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等离子体

等离子体是继固体、液体、气体之后的“物质第四态”。它指的是电子被从原子中剥离出来,自由运动的电子与离子相互混合而成的电离气体。

不断加热气体时,原子之间的碰撞会越来越剧烈,最终电子会从原子中飞出。这样形成的“带电粒子汤”就是等离子体。日光灯管内、闪电、极光,乃至太阳本身都是由等离子体构成的。宇宙中可见物质的绝大部分都处于等离子体状态。

在物理学中,满足以下三个条件的电离气体被称为等离子体。

  1. 系统的尺度远大于德拜长度(电荷的偏差被屏蔽,整体呈现准中性)
  2. 德拜球内存在大量粒子(集体行为比单个碰撞更占主导)
  3. 等离子体振荡的频率高于与中性粒子的碰撞频率(电磁响应占主导)

因此等离子体具有导电性,并作为一个整体对电场和磁场作出响应。核聚变装置中的等离子体温度超过 1 亿度,处于完全电离状态。

原子核之间要越过静电排斥(库仑势垒)而发生聚变,就必须把燃料加热到 1 亿度以上。在这个温度下物质必然会变成等离子体,因此核聚变研究本身就是如何生成、加热并约束等离子体的研究。