什么是等離子體?

什么是等離子體?

等離子體又名電漿,是由帶正電的正粒子、負粒子(其中包括正離子、負離子、電子、自由基和各種活性基團等)組成的集合體,其中正電荷和負電量相等,故稱等離子體,是除固態、液態、氣態之外物質存在的第四態—等離子態。

在茫茫宇宙中有99%的物質都呈等離子態存在,然而在人類居住的地球上很少看到自然界的等離子體現象,這是因為地球是一個“冷星球”,加之高密度的大氣導致等離子體很難穩定存在,所以通常要采用人工方法產生等離子體。

如何用人工方法制得等離子體

除了在自然界已存在的等離子體以外,用人工方法在一定范圍內也可以制得等離子體。最早是在 1927年,當水銀蒸氣在高壓電場中的放電時由科研 人員發現等離子體。后來的發現是通過多種形式, 如電弧放電、輝光放電、激光、火焰或沖擊波等, 都可以使處于低氣壓狀態的氣體物質轉變成等離子 體狀態。 如在高頻電場中處于低氣壓狀態的氧氣、氮 氣、甲烷、水蒸汽等氣體分子在輝光放電的情況 下,可以分解出加速運動的原子和分子,這樣產 生的電子和解離成點有正、負電荷的原子和分子。 這樣產生的電子在電場中加速時會獲得高能量,并 與周圍的分子或原子發生碰撞,結果使分子和原子 中又激發出電子,而本身又處于激發狀態或離子狀 態。這時物質存在的狀態即為等離子體狀態。

等離子體的種類

(1 )低溫和高溫可分為高溫等離子體和低溫 等離子體兩類。在等離子體中,不同微粒的溫度 實際上是不同的,所具有的溫度是與微粒的動能即 運動速度及質量有關。把等離子體中存在的離子的 溫度用 Ti 表示,電子的溫度用 Te 表示,而原子、 分子或原子團等中性粒子的溫度用Tn表示,對于Te 大大高于 Ti 和 Tn 的場合。即低壓體氣的場合,此 時氣體的壓力只有幾百個帕斯卡,當采用直流電壓 或高頻電壓做電場時,由于電子本身的質量很小, 在電場中容易得到加速,從而可獲得平均可達數電 子伏特的高能量,對于電子,此能量的對應溫度 為幾萬度(K ),而離子由于質量較大,很難被 電場加速,因此溫度僅幾千度。由于氣體粒子溫 度較低(具有低溫特性),因此把這種等離子體 稱為低溫等離子體。 當氣體處于高壓狀態并從外界獲得大量能量 時,粒子之間的相互碰撞頻率大大增加,各種微 粒的溫度基本相同,即 Te 基本與 Ti 及 Tn 相同,我們把這種條件下得到的等離子體稱為高溫等離子 體,太陽就是自然界中的高溫等離子體。

(2)活潑氣體和不活潑氣體等離子體。根據產 生等離子體時應用的氣體的化學性質不同,可分為不 活潑氣體等離子體和活潑氣體等離子體兩類,不活潑 氣體如氬氣(A r )、氮氣(N 2)、氟化氮(N F 3)、 四氟化碳(C F 4)等,活潑氣體如氧氣(O 2)、氫 氣(H 2)等。不同類型的氣體在清洗過程中的反 應機理是不同的,活潑氣體的等離子體具有更強 的化學反應活性。

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