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火是等离子态
火是等离子态。详解如下:
我们的地球虽然身为宇宙的一员,但在浩瀚的宇宙中却显得孤傲不群,像
一座孤独飘零的岛屿。不要说它诞生了宇宙中极为罕见的智慧生命(而这样的生
命在宇宙中其他地方却难以生存),就是它上面的物质形态特别的与众不同。地
球上司空见惯的物质三态——固态、液态、气态,在宇宙中却极为罕见,物质
第四态——等离子态,是宇宙中极多的状态。这实在是个奇怪的现象。
更有意思的是,当我们让物质不断地冷下去、冷下去„„不可思议的新物
质形态又出现了。这种在地球上只能出现于条件严格的实验室中的物质形态,
会在宇宙的某个角落随意飘荡吗?
从物质三态到第四态
石头、铁块等物体既坚硬又不易挥发,这就是作为固体物质的基本特性之
一。我们人类居住在一个绝大部分由这些固态物质组成的天地里。当然,我们
一样离不开水和空气,它们分别属于液态和气态物质中的一类,相比较而言,
这些柔软而易挥发的物质在我们生存的环境中占据的比例更大,对我们生活的
影响其实也更大:在科幻故事中,人类依然可以生活在未来水世界上,却无法
生活在全部由岩石构成的世界之中。
物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了,它们是不同温度下的状态,
由所谓的冰点和熔点决定各自产生转换的温度。100多年前,人类对物质状态
的认识基本上仅只于此。虽然亚里士多德在2000多年前就发现世界的组成除了
这三态以外还包括火,但他也不清楚火究竟是一种什么物质?其实这就是物质
的第四种状态——等离子体的一种表现形式。
如果把气体持续加热几千甚至上万度时,物质会呈现出一种什么样的状态
呢?这时,气体原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子,失去外层
电子的原子变成带电的离子,这个过程称为电离。所谓“电离”,其实就是电
子离开原子核的意思。除了加热能使原子电离(热电离)外,还可通过电子吸收
光子能量发生电离(光电离),或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原
子碰撞发生能量交换,从而使气体电离(碰撞电离)。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体(或等离子态)。等离子体的独特行为与固
态、液态、气态截然不同,因此称之为物质第四态。
等离子体的存在机理是怎样的呢?物质是由分子或者原子组成的,而分子
也是由原子组成。原子都由原子核和绕核高速运动的电子构成。原子核带正电,
电子带负电,正、负电数量相等,整个原子对外不显电性。电子之所以绕核运
动,因为它的能量不足以挣脱核的束缚力。如果不停地给物质加热,当温度升
高到数十万度甚至更高,或者用较高电压的电激,电子就能获得足够逃逸的能
量,从原子核上剥落下来,成为自由运动的电子。这就像一群下课后的学生跑
到操场上随意玩耍一样。这时物质就成为由带正电的原子核和带负电的电子组
成的一团匀浆,人们戏称它“离子浆”。这些离子浆中正负电荷总量相等,因
此又叫等离子体。
等离子体的物质密度跨度极大,从10的3次方个/立方厘米的稀薄星际等
离子体到密度为10的22次方个/立方厘米的电弧放电等离子体,跨越近20个
数量级;温度分布范围则从100K(—173.15°C)的低温到超高温核聚变等离子
体的10的8次方—10的9次方K。
等离子体在我们的宇宙中大量存在,从一根蜡烛燃起的火苗到滋生万物的
太阳,从闪烁的星星到灿烂的星系。就在我们周围,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,在地球大气层的电离层
里,在美丽的极光和流星的尾巴里,也能找到奇妙的等离子态;放眼宇宙,更
是等离子体的天下,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,像太阳这样灼热的恒星就是一团巨大的
等离子体。只有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。据印度天体物理学家沙哈的计算,宇宙中99%的物质都处于等离
子体状态,而地球上常见的物质状态在宇宙中却成为稀罕宝贝。
这是为什么呢?原来是地球演化到今日,已成为一颗冷行星。实际上,室
温下物质的电离成分完全可以忽略不计,即使温度上升到一万度,电离成分也
不过千万分之一!
等离子体的研究主要分为高温和低温等离子体两大方面。
高温等离子体中的粒子温度高达上千万以至上亿度,可以使粒子有足够的
能量互相碰撞,达到核聚变反应。氢弹就是人类历史上第一次成功应用高温等
离子体的产物。氢弹是用原子弹作为“引信”,发出高热,从而产生高温等离
子体,引发猛烈的核聚变,释放巨大的破坏
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