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放电火焰是不是等离子体?

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点击次数:398 更新时间:2020年06月06日14:11:34 打印此页 关闭

火焰是不是等离子体?


    有一位“哲人”曰:我经常将等离子体人性化,她的许多表现酷似于我们人类,常常不需要牵强的联想,就可以用我们日常的经验,甚至是我们内心的感受来理解她的行为。

    就象快乐宫殿里住着的王子,从不知什么是忧愁一样,等离子体是独立于气态、液态、固态的另一态,也就是说,住在等离子体宫殿的王子从不知世上还有气态、液态、固态三位公主的存在,要不为什么还要另起个名字,干脆就叫另一类气态不行吗?是的,不行!从下面的图片里,大概可以看出等离子体和气体的不同:


  

 



既然等离子体是一个独立的态,在谈到他时就要说出一个具体的元素,如氢气被电离后成为氢等离子体,氧气被电离后成为氧等离子体,只要某样元素能穿上等离子体的定义这套外衣,就可叫这个元素的等离子体态

   1879年,英国物理学家克鲁克斯研究了真空放电管的放电过程后,***次指出“物质的第四态”的存在。1929年,Tonks和Longmuir在研究气体放电中的振荡时,首先用“等离子体(Plasma)”这个词来描述带电粒子集合体。之后,等离子体的基本概念逐步建立。比较严格的定义是:等离子体是由电子、阳离子和中性粒子组成的整体上呈电中性的物质集合。

等离子体物理大致可以分为三个方面:

高温等离子体(keV量级)、低温等离子体和天体等离子体。

电离是形成等离子体的先决条件,电离的主要方式有:

热电离(高温下,高能气体原子之间的碰撞激发出原子中的电子)、光场电离(原子吸收光子能量,引起的电离)和碰撞电离(带电粒子,主要是电子,在电场中获得能量,和气体原子碰撞,发生电离)。发生了电离的气体,无论是部分电离还是完全电离,虽然在某些方面跟普通气体有相似之处,例如描述普通气体的宏观物理量密度、温度、压力等对电离气体同样适用,但它的主要性质却发生了本质的变化。在气体中电离成分只要超过千分之一,它的行为主要就由离子和电子之间的库仑作用力所支配,中性粒子间的相互作用退居次要地位。并且电离气体的运动受电磁场的影响非常明显,它是一种导电率很高的导电气体或流体。

 

 

据估计,宇宙中物质的99%以等离子体状态存在。例如恒星内部、气态星云、太阳风、由地球磁场俘获的带电粒子组成的范阿伦辐射带(Van Allen belts)、闪电、北极光、荧光管或霓虹灯内的导电气体等。随着超短脉冲啁啾放大技术的重大突破,人造等离子体是目前等离子体物理学的主要研究对象。

  

    再让我们看看什么是火焰:

 




 

   首先燃烧指的是元素C或CH基与氧气发生反应,生成CO2 及 H2O (水) 的过程。但是,和大多数我们知道的化学反应一样,在这种没有催化剂,开放条件下的反应不可能完全的。因而会有很多高分子残余,在燃烧时随着气流的上升,从火焰中挥发出去。所以通常意义下的火焰是不纯的,应该说是一种混合物。因为一般的火焰内任何一处的温度都不太可能使气体发生电离。关键在于燃气与氧化剂燃烧过程中的带电粒子的瞬间存在,这些粒子可能是自由基、自由基激发态、电子等,当然在宏观上它们整体仍然呈电中性。

   例如燃烧一根木柴,会有很多烟雾,这些黑色的烟雾就是由燃烧不充分的高分子残余组成的。如果温度足够高,这些高分子会继续分解,在火焰中也会混有C4+, CH基, 以及O2-等带电体,且会有许多电子被电离出来,而火焰上端应该是温度的,这个区域在这种高温条件下也许可以称得上是等离子体。

    笼统地说,火焰是等离子体,但并不意味着火焰就是气体高温电离的结果,气体如果有0.1%被电离,那么他就具有非常明显的等离子体性质,如果有1%的气体电离,则气体已经是电导率很大的等离子体。

   通过以上的分析,在提起火焰是不是等离子体时,应该说出什么物质燃烧发出的什么火焰里含有什么元素的%多少的等离子体。

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