等离子体概述

一、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。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32

E kT =。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e T 、i T 、n T 表示电子气、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E T （eV ）表示等离子体的温度，E T 的单位是能量单位，由粒子的动能公式可得

2133222

E E mv kT T =

==，E T 就是粒子的等效能量kT 值（1eV 的能量温度，相应的开氏绝对温度为1T k ==11600K ）。 温度是描述等离子体能量的，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6810~10K ，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，463410~10,310~310e i T K T K ==??，电弧等离子体、燃烧等离子体是这种。冷等离子体是410,e i T K T >约等于室温的等离子体。

（2）电离度。强电离等离子体指电离度η>10-4的等离子体，弱电离等离子体η<10-4。η是电离度，0=n n n

η+，n 是两种异电荷粒子中任何一种密度，0n 为中性粒子密度。粒子密度是表示单位体积中所含粒子的数目。（3）稠密等离子体和稀薄等离子体。具体区分度不详。

二、等离子体特性

1.电中性：等离子体整体表现是电中性，但由于某种扰动或其它原因，在局部空间有可能出现离子过剩或电子的偏少，相应的，另一空间出现离子偏少和电子过剩。过剩电子的区域中的电子会有强烈的向电子偏少区域运动的特性，恢复等离子体的电荷分离，因此等离子体具有强烈的维持电中性的特性。但是粒子是处在运动中的，因此，在某一有限小的区域内，电中性是可以不存在的。

2.德拜屏蔽长度：为了描述等离子体内电荷分离的最大线性尺度，它指的是等离子体能够保持电中性的区域范围。在德拜球范围内，电中性是不保证的，即球内不能称为等离子体，只能是电离气体。因此，德拜长度是电离气体电中性空间的临界线度的判据。等离子体内带电粒子浓度越大，电子温度越低，德拜长度就越小，非电中性被限制在较小的范围内。

3.等离子体（振荡）频率：首先要知道为什么等离子体会振荡，设想等离子体内离子是均匀分布的，由于某种扰动，电子偏离平衡位置，局部出现了电荷过剩，电中性受到了破坏。显然，这些过剩的电子产生的电场，使电子向平衡位置运动，从而使电子过剩很快消失，由于惯性作用，电子到达平衡位置不可能立即静止而是继续运动，从而使平衡位置的另一端出现了电子过剩，同样形成电场，又把外面的电子拉回来。这样，相当数量的电子以正电荷为平衡位置产生集体振荡，这种振荡现象成为等离子体的静电振荡，它的频率称为等离子体频率。

8.910f =?4.导电性和介电性：等离子体能同时表现出导电性和介电性。在弱电离情况下，带电粒子主要与中性粒子碰撞，直流电导率一般较大，类似金属中电子的自由运动。如果把等离子体置于交变电场中，如电磁场，此时无界的等离子体就像各向异性的电介质，在平行和垂直于磁场传播方向上有不同的介电常数。

5.等离子体的“鞘”：当等离子体与容器壁接触时，在两者的交界处形成一层负电位的薄层，它把等离子体包围起来，通常称为等离子体的“鞘”。“鞘”是如何产生的呢？等离子体内的粒子都处于热运动状态，在等离子体热平衡状态下（即e i T T T ==），可以认为电子的平均动能和离子平均动能相同，但是由于电子质量小得多，因此e i v v >>，当等离子体与容器壁相接触时，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. 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T e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，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。