知識科普|奇妙的物質(zhì)第四態(tài)

宏觀物質(zhì)在一定壓強下隨溫度升高，由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，再變?yōu)闅鈶B(tài)，有的直接從固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。那么對于氣態(tài)物質(zhì)再繼續(xù)升高溫度，將會有什么變化呢？　　

　　我們知道，溫度越高，表明物質(zhì)分子的熱運動愈劇烈。當溫度足夠高時，構(gòu)成分子的原子也獲得足夠大的動能，開始彼此分離。分子受熱時分裂成原子狀態(tài)的過程稱為離解。在此基礎上再進一步提高溫度的話，就會出現(xiàn)另一種全新的現(xiàn)象，原子的外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子。失去電子的原子變成帶正電的離子。這個過程叫電離。電離的方式主要有以下幾種：

　　熱電離 在高溫下，氣體質(zhì)點的熱運動速度很大，具有很大的動能，相互之間的碰撞會使原子中的電子獲得足夠大能量，一旦超過電離能就會產(chǎn)生電離。

　　光電離 當氣體受到光的照射時，原子也會吸收光子的能量，如果光子能量足夠大，也會引起電離，這種電離方式稱為光電離。要產(chǎn)生光電離，對于照射光必須滿足下式：光電離主要發(fā)生在氣體稀薄的情況下。地球外圍空間的電離層就是由太陽的紫外輻射光將高空中稀薄氣體電離而形成的。

　　碰撞電離 氣體中的帶電粒子在電場中加速獲得能量。這些能量大的帶電粒子跟氣體原子碰撞進行能量交換，從而使氣體電離。碰撞電離中主要是電子的貢獻。

　　發(fā)生了電離(無論是部分電離還是完全電離)的氣體，雖然在某些方面跟普通氣體有相似之處，例如描述普通氣體的宏觀物理量密度、溫度、壓力等對電離氣體同樣適用，但是它的主要性質(zhì)卻發(fā)生了本質(zhì)的變化。在氣體中電離成分只要超過千分之一，它的行為主要就由離子和電子之間的庫侖作用力所支配，中性粒子之間的相互作用退居次要地位。并且電離氣體的運動受電磁場的影響非常明顯，它是一種導電率很高的導電流體。因而跟固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)相比，它是一種性質(zhì)奇特的全新物質(zhì)聚集態(tài)。從聚集態(tài)的次序來看它排在第四位，所以稱它為物質(zhì)第四態(tài)。鑒于在這種聚集態(tài)中電子的負電荷總數(shù)和離子的正電荷總數(shù)在數(shù)值上是相等的，宏觀呈現(xiàn)電中性。因而也叫它等離子體。

　　由此可見，等離子體就是電離氣體。由于常溫下氣體熱運動的能量不大，不會自發(fā)電離。因而在我們生活的環(huán)境中物質(zhì)都以固態(tài)液態(tài)氣態(tài)這三態(tài)的形式存在，而并不以等離子體這第四態(tài)形式存在（室溫下氣體中電離的成份微乎其微）。若要使電離成分占千分之一以上，必須使溫度高于一萬度。圖1—7表示了一個大氣壓時氮的電離度隨溫度變化的情況。所以在人類生活的環(huán)境中物質(zhì)決不會自發(fā)地以第四種聚集態(tài)的形式存在。然而在茫茫宇宙中卻有99％以上的物質(zhì)都是等離子體?？磥恚@也許是不可思議的。但只要看一下這樣的事實就可以明白了。在太陽中心溫度高達一千萬度以上，那里的物質(zhì)顯然都以等離子體狀態(tài)存在。類似太陽的許許多多恒星，星系以及廣闊無垠的星際空間物質(zhì)都是等離子體。而像我們?nèi)祟惥幼〉摹袄湫乔颉痹谟钪嬷械故菫閿?shù)不多的。