等离子态与常规的固液气态有什么不同？

说起物质的状态，我们首先想到的可能是固体、液体、气体这三种。在固体中，物质粒子被禁锢在固定的位置附近无规则地振动，因此整体显现出固定的体积和形状。而随着物质粒子无规则热运动的动能增加，总有一刻物质粒子将会挣脱固定位置的束缚而流动起来，这时物质粒子并没有固定的空间位置，但仍然受到周围粒子的吸引力而难以脱离粒子的群体，宏观上看物质就拥有了相对固定的体积和不固定的形状，这样的物质状态就是我们熟悉的液体。随着温度的进一步升高，粒子热运动变得越来越剧烈，以至于粒子基本完全挣脱了粒子间的吸引力而自由地分散开来，这种既没有固定体积也没有固定形状的物质形态被称为气体。可以看到，固体、液体、气体的区别，本质上是由于粒子热运动对粒子间相互作用的挣脱（或破坏）程度的增加而导致的。

知道了这三种物质形态，我们很自然地就会想到，会不会还存在着更多的物质形态呢？进一步增加物质的温度，会发生什么呢？由于气体已经几乎完全挣脱了直接组成物质的粒子（如分子）之间的相互作用，进一步的升温只可能破坏更加强大、更加紧密的相互作用。对于分子气体，增温可能首先破坏其中的共价键或配位键，使得组成分子的原子或原子团相互之间分崩离析，分子气体一步步地变成原子气体。再继续加热，就连强大的原子也“撑不住”了，原子中的电子不断地脱离原子核的吸引力，从而成为独立于原子之外的自由电子，而原本呈电中性的原子由于失去负电荷而变得带有正电荷，因此从原子变成了离子。当气体中的电子-离子密度达到一定的水平，以至于它们的集体效应可以主导气体的性质时，第四种物质的形态——等离子体态，就产生了。

上面阐述了产生等离子体的一种方法——加热电离法。通过加热使电子的热运动变得剧烈，最终脱离原子的束缚。这样得到的等离子体往往处于热平衡态，也就是电子和离子具有相同的温度。太阳、核聚变反应炉中的等离子体就是使用这种方法产生的，并且处于热平衡态。而闪电、灯管中的等离子体，则是通过另一种方式——放电而产生的。放电时，从电极射出的电子撞击气体原子中的电子，将其撞出，从而产生电子-离子对。与加热的方法不同的是，放电只是将动能注入给了电子，所以这样产生的等离子体，电子的温度要远大于离子温度。

说完了等离子体的产生过程，我们再来看看等离子体两种奇特的，普通物质所没有的集体效应。第一个效应叫做等离子体震荡。我们知道，等离子体是由大量正负电荷组成，根据库仑定律，每一个电荷都无时无刻不在受着其他电荷的作用力：同性电荷相斥，异性电荷相吸。但由于等离子体中，正负电荷的数量大致相同，因此吸引与排斥力就大致相等，粒子在统计意义上处于平衡态。有平衡就存在被打破的可能，当等离子体的所有同类电荷都偏离平衡位置一定距离后，平衡就被打破了。

设想在一块电子-离子等离子体中，电子受到某种扰动不约而同地向右偏移，这时由于电子的“离家出走”，在电子的身后就出现了一块区域，在那里离子的密度大于电子密度，因此对外呈现整体的正电性。由于电子带负电，而正负电荷相吸，于是出走的电子就感受到了一个向后的吸引力，努力把它拉回家里。但这还没完，当电子被拉回家里时，吸引力消失了，但电子在回家的过程中越跑越快，到了平衡位置因为惯性而“刹不住车”了，因而电子会越过平衡位置，在与第一次出走相反的方向上再出走一遍。当然这次还会有正电荷的吸引力把它拽回家里。于是我们发现出现了一个循环——电子出走→离子把电子拽回→电子向相反方向出走→离子再次把电子拽回。这样随着时间的流逝，电子就呈现出一种集体的振荡。我们称之为等离子体震荡。而由于离子的质量是电子的将近两千倍，所以离子在受到大小相同的反作用力时，加速度要比电子小很多，因此在电子振荡时，离子基本呆在原来的位置，还没来得及动呢，电子就跑到另一边去了。

等离子体振荡有很多应用，其中之一就是对太阳风暴中短波通讯的中断做出了合理的解释。我们知道所有振子的振荡都会有一个固有频率，等离子体也不例外。等离子体振荡的固有频率随着正负电荷密度的升高而增加。我们还知道，当一个外加力的频率和振子的固有频率相近的时候，会发生共振作用，使得外加力的能量最大限度地被振子吸收，形成最大的振幅。无线电通讯使用的电磁波，从本质上来看就是不断变化着的电场和磁场。而带电粒子，比如电子，在电场中会受到电场力的作用。因此，我们发现，穿过等离子体的电磁波相当于给等离子体中的电子加上了一个周期性的外力。当这一外力的频率远高于等离子体振荡的固有频率时，因为电子的振荡和外力的变化十分的不同步，所以外力对电子做的功基本为零，电磁波因而能够基本无损耗地穿过等离子体，从而实现通讯，就像在地球上的平常时候发生的那样。

但是，一旦太阳风暴爆发，大量带电粒子进入地球大气，会使得正负电荷密度上升，正如前面所提到的，等离子体振荡的固有频率就会随之上升。当固有频率升高到和短波通讯使用的电磁波频率基本相同时，就会发生共振现象，电磁波的能量最大限度地输入等离子体，这就导致电磁波在等离子体中举步维艰，通讯也就中断了。由于交流高压输电也是通过周期变化的电场实现的，所以在一些情况下，太阳风暴还会导致大面积的停电。

至于等离子体的德拜屏蔽，则是另一件关于电荷的趣事，我们可以把它称作电荷在等离子体中的“隐身术”。想象一团电子-离子等离子体，其中不时因为扰动而产生等离子体振荡，就像一片起伏的海洋。这时，你向这片海洋中扔入一个带正电的球体，球体很快被海洋浸没了。现在，神奇的事情发生了——由于带正电的球体吸引带负电的电子，排斥带正电的离子，因此在它的周围，电子密度要高于离子浓度，这就使得，在远处看，球体就像一个由电子的“皮”包围着的包子。而由于周围一圈电子都带负电，正负电荷产生的作用互相抵消，所以这个包子整体对外并不显现太强的电性。你看，一开始扔入一个带正电的球，到等离子体中它的正电好像就消失了。这就是等离子体中电荷的“隐身术”——德拜屏蔽。

这些只是等离子体故事的冰山一角。继续探索，你会发现更多有关等离子体的秘密与神奇。

作者：阿白特尔

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APC科普组编辑部

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