電漿
物質狀態之一 来自维基百科，自由的百科全书
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電漿，又稱等離子體、電離漿[1]、等離體[2]，是物質狀態之一，是物質的高能狀態。其物理性質與固態、液態和氣態不同。電漿和氣體一樣，形狀和體積不固定，會依著容器而改變。電漿有接近完美的導電率，也會在磁場的作用下，顯現出各種三維結構，例如絲狀物、圓柱狀物和雙層等，也可以利用磁場來捕捉、移動及加速各種電漿，例如可變比沖磁電漿火箭就是應用了電漿的這一特性。電漿最早的含義是整體保持電中性的電離物質，但現實一些不符合原先電中性定義的物質也會被稱為電漿，如夸克-膠子漿等。有關電漿的一種直覺上的描述稱，電漿就是會受電磁場影響的流體物質，一般是指各種離子化氣體，然而固體或液體內的自由電子也可以被視為電漿的一種（非中性電漿），此外還包括很多受電磁場支配的流體物質。電漿可以被看成是由一群粒子所組成的系統，因此在數學上可以用統計的方式來研究。
宇宙中充斥著各種各樣的電漿，是其最常見的物質相態，亦可以經由對處於其他相態的物質的加工取得。現代物理學對氣體與電漿之間的相變給出了詳細描述，某種氣體在經歷外來的高溫或強電磁場的作用時，此時該氣體內本身存在的游離電子會被加速，並撞擊該氣體的諸中性粒子，使該氣體中各顆中性粒子中的電子與其原子核分離，成為游離電子，而該中性粒子也會因缺少了電子而成為離子。這些分離出來的游離電子又會被該電場加速，再與其他中性粒子碰撞，這稱為氣體的離子化過程。此時該氣體中一部份粒子會擁有比中性狀態更多的電子而成為帶負電荷的陰離子，另外有一部份粒子會擁有比中性狀態更少的電子而成為帶正電荷的陽離子[3]，有一部份粒子則維持中性。離子化後的氣體成為由各顆陰陽離子、游離電子、中性粒子等多種粒子所組成的電中性物質，其中陰離子的電荷量總和與陽離子的電荷量總和相等，這就是物理學上所謂「電漿」，此時物質在大尺度上的總電荷是零，這稱為「準中性」。[4]電漿含有許多可以自由移動的非中性粒子（載流子），加上諸多非中性粒子帶有電磁力，並會受其他非中性粒子的電磁力影響，即是説諸非中性粒子之間可以在不碰撞的情況下發生交互作用，這也解䆁了電漿的導電及受電磁力支配等的多種性質。最後處於電漿態的物質也可以通過相變轉化為其他三種物質狀態。
電漿是宇宙重子物質最常見的形態，其中大部分存在於稀薄的星系際空間（特別是星系團內介質）和恆星之中。[5]地球大氣離地表300公里的電離層也是處於電漿態，電離層是地球大氣較外層的氣體吸收了太陽輻射能量，發生光致游離而形成。
電漿是由陽離子、中性粒子、自由電子等多種不同性質的粒子所組成的電中性物質，其中陰離子（自由電子）和陽離子分別的電荷量相等，這就是物理學上所謂「電漿」。電漿內移動中的粒子會產生電磁場，並影響著該物質內每顆帶電粒子的運動，這使電漿擁有一些特殊的性質，而這些性質也定義了何謂電漿。[4][6]這便引申到有關電漿定義的三個重要部分：[7][8]
電漿的導電性和其帶有的電場的強度和範圍，意味著在足夠大的體積內，正負電荷大體相等，是為「準中性」（英語：Quasineutral)，但由於諸如純粹由負電荷、或者純粹由正電荷所組成的流體物質的集體粒子運動和普通的電漿相似，因此這些不符合準中性定義的物質也會被稱為一個非中性的電漿。例子有固體或液體內的自由電子（電子電漿）、彭寧離子阱中的電子雲、正電子電漿、或者是夸克-膠子漿。非中性電漿含有過高的淨電荷密度，甚至完全以單種帶電粒子組成，這時電場在該非中性電漿中的作用是舉足輕重的。[9]
中文對「plasma」一詞的翻譯有二：取其最早的含義（整體保持電中性的電離物質），有中國大陸所用的「電漿」；台灣則稱「電漿」。有中國大陸的物理學家對這一歷史遺留的尷尬翻譯表示質疑。[10]
電漿和氣體這兩者有以下若干不同之處：
電漿參數是一系列描述某種電漿的性質的參數。一般來說是以公分-克-秒制來當作參數的基本單位，但是溫度卻是以電子伏特當作單位，而質量則是以質子質量的倍數當作單位。在這裡，K是指波長、Z是指荷電狀態、k是指波茲曼常數、γ是指絕熱指數而Λ 是指庫侖碰撞。電漿可以看成一群粒子的系統，因此可以用統計的方式研究它。
溫度籠統地說代表了一種物質中諸粒子的平均動能，計量單位一般是電子伏特或克耳文。電漿的溫度可分成電子溫度、離子溫度和中性粒子溫度。電漿中的電子和其他諸電子之間一般會很接近熱平衡，所以電子溫度有良好的定義。但在紫外線、高能粒子或強電場等的影響下，諸電子的能量分佈和馬克士威-波茲曼分布會有較大的偏離，但儘管如此，電子溫度仍然具有良好定義。由於質量相差懸殊，所以電子和其他諸電子之間要比電子和諸離子之間更快地達到熱平衡。因此，離子溫度和電子溫度之間可以相差很大，其中離子溫度接近室溫，而電子溫度則可以達到幾千攝氏度以上。這種情況在弱電離電漿中尤為常見。
電漿可以根據其電子溫度、離子溫度和中性粒子溫度的相對比例歸為兩類——高溫電漿和低溫電漿。在高溫電漿中，電子溫度、離子溫度和中性粒子溫度處於同一水平，即熱平衡；在低溫電漿中，電子溫度較高，而離子溫度和中性粒子溫度則比電子溫度低很多，有時甚至接近室溫。[12]
高溫電漿的明確定義是﹕
低溫電漿的明確定義是﹕
電離度指的是在電漿所有分子的數量中，被電離了的分子（離子）所佔的比例，這主要受物質的溫度影響，物質的溫度愈高電離度便愈高。電漿可以根據電離度分為冷電漿、熱電漿兩種。熱電漿中的分子幾乎完全電離，而冷電漿中則只有小部分電離分子（比如1%）。要注意的是，「冷電漿」和「熱電漿」在不同文獻中可能會有不同的含義。
電離度 的明確定義是：
，其中 是第i個電離狀態中的原子數量密度，而 是中性分子的數量密度。
「電漿密度」通常指的是「電子的數量密度」，也就是每單位體積中的自由電子數量。電子的數量密度 與電離度 的關係是：
，其中 是第i個電離狀態中的原子數量密度，而 是離子的平均電荷態。
薩哈電離方程式描述了電子溫度、電離能與電離度的關係，即電子溫度與電離能的比例決定了電漿的電離度（密度也有較弱的影響）。在比較高的電子溫度下，才能要維持物質的電離狀態；而在比較低的電子溫度下，陽離子和電子會互相結合，電漿就會成為氣體。[13]
對於由一種原子所組成的氣體，薩哈電離方程式為：
，
其中是第i個電離狀態中的原子數量密度，也就是說，原子失去了i個電子；是i-離子的狀態的簡併能階；是中性原子失去i個電子，形成一個i級離子所需要的能量；是電子的數量密度；是電子的熱得布羅意波長：；是電子質量；是氣體的溫度；是玻茲曼常数；是普朗克常数。
帶電粒子間的空間內的電位稱為「電漿電位」或「空間電位」。不過由於德拜鞘層的緣故，如果往電漿中插入電極，所測量的電位一般都會比電漿電位低很多。電漿是良好的導電體，所以其內部的電場很小。從而有「準中性」這一重要的概念，即：在足夠大的範圍內，電漿中的陽離子和陰離子有近乎相同的數量密度（）；在德拜長度尺度上，則會有不均勻的電荷分佈。在產生雙層的特殊情況下，電荷分離的尺度可以是德拜長度的數十倍。
要得出電位和電場的大小，一種做法是假設電子的數量密度滿足波耳茲曼關係：
![{\displaystyle {\frac {n_{i+1}n_{e}}{n_{i}}}={\frac {2}{\Lambda ^{3}}}{\frac {g_{i+1}}{g_{i}}}\exp \left[-{\frac {(\epsilon _{i+1}-\epsilon _{i})}{k_{B}T}}\right]}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/69c1fa095ed7fb8ebb3339df63d8b81dc6de47f5)
對等號兩邊求導，可得出從電漿的電子的數量密度計算其內部的電場的公式：
電漿也有可能不是準中性的，例如電子束就只含陰離子。非中性電漿一般密度都非常低，或體積非常小，否則靜電力的會使電漿自相排斥並消散。
在天體物理學所研究的電漿中，德拜屏蔽會避免電場在大尺度上（超過德拜長度）影響電漿。但是，電漿中的帶電粒子會產生磁場，並受磁場的影響，例如形成雙層──電荷間分離數十個德拜長度。電漿在外部和內部磁場影響下的動力學現象，是磁流體力學的研究對象。
當電漿的自身磁場足以影響帶電粒子的運動時，就可稱之為「磁化電漿」。常用的量化條件是，某粒子在與其他粒子碰撞之前，要在磁場內迴旋至少一圈：，其中是電子迴轉頻率，是電子碰撞率。一種較常見的情況是，電漿中的電子是磁化的，陽離子則不是。磁化電漿不具各向同性：它在平行和垂直於磁場的方向上有不同的性質。雖然電漿自身的電場很小，但在磁場中運動的電漿也會產生電場：
，其中是電場，是速度，是磁場。這一電場不受德拜鞘層影響。[14]
電漿參數可以在數個數量級之間變化，但在參數上顯然不同的電漿，卻有相當類似的性質（參考電漿比例），下表只考慮傳統帶正負電的電漿，不考慮特殊的夸克-膠子漿。
電漿結構在空間上斷斷續續，即特徵間的距離大於特徵本身的大小，甚或產生碎形，因此無法用光滑的數學函數或純粹的隨機過程去表達。
白克蘭電流是一種絲弦狀結構，[16]可見於電漿燈、極光、[17]閃電、[18]電弧、太陽耀斑、[19]超新星遺跡等的電漿現象。[20]弦中的電流密度更高，在磁場的影響下會產生磁繩結構。[21]標準大氣壓下的高功率微波分解也會造成絲狀結構的形成。[22]
高功率雷射脈衝的自我聚焦效應也會產生絲狀電漿。在高功率下，折射率的非線性部分變得重要。因為雷射束的中心比外圍更亮，所以中心的折射率會比外圍更高，使得雷射進一步聚焦。亮度峰值（福照度）因此增加，並使雷射束產生電漿。電漿的折射率低於1，會使雷射束發散。在自我聚焦效應和電漿發散效應之間的交互作用下，電漿形成絲狀，其長度短至微米，長至公里。[23]這樣產生的絲狀電漿的特點是離子密度低，這是由於電離電子有發散的作用。[24]
當激波（移動）或雙層（靜止）這些薄片結構存在的情況下，電漿的性質從薄片的一邊到另一邊可以有急劇的變化（在幾個德拜長度以內）。雙層之中的局部電荷分離使雙層內部有較大的電位差異，但在雙層以外不產生任何電場。這可以分隔開雙層兩邊性質不同的電漿，並使離子和電子加速。
電漿的準中性意味著，電漿中的任何電流都必須形成迴路。這種迴路同樣遵守克希荷夫電路定律，並具有電阻和電感。一般來說，電漿迴路都必須當做強耦合系統，即某一區域的性質受整個迴路的影響。強耦合性加上非線性會產生複雜的現象。這些迴路中儲存著磁能，一旦迴路受到破壞，例如因電漿不穩定性，這一能量將會以加熱和加速的形式釋放出來。日冕中的加熱現象通常就是以此為解釋的。電漿電流，特別是磁場對齊的電流（一般稱為白克蘭電流），也出現在地球極光和絲狀電漿中。
電漿中所形成的高梯度薄片可以分隔開磁化強度、密度、溫度等性質不同的區域，形成胞狀結構，如磁層、太陽圈和太陽圈電流片等。漢尼斯·阿爾文曾寫道：「從宇宙學的觀點來看，太空研究中最重要的新發現莫過於宇宙的胞狀結構。在原位測量方法能夠研究的一切宇宙範圍內，無一不有『胞壁』。這些帶電流的薄片把太空分割成磁化強度、密度、溫度等等性質各異的區域。」[25]
當電漿和中性氣體之間達到一定的相對速度時，就會發生失控的電離反應，這一臨界速度稱為臨界電離速度。臨界電離過程可以將快速流動氣體的動能轉化為電離能和電漿熱能，適用範圍廣泛。臨界現象會產生空間或時間上急劇變化的結構，是複雜系統的一個典型特徵。
塵埃電漿含有細小的帶電塵粒，通常存在於太空之中。塵粒能積累較高的電荷，並相互影響。實驗室中的塵埃電漿又稱「複合電漿」。[26]
超低溫電漿可以通過人為方法取得，首先使用磁光阱將中性原子降溫至1 mK以下，再用另一個雷射束把僅僅足夠的能量傳給原子的最外層電子，使其脫離原子的束縛。超低溫電漿的優勢在於，其初始條件能夠很好地設定及調整，包括大小和電子溫度。通過調整用於電離的雷射的波長，便能控制逃逸電子的動能。這一動能是由雷射脈衝的頻寬決定的，最低可達0.1 K。電離後產生的離子一開始會保留中性原子原來的溫度，但溫度會因為所謂的亂度加熱效應而迅速升高。此類非平衡超低溫電漿會快速地演變。[27]
不可滲透電漿是一種熱電漿，它對於氣體和冷電漿的性質如同不可滲透的固體，而且能夠受別的物質推挪。以漢尼斯·阿爾文為首的研究組曾經在1960至1970年代短暫地研究不可滲透電漿，試圖在核融合反應中用它來隔開聚變電漿和反應爐壁。[28]然而他們不久後發現，這種組態下的外部磁場會使電漿產生所謂的扭折不穩定性，導致熱量過多地向爐壁流失。[29]
2013年，一組材料科學家宣稱，他們不用磁約束，只用一層超高壓力低溫氣體，成功地生成穩定的不可滲透電漿。雖然由於高壓的關係無法通過光譜法取得電漿的性質，但從電漿對各種奈米結構合成過程的間接影響可以清晰看出，這種約束方法是有效的。他們還發現，在維持不滲透性幾十秒後，電漿和氣體的界面會篩選離子，這有可能引起第二種加熱模式（稱為粘性加熱）。這種模式意味著，反應會有不同的動力學特性，並會產生複雜的奈米材料。[30]
要完全描述電漿的狀態，原則上須要寫下所有粒子的位置和速度，並計算出電漿範圍內的電磁場。不過這種繁複的做法一般是不切實際的，在現實中也不可能測量出每顆粒子的動態。所以，電漿物理學家通常會運用簡化的模型，這些模型可分為以下兩大類。
流體模型利用光滑的量來描述電漿，如密度和某位置周圍的平均速度（參見電漿參數）。簡單的流體模型有磁流體力學，它結合馬克士威方程組和納維-斯托克斯方程組，並把電漿視為遵守這套方程組的單一流體。再推廣一步，有將離子和電子分開描述的雙流體模型。當碰撞頻率足夠高，使電漿的速度分佈近似馬克士威-波茲曼分布時，流體模型就相對準確。由於流體模型通常把電漿描述成每個空間位置具有某特定溫度的單一的流，因此無法描述電漿束或雙層這類速度隨空間改變的結構，以及任何波粒效應。
動力學模型描述電漿中每一點的速度分佈函數，所以無須假設馬克士威方程組。在無碰撞電漿中，往往需要此類模型。動力學模型有兩種：第一種在速度和位置上設下格子，並在格子上表示光滑化的分佈函數；另一種稱為「胞中粒子」方法，它通過追蹤一大群單獨粒子的軌跡來描述動力學狀態。動力學模型的計算密集度一般比流體模型更高。弗拉索夫方程式能夠描述帶電粒子與電磁場發生交互作用的系統的動力學狀態。
在磁化電漿中，陀螺動力學方法可以大大降低一個完全使用動力學模型的模擬的計算密集度。
電漿從質量和體積上都是宇宙中最常見的物質相態。[32]大部分來自太空的可見光都源於恆星，而恆星是由電漿所組成，其溫度所對應的輻射含較強的可見光。更宏觀地來看，宇宙絕大部分普通物質（即重子物質）都位於星系際空間，同樣是由電漿組成，其溫度則高得多，主要輻射X-射線。儘管如此，如果納入普通物質以外所有類型的能量，那麼在全宇宙的總能量密度中，就有96%不屬於普通物質（進而也不是電漿），而是冷暗物質和暗能量。[33]
1937年，漢尼斯·阿爾文論證，如果宇宙充斥著電漿，這些物質就會產生電流，從而產生星系尺度上的磁場。[34]在獲得諾貝爾物理學獎後，他又強調：
要了解某個電漿區域內的各種現象，既要測繪出磁場，又要測繪出電場和電流。太空中佈滿了縱橫交錯的電流網絡，能夠在大尺度乃至非常大尺度上傳遞能量和動量。這些電流往往會縮成絲狀或表面電流，後者很有可能會使太空──星際和星系際空間──形成一種胞狀結構。[35]
太陽和其他恆星一樣是由電漿所組成。[33]其最外層稱為日冕，是溫度約為106 K的電漿，從太陽表面開始向整個太陽系擴張，充斥行星際空間，並止於日球層頂。[5]在日球層頂以外，也充斥著電漿星際介質。連無法直接觀測的黑洞相信也是通過吸入吸積盤中的電漿而壯大的，[33]而且和由發光電漿所組成的相對論性噴流有緊密的聯繫，[36]如延伸5千光年之遙的室女A星系噴流。[37]
電漿中如果有塵粒，淨負電荷會積累在塵粒上，這些塵粒的性質類似於質量很大的陰離子，且可以視為電漿的一個組成部分。[38][39]
將氣體轉化成電漿有許多種方法，但生成和維持都需要能量的輸入，環境壓力也需要維持在特定的範圍內。[43]
電弧放電是一種高溫、高功率的放電現象，最明顯的例子是閃電。當對介電氣體或其他流體（絕緣體）施加電壓，電壓產生的電場會把負電荷拉向陽極，而把正電荷拉向陰極。[44]當電壓不斷增加，電極化會對材料施加應力，直到超過其介電極限。這時發生電擊穿現象，釋放電弧，使絕緣材料電離，變為電漿。其背後的原理是湯森德突崩：初始電離所釋放的電子，在每次撞擊中性原子時，都會再釋放一顆電子，如此類推，迅速產生一連串的連鎖電離反應。[45]
當電流密度及物質的電離度達到一定的程度，兩個電極之間就會形成發光的電弧。這是一種空間上連續的放電現象[註 1]。電弧的連續軌跡上的電阻會產生熱量，進而分解更多的氣體分子，使更多的原子電離（電離度取決於溫度），氣體如此逐漸變為熱電漿[註 2]。熱電漿處於熱平衡，也就是說，電子和質量大的粒子（原子、分子和離子）溫度相近。這是因為，在熱電漿形成的時候，電子所接收的電能會因電子數量龐大及流動性強而迅速分散，再通過彈性碰撞（即不喪失任何能量）傳遞給大質量粒子[46][註 3]。
電暈放電沿著高壓電極的邊沿形成。應用於臭氧產生器，其產生過程是通過高壓電離將空氣中的部分氧氣分解為氧原子，這些氧原子再和氧分子聚合成臭氧。除塵器是另一例子。
高壓氣體電漿放電，是指在較高氣壓的初始環境下發生的電漿放電現象。
在真空環境下，放電現象是不能被肉眼看見。1879年，威廉·克魯克斯在真空管中發現的陰極射線（電子流），他稱之為「發光物質」，克魯克斯當時所看見的「發光物質」之所以發光，應該是因為管中殘留的少量氣體粒子與陰極射線的高速電子碰撞所致，發光並不是電漿現象的基本特性。
由於電漿的溫度和密度範圍極廣，所以能應用在許多學術研究、科技及工業範疇中。工業用途有：工業及萃取冶金學、[46]電漿噴塗等表面處理法、微電子學蝕刻法、[54]金屬切割[55]和焊接等。日常用途有汽車排氣淨化和熒光燈等。[43]另外還有航空航天工程中的超音速燃燒衝壓發動機。[56]
多數人造電漿是通過對氣體增加電磁場產生的。實驗室或工業產生的電漿一般根據以下各項標準分類：
威廉·克魯克斯在1879年在他所研製的克魯克斯管中發現電漿，他稱之為「發光物質」。[58]約瑟夫·湯木生在1897年研究出克魯克斯管中所含的「陰極射線」物質的真實性質。[59]歐文·朗繆爾在1928年創造了「plasma」一詞，現成為電漿在歐洲各語言中的名稱，[60]源於希臘文的「πλάσμα」（模塑成型之物）。這樣命名，可能是因為克魯克斯管中的發光體會自行改變成管的形狀。[61]朗繆爾描述道：
除了在電極附近有含極少電子的鞘層以外，電離氣體含有大體相同數量的離子和電子，所以整體空間內的電荷很小。這一離子和電子的電荷達到平衡的空間，我們稱之為「plasma」。[60]
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