等離子體概述

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)一、等離子體概述物質(zhì)有幾個(gè)狀態(tài)？學(xué)過初中物理的會(huì)很快回答固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。其實(shí)，等離子態(tài)是物質(zhì)存在的又一種聚集態(tài)，稱為物質(zhì)的第四態(tài)。它是由大量的自由電子和離子組成，整體上呈現(xiàn)電中性的電離氣體。在一定條件下，物質(zhì)的各態(tài)之間是可以相互轉(zhuǎn)化的，當(dāng)有足夠的能量施予固體，使得粒子的平均動(dòng)能超過粒子在晶格中的結(jié)合能，晶體被破壞，固體變成液體。若向液體施加足夠的能量，使粒子的結(jié)合鍵破壞，液體就變成了氣體。若對氣體分子施加足夠的能量，使電子脫離分子或原子的束縛成為自由電子，失去電子的原子成為帶正電的離子時(shí)，中性氣體就變成了等離子體。物質(zhì)的狀態(tài)對應(yīng)了物質(zhì)中粒子的有序程度，等離子內(nèi)物質(zhì)中的粒子有序程度是最差的。相應(yīng)的，等離子體內(nèi)的粒子具有較高的能量、較高的溫度。實(shí)際上，宇宙中99.9%的物質(zhì)處于等離子態(tài)，它是宇宙中物質(zhì)存在的普遍形式，不過地球上，等離子體多是人造的。人工如何造出等離子體呢？從上面的論述可以看出，等離子體的能量是很高的，任何物質(zhì)加熱到足夠高的溫度，都會(huì)成為電離態(tài)，形成等離子體。在太陽和恒星的內(nèi)部，都存在著大量的高溫產(chǎn)生的等離子體。太陽和恒星的熱輻射和紫外輻射能使星際空間的稀薄氣體產(chǎn)生電離，形成等離子體，如地球上空的電離層就是這樣來的。各種直流、交流、脈沖放電等均可用來產(chǎn)生等離子體。利用激光也可以產(chǎn)生等離子體。等離子體如何描述？溫度。等離子體有兩種狀態(tài)：平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)。等離子體中的帶電粒子之間存在庫倫力的作用，但是此作用力遠(yuǎn)小于粒子運(yùn)動(dòng)的熱運(yùn)動(dòng)能。當(dāng)討論處于熱平衡狀態(tài)的等離子體時(shí)，常將等離子體當(dāng)做理想氣體處理，而忽略粒子間的相互作用。在熱平衡狀態(tài)下，粒子能量服從麥克斯韋分布。每個(gè)粒子的平均動(dòng)能。對于處于非平衡狀態(tài)下的等離子體，一般認(rèn)為不同粒子成分各自處于熱平衡態(tài)，分別用、、表示電子氣、離子氣和中性氣體的溫度，并表示各自的平均動(dòng)能。可以用動(dòng)力學(xué)溫度（eV）表示等離子體的溫度，的單位是能量單位，由粒子的動(dòng)能公式可得，就是粒子的等效能量值（1eV的能量溫度，相應(yīng)的開氏絕對溫度為=11600K）。溫度是描述等離子體能量的，還有其它的一些概念來表述。（1）高溫等離子體，低溫等離子體，冷等離子體。高溫等離子體也是完全電離體，溫度，核反應(yīng)、恒星的等離子體是這類。低溫等離子體是部分電離體，，電弧等離子體、燃燒等離子體是這種。冷等離子體是約等于室溫的等離子體。（2）電離度。強(qiáng)電離等離子體指電離度η>10-4的等離子體，弱電離等離子體η<10-4。η是電離度，，n是兩種異電荷粒子中任何一種密度，為中性粒子密度。粒子密度是表示單位體積中所含粒子的數(shù)目。（3）稠密等離子體和稀薄等離子體。具體區(qū)分度不詳。二、等離子體特性1.電中性：等離子體整體表現(xiàn)是電中性，但由于某種擾動(dòng)或其它原因，在局部空間有可能出現(xiàn)離子過?；螂娮拥钠伲鄳?yīng)的，另一空間出現(xiàn)離子偏少和電子過剩。過剩電子的區(qū)域中的電子會(huì)有強(qiáng)烈的向電子偏少區(qū)域運(yùn)動(dòng)的特性，恢復(fù)等離子體的電荷分離，因此等離子體具有強(qiáng)烈的維持電中性的特性。但是粒子是處在運(yùn)動(dòng)中的，因此，在某一有限小的區(qū)域內(nèi)，電中性是可以不存在的。2.德拜屏蔽長度：為了描述等離子體內(nèi)電荷分離的最大線性尺度，它指的是等離子體能夠保持電中性的區(qū)域范圍。在德拜球范圍內(nèi)，電中性是不保證的，即球內(nèi)不能稱為等離子體，只能是電離氣體。因此，德拜長度是電離氣體電中性空間的臨界線度的判據(jù)。等離子體內(nèi)帶電粒子濃度越大，電子溫度越低，德拜長度就越小，非電中性被限制在較小的范圍內(nèi)。3.等離子體（振蕩）頻率：首先要知道為什么等離子體會(huì)振蕩，設(shè)想等離子體內(nèi)離子是均勻分布的，由于某種擾動(dòng)，電子偏離平衡位置，局部出現(xiàn)了電荷過剩，電中性受到了破壞。顯然，這些過剩的電子產(chǎn)生的電場，使電子向平衡位置運(yùn)動(dòng)，從而使電子過剩很快消失，由于慣性作用，電子到達(dá)平衡位置不可能立即靜止而是繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而使平衡位置的另一端出現(xiàn)了電子過剩，同樣形成電場，又把外面的電子拉回來。這樣，相當(dāng)數(shù)量的電子以正電荷為平衡位置產(chǎn)生集體振蕩，這種振蕩現(xiàn)象成為等離子體的靜電振蕩，它的頻率稱為等離子體頻率。4.導(dǎo)電性和介電性：等離子體能同時(shí)表現(xiàn)出導(dǎo)電性和介電性。在弱電離情況下，帶電粒子主要與中性粒子碰撞，直流電導(dǎo)率一般較大，類似金屬中電子的自由運(yùn)動(dòng)。如果把等離子體置于交變電場中，如電磁場，此時(shí)無界的等離子體就像各向異性的電介質(zhì)，在平行和垂直于磁場傳播方向上有不同的介電常數(shù)。5.等離子體的“鞘”：當(dāng)?shù)入x子體與容器壁接觸時(shí)，在兩者的交界處形成一層負(fù)電位的薄層，它把等離子體包圍起來，通常稱為等離子體的“鞘”?！扒省笔侨绾萎a(chǎn)生的呢？等離子體內(nèi)的粒子都處于熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在等離子體熱平衡狀態(tài)下（即），可以認(rèn)為電子的平均動(dòng)能和離子平均動(dòng)能相同，但是由于電子質(zhì)量小得多，因此，當(dāng)?shù)入x子體與容器壁相接觸時(shí)，一開始到達(dá)器壁表面的電子數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過離子數(shù)目，固體壁積聚負(fù)電荷，由此產(chǎn)生負(fù)電位阻止電子向器壁運(yùn)動(dòng)，而吸引離子向器壁運(yùn)動(dòng)，電子逐漸減少，離子逐漸增加，最后達(dá)到平衡，使固體器壁的負(fù)電位數(shù)值不再改變，這樣就形成了一層負(fù)電位的等離子體“鞘”。它把固體器壁與等離子體隔開，并把等離子體包圍起來。電子要從等離子到達(dá)器壁，必須要克服由“鞘”所形成的勢壘。“鞘”的寬度一般在拜德屏蔽長度級別。6.等離子體的磁約束：帶電粒子在恒穩(wěn)磁場中的運(yùn)動(dòng)受到洛倫茲力作用，通過受力分析可以得到帶電粒子總的運(yùn)動(dòng)軌跡是以磁力線為軸的螺旋線?；匦\(yùn)動(dòng)中心沿磁力線作勻速運(yùn)動(dòng)。對于高溫等離子體來說，任何固體容器都難以承受，因此，必須采用強(qiáng)磁場約束等離子體，這是的外磁場稱為“磁壁”。三、等離子體的輻射等離子體都是發(fā)光的，不僅包含可見光，還可以發(fā)出紫外光，甚至X射線。等離子體發(fā)生輻射的方式有很多種：激發(fā)輻射。主要發(fā)生在粒子密度很低的冷等離子體中，當(dāng)粒子能量小于幾個(gè)電子伏時(shí)，主要產(chǎn)生激發(fā)輻射。常見的日光燈、霓虹燈等都是這種冷等離子體輻射。它主要是核外電子從較高能級向較低能級的躍遷。原子或離子都可以發(fā)光，主要靠的是電子的碰撞激發(fā)，電子的碰撞幾率和電子的能量有關(guān)。對應(yīng)于一定電子溫度的某些特定能級的相應(yīng)激發(fā)幾率最大，產(chǎn)生的譜線最強(qiáng)。在低氣壓放電的冷等離子體中，粒子的激發(fā)輻射可看成是孤立原子或離子產(chǎn)生的輻射，譜線寬度很窄，等于譜線的自然寬度。當(dāng)在高氣壓放電的電弧等離子體中，輻射譜線波長變短，譜線也會(huì)豐富很多。當(dāng)電子溫度Te達(dá)到10eV時(shí)，幾乎所有的原子都電離，多電子的原子發(fā)生二次或多次電離，使核電荷屏蔽減少，束縛態(tài)之間能級差更大，輻射譜線波長更短，甚至發(fā)射X射線。當(dāng)溫度更高時(shí)，所有的核外電子都被剝離，離子變成裸核，于是激發(fā)輻射消失。復(fù)合輻射。自由電子和離子的復(fù)合有兩種狀況，一是自由電子被n次電離的原子俘獲，俘獲了電子的離子躍遷到（n-1）次電離原子的束縛態(tài)，被俘獲的電子的多余能量以及原子的電離能以光子的形式發(fā)射出來；二是兩個(gè)自由電子同時(shí)與一個(gè)離子相碰，則一個(gè)電子被俘獲，而另一個(gè)電子帶走多余能量，這個(gè)電子仍然是自由電子，并不產(chǎn)生輻射，隨著等離子體密度的增大，這種三體復(fù)合發(fā)生的幾率比復(fù)合輻射更大。需要說明的是，由于自由電子的動(dòng)能有一定的連續(xù)分布，且不同能量的電子所對應(yīng)的俘獲截面也不同，因此，自由電子被俘獲后失去的能量是一個(gè)連續(xù)譜。軔致輻射。在無磁場等離子體中，自由電子在原子核電場作用下產(chǎn)生電子-原子核庫倫碰撞，使自由電子躍遷到能量較低的另一自由態(tài)。碰撞過程中，電子減速，將一部分能量或動(dòng)量傳遞給原子核，把多余的能量以光子形式輻射出去。這種由減速電子所發(fā)射