材料合成与制备第一章.pdf

第一章 材料气相合成与制备 第一节 等离子体化学 1.1 等离子体的概念 物质的状态是可以变化的, 在一定温度和压力条件下固 液 气三态的相互转变早已为人们所熟知 若采取某种手段, 如加热 放电等, 使气体分子离解和电离, 当电离产生的带电粒子密度达到一定数值时, 物质状态便又出现新变化, 这时的电离气体已不再是原来的气体了 首先在组成上, 电离气体与普通气体明显不同 后者是由电中性的分子或原子组成的, 前者则是带电粒 子和中性粒子组成的集合体 更重要的是在性质上, 这种电离气体与普通气体有着本质区别 首先, 它是 一种导电流体, 而又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性 其二, 气体分子间并不存在净电磁 力, 而电离气体中的带电粒子间存在库仑力, 由此导致带电粒子群的种种集体运动 再者, 作为一个带电 粒子系, 其运动行为会受到磁场的影响和支配等 因此, 这种电离气体是有别于普通气体的一种新的物质 聚集态 按聚集态的顺序 列为物质第四态 鉴于无论部分电离还是完全电离, 其中的正电荷总数和负电 荷总数在数值上总是相等的, 故称为等离子体 简而言之 等离子体就是指电离气体 它是电子 离子 原子 分子或自由基粒子组成的集合体 当然, 并非任电离气体都能算作等离子体的, 因为只要绝对温度不为零, 任何气体中总是可能有少许原 子电离的 因此 准确地说, 只有当带电粒子密度达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动时 带电粒 子才会对体系性质产生显著影响, 这样密度的电离气体才转变成等离子体 此外 等离子体的存在还有其 特征的空间和时间限度 当某电离气体存在的时间和空间尺度低于特征限度时, 它也不能算是等离体 这 些都将在本章第四节讨论 还需指出, 把电离气体视为等离子体是一种狭义的定义, 而并非等离子体的全部 广义等离子体还应包 括正电荷总数和负电荷总数相等的其它许多带电粒子系 诸如电解质溶液中的阴阳离子 金属晶格中的正 离子和电子气, 半导体中的自由电子和空穴等 也都构成等离子体 但本书只涉及电离气体等离子体 1.2 等离子体的化学特征 化学是在分子层次上研究物质变化的科学 化学变化千变万化, 究其本质都是原子或原子团的重新组 合 为使重新组合得以进行, 就要提供反应所需的活化能 然而, 按字宙的平均能量来衡量, 地球是一个 冷星球 地球上的物质多呈密集的凝聚态, 地表又覆盖着高密度的空气, 这便使一般的化学反应往往 要受 低能量 高密度 条件的制约 以致于向反应体系传递并保存高能量是相当困难的 一些需要 特大活化能的反应在技术上便很难实现 因此 化学家们总是试图寻找激活反应体系的新方式 另一方面, 化学与物理学之间是有紧密联系的 物理状态的变化, 导致这种变化的物理因素的作用, 都 有可能引起化学变化 或影响化学变化的进行 从本质上看, 分子中电子的运动 分子中原子间的相互作 用力 原于和分子的受激与电离等微观物理运动形态, 直接决定着物质的性质及化学反应能力 有鉴于此, 当物质由气态转变成等离子态时, 其化学行为必然发生变化 实际上, 从化学的角度来看, 等离子体空间富 集的离子 电子 激发态的原子 分子及自由基, 恰恰是极活泼的反应性物种 首先, 由一些简单物质, 在 无催化条件下即可得到比较复杂的生成物 例如, 由下列左端混合物经中间组获得右端生成物, 这个实验 可用来说明地球上的原始大气是怎样合成为有机物和氨基酸的) 在远古时代, 地球上的大气组成与现今不 同, 乃是高度的还原性气氛 在地表附近经常发生的低压放电现象将上述左端那样的简单气体激发到等离 子态, 再经过长时间反应终于合成出了有机物和氨基酸 这表明等离子体甚至与地球上的生命起源也有重 要关系 通常都认为氮气是不活泼的, 以致在很多场合将其作为保护性气体来使用 但是, 氮等离子体的化学行