等离子体物理导论
等离子体物理导论
等离子体是物质的一种特殊状态，广泛存在于宇宙中，常被视为物质的第四态。从自然界的闪电、极光，到人工产生的核聚变、辉光放电，等离子体在科学研究和工业应用中都扮演着重要角色。本文将带你深入了解等离子体的基本概念、性质、应用及其不稳定性。
等离子体简介
等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“等离子体”（plasma）一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。
等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。其实，人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎99．9%以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。在通常情况下，即上述物质前三种形态，电子与核之间的关系比较固定，即电子以不同的能级存在于核场的周围，其势能或动能不大。
普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离．电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等．这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体．
等离子体和普通气体性质不同，普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述．在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场．电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等．等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态．
在宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态．宇宙研究、宇宙开发、以及卫星、宇航、能源等新技术将随着等离子体的研究而进入新时代。
等离子体的主要应用
当光打在金属表面时，二维光或是等离子体就会被激发。等离子体可以被看作是光子和电子的连接。
可以建立一个混合原则，由光转变成的等离子体在金属表面传播时（该等离子体的波长比原始光波的波长小的多）；等离子体能被二维光学仪器（镜子、波导、透镜等）处理，等离子体能再次转变成光或者电信号。
等离子体传感器和癌症治疗仪：NaomiHalas描述了等离子体怎样激发小金属层表面的，米粒形状的粒子能量很大，做光谱学试验的光是微分子数量级。
在米粒状粒子弯曲顶端处等离子体电场比用来激发等离子体的电场强很多，并且它在很大程度上改进了光谱的速率和精确性。换一种说法，纳米数量级的等离子体不仅可以用来鉴定，还可以用来杀死癌细胞。
等离子体显微镜：IgorSmolyaninov报道称他和他的同事能够拍下来空间分辨率在60nm的物体（如果是实用材料，分辨率能达到30nm），而用激光激发只能达到515nm。换句话说，用这种分辨率制造的显微镜会比平常使用的衍射方法好的多；而且，这更是远场显微镜――光源不用放在少于光波长的范围内。巨大光极化和光传输：GennadyShvets报道当表面的声子被光激发来制造超棱镜（用平板材料透镜化）显微镜是红外线光显微镜波长的二十分之一。他和他的同事能拍下样品表面下的特征，他们称为“巨大的光传输”，照射到表面的光比一般光的波长小的多。
光频率的未来等离子体电路：NaderEngheta支持等离子体激发的纳米粒子能够被设计成纳米数量级的电容，电阻，和感应器（电路中的各种元素）。
电路能够接收广播（1010Hz）或者是微波（1012Hz）的频率，而该电路却能达到光频率（1015Hz）。这就能实现小型化以及用纳米天线探测光信号的过程，纳米波导，纳米传感器，并且还有可能实现纳米计算机，纳米存储，纳米信号和光分子接口。
等离子体主要用于以下3方面：
①等离子体冶炼：用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染。
②等离子体喷涂：许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体（部件）上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可大大提高喷涂质量。
③等离子体焊接：可用以焊接钢、合金钢；铝、铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整，可以再加工没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割钢、铝及其合金，切割厚度大。
等离子体的不稳定性
等离子体偏离热力学平衡的性质。大体有两类方式。一类是等离子体宏观参量如密度、温度、压强及其他热力学量的不均匀性，由此产生的不稳定性使等离子体整体的形状改变，称为宏观不稳定性或位形空间不稳定性，可用磁流体力学（见等离子体物理学）分析，故又称磁流体力学不稳定性。另一类是等离子体的速度空间分布函数偏离麦克斯韦分布，由此产生的不稳定性称为微观不稳定性或速度空间不稳定性，可用等离子体动力论分析，故又称动力论不稳定性。
等离子体的不稳定性（无论宏观、微观）也可按引起它的驱动能量分类。如磁能引起的电流不稳定性；等离子体向弱磁场区膨胀时膨胀能引起的交换不稳定性；密度、温度梯度产生的等离子体膨胀能引起的漂移不稳定性；非麦克斯韦分布或压强各向异性对应的自由能引起的速度空间不稳定性等。等离子体中种类多样的不稳定性会导致带电粒子的逃逸或输运系数的异常增大，破坏等离子体的约束或限制约束时间。因此，研究等离子体的各种不稳定性，阐明其物理机制，探索稳定化的方法，一直是受控热核聚变研究的一个中心课题，也是等离子体物理学的重要内容。
如果等离子体柱仅由其中纵向电流产生的角向磁场约束，则稍有扰动后，因收缩处向内的磁压增大，更趋收缩，膨胀处向内的磁压减小，更趋膨胀，形如腊肠，故称腊肠不稳定性，它可切断等离子体，附加纵向磁场抵制收缩和膨胀，即可使之稳定。如果载有纵向强电流的等离子体柱受扰动稍有弯曲，则凹部磁场增强，凸部减弱，由此引起的磁压之差使扰动扩大，等离子体柱将很快弯曲甚至形成螺旋线，这是扭曲不稳定性，可用纵向磁场使之稳定。如果水在上、油在下，则稍有扰动便在重力作用下互换，等离子体中与此类似的不稳定性称为互换不稳定性。以上数例均属宏观不稳定性。