等離子體(plasma)是不同于自然界中常見(jiàn)的固體、液體和氣體的物質(zhì)形態(tài)。物質(zhì)由大量的分子構成,將分子繼續分割可以得到原子,根據原子的核式結構模型,原子內部有帶正電的原子核,圍繞原子核做高速運動(dòng)的是核外帶負電的電子。當原子的外界被加熱到足夠高的溫度時(shí),外層電子獲得較高的能量,它們可能會(huì )擺脫原子核的電場(chǎng)力的束縛逃逸出來(lái),成為獨立的自由電子。于是,物質(zhì)就變成了由帶正電的原子核和帶負電的一團均勻的“漿糊”,它是離子化物質(zhì),呈現氣體狀,人們稱(chēng)它為離子漿或者是電漿。這些“漿糊”中正、負電荷總量相等,所以等離子體其實(shí)是電中性的。等離子體在磁場(chǎng)中具有偏轉性質(zhì),它的運動(dòng)狀態(tài)受到電磁力的影響,大量的等離子體表現出了明顯的集體行為。等離子體的組成粒子有很多種,包括電子、離子等帶正負電的粒子和中性粒子(原子、分子、微粒等)。等離子體在小尺度范圍內則表現出明顯的電磁性。
等離子體的研究一共受到了以下四個(gè)方面的推動(dòng):氣體放電的研究、天體和空間物理學(xué)的研究、受控熱核聚變的研究和低溫等離子體技術(shù)應用的研究。等離子體的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段:
第一階段:19世紀30年代,法拉第和湯姆孫等人對常見(jiàn)的氣體進(jìn)行放電現象的研究,開(kāi)啟了等離子體研究的歷史。19世紀80年代,英國科學(xué)家克魯克斯對于氣體放電管中的電離氣體冠以“物質(zhì)的第四態(tài)”的名稱(chēng)。20世紀20年代,空間等離子體的研究逐步展開(kāi)。1928年,等離子體學(xué)的正式問(wèn)世。
第二階段:20世紀30年代起,科學(xué)界逐步形成等離子體動(dòng)力的理論。在此階段,學(xué)術(shù)界對等離子體已經(jīng)形成一套較為成熟的理論。其中具有代表性的是朗道在1936年利用方程來(lái)表達等離子體中的粒子相互碰撞的積分式。
第三階段:1950年后,等離子體物理發(fā)展較為迅速。60年代,美、蘇等國家陸續實(shí)現對宇宙的探索,期間發(fā)射出多顆實(shí)驗衛星,檢測到大量數據。宇宙中蘊藏豐富的等離子體,對地球以外區域的探索也推動(dòng)了等離子體物理學(xué)的發(fā)展。等離子體由此開(kāi)始成為學(xué)術(shù)界一個(gè)獨立的分支。此階段,科學(xué)家利用惰性氣體作為載氣來(lái)進(jìn)行電弧放電產(chǎn)生的等離子體的技術(shù),在多個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)始實(shí)現應用。
第四階段:20世紀80年代至今,等離子體技術(shù)開(kāi)始朝著(zhù)低溫等離子體領(lǐng)域發(fā)展,等離子體在化工和冶金行業(yè)的推廣也加強了對低溫等離子體性質(zhì)的研究。在此階段,隨著(zhù)材料工程科學(xué)的發(fā)展,等離子體技術(shù)(包括等離子體制備材料和等離子體改性材料表面技術(shù))都不斷吸引大量研究者的目光。同時(shí),隨著(zhù)清潔化生產(chǎn)、綠色化工工藝和環(huán)保意識的深入人心,也推動(dòng)了低溫等離子體技術(shù)的研發(fā)及工業(yè)化應用。24559