子組成的,一個分子可以包含一個或多個原子,而一個原子則是由原子核和若干個電子組成。原子核帶正電,電子帶負電,原子呈電中性。氣態時,電子在電場束縛下圍繞原子核旋轉。如果氣體被加熱,其電子的熱運動動能就會增加。一旦電子的熱運動動能超過原子核對它的束縛,電子就成為自由電子,這種過程稱之為電離。如果氣體中的所有原子都被電離,就稱為完全電離,如果只有部分原子被電離,則稱為部分電離。被電離的原子數與總原子數之比稱為電離度。電離度為100%時,即氣體被完全電離,就成為我們上面所說的物質第四態–電漿,也稱為等離子體。這是最嚴格定義的電漿,在實際應用中,部分電離的氣體,只要滿足一定的條件,也通稱為電漿。電漿中,失去電子的原子稱為離子。

因此,產生電漿的最簡單方法就是對氣體進行加熱使其電離,即成電漿。在實驗室和工業應用中,就是先把容器抽到比較高的真空,再充入所需要的氣體,但仍保持比大氣壓低的氣壓,然後再用放電或電磁波使氣體電離。
電漿球是人造電漿的裝置(rawpixel.com, freepik)
▲電漿球是人造電漿的裝置(rawpixel.com, freepik)
在地球表面上,自然存在的電漿雖然有,比如閃電、極光等,但不多。我們接觸到的大多數是人工製造的電漿,比如日光燈、霓虹燈、火箭的尾氣、電漿電視,以及大量的實驗室和工業生產中應用的電漿系統。實際上,據估計,在宇宙中,99%以上的已知物質是處於電漿態。現代天文知識告訴我們,很多星體,比如太陽,是處於電漿態,星體周圍的大氣及星際空間也充滿了電漿。就我們地球而言,大氣層以上的電離層,太陽風等等都存在著電漿。

電漿的基本特性

電漿與固體、液體和氣體最大的不同是,後者是由中性原子組成,而前者是由帶電的離子和電子組成。原子不產生電場,運動時也不會產生磁場。在電漿中就不一樣,組成電漿的粒子(電子和離子)有自己的電場,運動時會產生磁場,也會受到電磁場的影響。結果,相距很遠的兩個粒子,不必碰撞就可發生相互作用。同時,電磁場的運動和粒子的運動強烈耦合,結果就使電漿具有集體行為。也就是說,在電漿中,雙體碰撞不起主導作用,集體行為起決定作用。這是電漿的第一個基本特性。集體行為的研究在現代物理學的發展中很重要。

要了解電漿的第一個基本特性,需要先了解電漿的第二個基本特性︰電漿具有屏蔽外加電場而保持自身為電中性的能力。如果將兩塊連到電池兩端的平板放入電漿中,則連接正極和負極的平板將分別吸引電子和離子。結果,電場只存在於平板周圍的一個厚度為德拜屏蔽長度的薄層內,而在電漿的其他部分,平板所產生的電場趨近於零。這種屏蔽效應稱為德拜屏蔽(Debye shielding)。瀕臨平板邊界數個德拜屏蔽長度厚的薄層,一般稱為鞘層。

這種德拜屏蔽效應也發生於電漿中電子對於離子電場的屏蔽。存在德拜屏蔽效應而保持近似電中性是電漿的第二個基本特性。只有當電離氣體系統的尺度遠大於德拜屏蔽長度,而且德拜屏蔽層內的帶電粒子數足夠多時,該系統才會具有電漿的第二個特性。當上述條件產生時,電漿粒子的動能遠大於雙體碰撞的平均位能,集體作用的遠距電磁場對於電漿行為起主要作用,使得電漿具有第一個基本特性。

電漿的第三個特性是每一個電漿系統都有一個固有頻率,稱為電漿頻率。一束電磁波打到電漿的表面,如果電磁波的頻率小於電漿頻率,則該電磁波就會被屏蔽在外面而進不了電漿。其道理很簡單,如果,兩塊平板之間加的不是直流電壓,而是交流電壓,則當平板上的電壓改變時,電漿中的電子會被平板吸引或排斥。如果電磁波的頻率小於電漿的頻率,則電子的反應就跟得上電壓的改變,而將電壓屏蔽在外。

在電離度非常低而密度高的電離氣體中,帶電粒子與中性分子的碰撞頻率很高,即粒子間的平均碰撞頻率大於電漿頻率,則系統的性質將由雙體碰撞決定而不由集體效應決定,這樣的系統不能稱為電漿。在電漿系統中碰撞頻率小於電漿頻率的條件需要被滿足。這是電漿的第三個基本特性。

有一類電漿,存在於磁場之中,稱為磁化電漿,由於其廣泛存在且有重要的應用前景而特別值得一提。

地球周圍有磁場存在,星際空間也有磁場存在,因此這些地方的電漿都是磁化電漿。磁化電漿與非磁化電漿的重要差別在於磁場對帶電粒子的影響。為簡單說明,讓我們考慮單個帶電粒子的運動。沒有磁場時,空間是各向同性的,帶電粒子在各個方向都可以自由運動。有磁場時,假設磁場垂直於紙面,則在沿著磁場的方向,帶電粒子可以自由運動。但是在垂直於磁場的方向,即在紙面上,帶電粒子只能做圓周運動。電荷不同的粒子,其旋轉方向相反。這種運動稱為迴旋運動,其頻率稱為迴旋頻率,迴旋半徑又稱為拉摩半徑。我們不難發現,迴旋頻率和迴旋半徑分別正比和反比於磁場強度。前者是高頻電磁波源的基本工作原理,後者是磁約束熱核融合研究的基本出發點。

電漿的應用

人類對物質第四態–電漿的認識比對其他三態要晚得多,主要是因為在地球表面的自然環境中,電漿出現的機會不是很多。但是,隨著科學技術的發展和社會的進步,人類與電漿接觸的機會越來越多,人造電漿在實驗室和工業界大量出現,人類對電漿的依賴也越來越大。電漿研究對基本物理發展很重要,同時也因被廣泛地應用而呈現出更為廣闊的前景。

氣體放電

實驗室電漿研究始於1830年代,法拉第(Michael Faraday, 1791-1867)研究氣體的輝光放電效應。對大電流真空管的需求打開了電漿應用的大門,從此電漿開始在工業生產中得到應用。直到現在,電漿還在各種與氣體放電有關的工業生產中應用。最常見的有日光燈、霓虹燈、電漿顯示器,以及其他各種的電漿光源。此外,在電漿焊接、汞整流器、引燃管、火花隙等也會用到電漿。

電磁波源

帶電粒子在磁場中要在垂直於磁場的平面上做圓周運動,它的加速度方向是垂直於本身的速度方向。有加速度的帶電粒子會輻射電磁波,只是非單一頻率,強度也弱。若將一電子束射入磁場中,因為迴旋運動有固有頻率,而且電漿強耦合產生集體效應,所以可以產生很強的單頻集體電磁輻射,成為電磁波源。

值得特別一提的是,愛因斯坦的相對論指出電子質量和其能量狀態有關。電子束中的電子在和電磁波作用時能量變化,造成迴旋頻率會隨之變化而產生群聚效應增進輻射效能,這個效應稱為迴旋梅射。當外加磁場配置改變成垂直於原來電子束的行進方向而且磁場方向交錯地改變時,電子束運動也會有另一種相似的固定頻率的週期運動,而產生單頻集體輻射效應,這就是自由電子雷射的工作原理。這樣的電磁波源具有功率高、頻率高、定向性好的特點,在科學研究和工業生產中被廣泛應用。例如,在磁約束受控核融合研究中,不同頻率的這種電磁波可用來加熱電漿,以提升溫度,從而增加核融合反應的速率。

受控核融合

隨著社會的發展,人類對能源的消耗急劇增加。在過去的半個世紀中,人類每年消耗的能量大約增加了十倍。根據這個速度,地球上的煤和石油等石化能源將會在一百年中消耗殆盡。做為下一代的能源,核能是最受重視的選擇。

核能有兩種,一種是重核(如鈾235)裂變產生的能量。這種能量以劇烈爆炸的形式釋放,就是原子彈。以可控制的、緩慢的方式釋放,就是當今的核能電廠。地球上的重核資源也非常有限,所能提供的能源,大約也只夠人類用一百年左右。更重要的是,裂變核能電廠產生的廢料有很強的放射性,半衰期又長,對環境的影響十分嚴重。

另一種核能就是輕核融合,如一個氘核與一個氚核融合,產生一個氦核(α 粒子)和一個中子,並釋放出約18百萬電子伏特的能量。氘和氚都是氫的同位素。核融合能以劇烈爆炸的形式釋放,就是氫彈,其威力比原子彈還強。核融合能以可控制的緩慢方式釋放,實驗室中現在已實現,只是尚不能達到經濟效益,仍存在著許多物理和工程難題待解決,但它正是全世界無數科學家和工程師追求的目標。如果受控核融合電廠能實現,則可以滿足人類十億年的能源需求,而且還免去了環境污染的苦惱,可以說是最終解決了人類對潔淨能源需求的問題。

一個氘核和一個氚核融合成一個較重的氦核而釋放出能量的反應率是溫度的函數,而且在絕對溫度為數億度時最大。為了實現受控核融合,我們必須將氘和氚的混合氣體加熱到接近這個溫度。在這樣的溫度之下,氣體早就被完全電離而成了電漿。因此,電漿就成了實現熱核融合的必經之路。在歷史上,電漿科學主要是因核融合的研究而推動發展的。

溫度在一億度時,不存在任何固態物質,因此進行核融合的容器就是個大問題,解決這個問題的途徑之一就是磁場。組成電漿的帶電粒子只能繞著磁場做迴旋運動,而不能在垂直於磁場的方向自由運動。如果我們能構成一個磁力線閉合的磁場位形,則電漿就會被約束在其中,這就是目前磁約束熱核融合研究環形實驗裝置的基本工作原理。

如果沒有集體效應,帶電粒子橫越磁力線的擴散係數和熱傳導係數都正比於拉摩半徑的平方,從而反比於磁場的平方。也就是說,只要磁場足夠強,則擴散係數就可以降到足以維持足夠高的密度和溫度的電漿而產生受控核融合。遺憾的是,實驗結果顯示,在磁約束電漿中,集體效應發生決定性的作用,擴散係數和熱傳導係數並不隨著磁場的增加而平方反比下降。經過將近五十年的探索,科學界對此現象有了一些初步的認識,但真正的物理機制和變化規律,至今還沒有被人類所掌握。

解決電漿約束的另一條途徑是利用慣性,也就是在一個真空容器中心的小範圍內,以某種方式產生高溫高密度電漿,並讓其在極短(十億分之一秒)的時間內發生核融合反應。由於慣性的作用,在這短的時間內,電漿中的帶電粒子還達不到容器的內表面。因此,這種途徑被稱為慣性約束。在實驗中,目前比較通用的辦法是用多束強雷射來壓縮固態氫小球,使其在很短的時間內昇華成氣體、電離並發生核融合。因此,這一途徑有時也稱為雷射核融合。慣性約束核融合也有一些科學上和技術上的問題,有待進一步探索和解決。

地球的太空環境

人類所賴以生存的地球,處於太陽風的連續轟擊之下,太陽風就是從太陽發出的帶電粒子流,也就是流動的電漿。地球周圍的磁場,即地磁層,將太陽風偏轉而使地球的表面免受輻射的傷害。地磁層在太陽風的作用下也會發生變化。同時,地球上空五十公里到十個地球半徑的空間,是充滿了低密度電漿的電離層。太陽風與地磁層的相互作用、電離層的結構、狀態等構成了地球的太空環境。他們的變化會直接或間接地影響地球表面人類的生活環境,如氣候、通訊狀況等。為了有效地監測、預報地球太空環境的變化,就必須研究和掌握太陽風和地球周圍的電漿的性質和變化規律。所以,電漿在地球太空環境的研究中有著核心且不可替代的地位。

現代天文學

大多數恆星的內部和周圍的大氣都有很高的溫度而處於電漿態,例如,太陽中心的絕對溫度約為兩千萬度。該溫度下的熱核融合反應是太陽輻射的源泉。日冕則是比較稀薄和溫度較低的電漿。星際空間則是充滿了電離的氫,即氫電漿。電漿研究已經成了現代天文學的一個重要部分。太陽的活動,比如太陽表面黑子的增加對地球氣候和人類生活的影響正日益受到社會各界,尤其是學術界的關注。要解釋觀測到的現象,掌握太陽活動的規律,就必須應用和發展現有的電漿理論。

磁流體發電和電漿推進器

磁流體發電就是讓稠密的電漿垂直通過一個磁場,由於電漿中的帶電粒子在磁場的作用下運動方向會發生偏轉,正離子會打到上面的平板而電子則打到下面的平板,結果就會在兩板之間產生電壓,這就是磁流體發電原理。

這一原理反過來的應用就成了電漿推進器,將兩塊平板接上電源,在電場的作用之下,電漿中會產生電流,該電流與磁場的相互作用會使電漿受力而被推出火箭,其反衝力就會推動火箭前進。當然往外噴的電漿的總電量必須是中性的,不然,宇宙飛船就會帶上高電壓。

環境保護

塑料製品的廣泛使用給我們的生活帶來很大方便,但是塑料垃圾很不容易腐壞,不易消毀,不好處理,因而帶來了環境的問題。有些科學技術人員就想到把塑料垃圾粉碎後拌到水泥中,這樣既可以處理垃圾,又有可能改變水泥的特性。但他們碰到的一個問題就是塑料碎片表面不夠乾淨,因而與水泥不能緊密結合。解決這一問題的途徑之一就是把塑料碎片放到有電漿的容器中,接受帶電粒子的轟擊進行淨化。實驗結果顯示,經過淨化後的塑料碎片可以與水泥結合得更為緊密。這是用電漿進行淨化,從而達到環保目的的一個例子。

另一方面,如果讓有毒的或對環境造成污染的氣體,如工廠的煙囪廢氣和汽車尾管的廢氣通過電漿,則廢氣中的有毒化學物質就會在帶電粒子的轟擊下分解成無污染的氣體而排掉,或者變成固態或液態物質而更易於回收或處理。世界各國的科學家正在從事這方面的研究,而且已經取得可觀的成果。

高科技產業

伴隨有化學反應的電漿放電,已被廣泛地用來改變材料表面的性質。對全世界若干大材料處理工業而言,電漿處理技術至關重要。對於電子產業採用的超大型積體電路的處理而言,基於電漿的表面處理是不可缺少的。這樣的加工對航空、汽車、鋼鐵和生物醫學工業也有決定性的作用。用這種技術製造出的材料和表面結構是用其他生產方式得不到的,同時,材料的表面可以用很獨特的方式加以改進。例如,在矽膜中或基質材料中可以蝕刻出寬0.2微米、深4微米的溝槽。人類頭髮的直徑是50~100微米,也就是說,在一根頭髮那麼粗的一個晶片上,就可以刻上數百個這樣的槽和線路。另外,像鑽石薄膜,太陽能電池中用的非晶體矽等獨特的材料,也可利用電漿處理生產出來。

據統計,在超大型積體電路板加工中,三分之一的工序是以電漿處理為核心。電漿在積體電路的加工中,主要用於蝕刻。其工作原理就是利用電漿在臨近邊界(即積體電路板面)處產生的鞘層電場。這樣,電漿中的正離子就在鞘層電場的加速下,轟擊積體電路板而刻出所需要的槽紋。在傳統的化學蝕刻加工過程中,工件是放到化學溶液中,化學反應在空間各方向都可能發生,因而刻出的槽,其壁成弧形,影響了積體電路的品質。電漿蝕刻中產生了垂直於積體電路板面的鞘層電場,帶電離子只在電場方向被加速,因此而刻出的槽,壁是垂直的,這就提高了積體電路的品質。

電漿在材料處理中的另一應用就是鍍膜。電漿鍍膜的基本原理就是把被鍍的工件放到要鍍上去的材料的電漿中,在一定的條件下,電漿中的離子就會沉積到工件上而形成一層薄膜。被鍍的工件可以是金屬,也可以是非金屬材料。所鍍的薄膜可以是單一元素,也可以是多元素的混合體。這樣產生的薄膜可以根據需要而有耐酸、耐鹼、抗腐蝕性等特性。

採用電漿進行離子佈植改變物質性質已在工業生產中顯現其優越性。其工作原理與鍍膜相似,不同的是,在這裡,帶正電的離子必須具有較高的能量而能穿透工件的表面並沉積到工件材料之中,而不是沉積在表面。用這種方式,可以改變工件的性質。比如用不同金屬的離子來佈植鑽頭,可以成倍地提高鑽頭的硬度和使用壽命。

軍事用途

現代戰爭離不開先進的通訊設備,電漿在先進通訊設備,包括波源、傳播、接收和訊號分析設備中都有著不可替代的作用。

現代戰爭的一個特點就是遠程攻擊。為了使遠程的武器如飛彈、戰機等,達到目標而不被對方發現,就得想辦法躲過對方的雷達。雷達的基本工作原理就是向空中發射電磁波,當電磁波碰到飛行器時,就會被反射,雷達接收到被反射的訊號,就發現了飛行器。所以,要躲過對方的雷達,方法之一就是要讓飛行器吸收或折射雷達的電磁波而不反射,這就要用到電漿。我們知道,與氣體的分子不一樣,電漿中的帶電粒子會與電磁場發生相互作用,結果是一定參數的電漿可以吸收或折射一定頻率範圍的電磁波。所以,只要想辦法在飛行器周圍產生一層參數合適的電漿,對方的雷達就探測不到飛行器。這種技術叫做隱形,目前,世界各國都在發展這方面的研究,並得到一些初步的結果。

此外,不少新武器的研製也與電漿密切相關。比如微波武器就倚賴於電漿波源,某些雷射武器也與電漿中的自由電子雷射有關,還有粒子束武器等也與電漿科學密不可分。

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