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    物质第四态——等离子体
    作者:徐雪峰 访问量: 20

    自从微波被发现以来,其技术应用不断走向普通人的生活,微波炉已然作为家用电器被人们广泛的应用于日常生活中。科技不断发展,人们的生活质量也不断提高,但是这些电器的应用也具有一定的危险性。

    有人将两个葡萄挨着放到微波炉里面加热,可怕的事情发生了,微波炉竟然爆炸了!没错,两个葡萄导致的爆炸!究竟是什么原理呢?科学家给出了解释,让葡萄擦出火花的是一种叫做米氏共振的现象。米氏共振现象又叫做又称结构共振,它指的是某些特定形状、材质的物体尺寸与电磁波波长相近时,产生的相互作用。在不同介质中,微波的波长和折射率都不同,它在葡萄果肉中的波长恰好与一颗葡萄的直径接近,符合米氏共振的条件,此时微波被困在葡萄内部不断反射,形成震荡的电磁场。导致接触点的电磁场强度大幅增加,最后将葡萄中的离子(主要是钠离子和钾离子)电离,激发出等离子体,击穿空气,形成电火花。

    说了这么多,微波炉爆炸的原因已被找出,那么介绍一下我们今天的主角,也就是导致微波炉爆炸的物质——等离子体。什么是等离子体呢?如何理解等离子体的概念呢?想要理解它,就有必要知道它的分类,我们初中就学过,世间万物分为三态,固态、液态和气态,而等离子态,便是我们初中甚至高中都未接触到的物质第四态。当然,你非要问我物质是否就分为这四态呢。恰好在我所学的领域,还有一种物态叫做波色爱因斯坦凝聚态,当然,这都太过于复杂了,今天我们要介绍的主角是等离子态。等离子态,也就是等离子体是怎么定义的呢?随着温度升高,物质由固态逐渐变为液态乃至气态。若将温度升至几千度几万度,气体分子或原子会失去电子,成为带正电的离子,脱离原子核束缚的电子成为自由电子。这个过程称为电离。当气体中离子和电子充分多时,带电粒子间及带电粒子与环境间的电磁相互作用起着主宰作用。这种电离气体就是等离子体,对应的状态称为第四物质态。当然,还有一些更加专业的定义。等离子体是带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的一种准中性气体。等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)组成的,宏观上呈现准中性、且具有集体效应的混合气体。等离子体是由大量处在非束缚态的带电粒子组成的有宏观空间尺度和时间尺度的体系。这些定义使我们更加准确精细的来认识和了解等离子体。

    那么等离子体在是伴随在我们周边吗?根据定义思考一下,我们似乎生活中很少见到等离子体。那么它的分布范围广吗?当你心中有这些疑惑的时候,那么我肯定你对等离子体这种物质状态感兴趣了。确实,等离子体在我们的日常生活中分布较少,举几个简单的例子,当雷雨天气来临时,天空电闪雷鸣,这个时候,空气会被电离产生等离子体,也就是闪电。还有在南北极极光卵内可以观测到的美丽的极光也是等离子体。也许你要说雷电也离我们很远呀,确实,再近一点的话,就是普通的火焰,是密度较小的等离子体,还有街上的霓虹灯,这些都是用到了等离子体的原理。那么你会想等离子体分布很少,在我们的物态中占比也很少咯。恰恰相反,生物圈外99%以上的宇宙由处于第四态的物质构成,称为空间或天体等离子体。也就是说,组成宇宙的绝大部分都是等离子体,而不是我们平时所说的物质三态。从这个角度讲,等离子体对人类生存起着举足轻重的作用。然而人类对一些至关重要的等离子体却不够了解。

      

    等离体子作为物质的基本形态之一,已经被应用到我们生活生产的方方面面。例如在能源电力方面的应用,受控核聚变和磁流体发电;还有在国防军事上的应用,用于战斗机的隐身,天线和武器方面的应用;在航空航天上,用于推进器的制造;在工业上,用于切割、焊接和冶金等;在生物医学上,用于材料改性、灭菌除臭等;在光源上,用于制造钠灯,日光灯等。

      

    等离子体不仅应用逐渐广泛,它在科研中的意义同样十分重要。由于宇宙绝大部分都是由等离子体组成,而我们身处的家园——地球,也每时每刻都在太阳风等离子体的冲击下,由于地球磁层的保护,我们免于受到太阳风高能粒子的直接撞击得以生存,但随着太阳活动的影响,例如太阳黑子,日冕物质抛射,太阳耀斑的影响,有一部分高能粒子会穿过地球磁层通过极区打到地球电离层上或者 穿过磁层直接打到地面。打到地球电离层上的高能等离子体会在地球极光卵内形成漂亮的极光,而穿过磁层直接打到地面上的高能等离子体会直接影响到我们的生活,例如影响短波通讯,城市电力供应等。因此,对等离子体的研究愈发重要,研究太阳风等离子体和地球磁层的相互作用、地球磁层和电离层和高能等离子体粒子的关系等可以预测甚至有效避免太阳风高能粒子对我们生活的危害。

      

    或许你觉得这与我们的生活相距较远,但事实证明,太阳风等离子体的爆发与我们的生活息息相关,著名的魁北克事件就是之一,一个诺大的城市全城断电,究其原因,是太阳风高能等离子体粒子的影响。而我希望等下次遇到这种事情的时候,我们能有效预测甚至避免它。而不是在太阳这个影响我们生存的星球发生剧烈活动时,我们却因为对等离子体的认识不够了解而束手无策。