《中国大百科全书（第2版）》读书笔记8388-等离子体

等离子体 plasma

由大量带电粒子和中性粒子组成的，在电磁力作用下，粒子的运动和行为以集体效应为主的体系。

而等离子体的所谓集体效应，是指由于电磁等长程力的作用，粒子的运动状态不仅取决于该粒子附近的局部条件，还取决于远离该粒子的其他区域的状态。

等离子体状态是区别于固态、液态和气态的另一种物质存在状态，常称为物质第四态。

1.概念的形成和发展

1879年英国科学家W.克鲁克斯研究气体的辉光放电时，把放电管中的电离气体称为物质的第四态。这是第一次将电离气体与固态、液态和气态并列地称为物质的第四种状态。

1912年P.J.W.德拜和E.休克尔研究电解液中带电粒子行为时，发现了带电粒子的电场被周围带异号电荷粒子屏蔽的现象，提出了后人称为德拜屏蔽的概念，并得到了衡量屏蔽距离的物理量：

后人称它为德拜屏蔽长度，式中为玻耳兹曼常数，、和分别为电子的温度、密度和电量。

德拜屏蔽长度将一个带电粒子对其他带电粒子的库仑作用范围分为两部分：当其他带电粒子与这个带电粒子的距离（）不超过德拜屏蔽长度的范围（）时，它们能感受到这个带电粒子的库仑作用，粒子间的相互作用可用“碰撞”这样的物理图像来描述；当距离超过德拜屏蔽长度（）时，所感受到的这个带电粒子的库仑作用微弱到可忽略不计，这时大量带电粒子的长程（）库仑作用的相干叠加，能使一个很大范围（）内的带电粒子群做有序的集体运动。

德拜屏蔽长度这个概念为等离子体作出科学定义奠定了基础。1928年I.朗缪尔和L.通克斯研究电离气体中的振荡现象时，把放电管中远离管壁的电离气体存在区域称为plasma区，这是第一次将电离气体称为“plasma”。“plasma”来自希腊词（πλα' αμα, -ατοζ, το'），原意是血浆、原生质，中文译名为等离子体。

等离子体广泛存在于茫茫的宇宙之中。在地球表面，除了闪电时形成的瞬时等离子体外，几乎没有自然存在的等离子体、等离子体只能人为产生，如充气电子管、日光灯、霓虹灯、电弧、气体放电等设备中产生的由电子、离子和中性粒子所组成的电离气体就是等离子体，整体呈电中性。

根据等离子体定义，电离气体可称为等离子体的判据是：

①德拜屏蔽长度（）远小于等离子体所占的空间尺度（），意即等离子体内必须含有很多个德拜球（半径为的球），使得在等离子体内，每当发生电荷的局部集中或把外部的电位引入体系时，它们都能在德拜球半径附近被屏蔽掉，宏观整体上维持准电中性。

②德拜球内存在的粒子数（）须远远大于1，这等价于粒子的库仑位能（）远小于粒子的平均动能（），即。式中称为耦合系数，为粒子的荷电量，为电势，为等离子体的平均温度。

③等离子体振荡频率（）远大于带电粒子与中性粒子的碰撞频率（)，即，亦即由库仑作用的长程部分引起的等离子体集体效应，与由库仑作用的短程部分引起的等离子体粒子间的碰撞效应相比，等离子体的集体效应为主。

由单种电荷粒子（电子、离子）组成的，整体呈非电中性的体系，也具有等离子体的集体效应特征，故并称为非中性等离子体，以区别于整体呈电中性的等离子体（中性等离子体）。

中性等离子体中，混入电中性“尘埃”粒子与等离子体相互作用而带电，成为等离子体新的组成部分。这种等离子体称为尘埃等离子体。在天体空间、星际云、彗星、行星的环、地球磁层和电离层中都存在着各种尺度不同的尘埃粒子，那里存在的等离子体是尘埃等离子体。

为区别起见，将耦合系数的等离子体称为弱耦合等离子体，而将的等离子体称为强耦合等离子体。理论表明，当强耦合等离子体中粒子间的耦合作用足够强，即耦合系数Γ足够大时，等离子体状态会发生相变。

2.分类

等离子体的行为和特性，与其参量（密度、温度等）和所处的环境密切相关。不同类型的等离子体除共性（集体效应）外，还有其独有的特点。

根据等离子体整体是否呈电中性、密度的大小、温度的高低、尘埃粒子作用的大小、粒子间耦合程度的强弱，可将等离子体简单地区分成：电中性等离子体（简称为等离子体）和非电中性等离子体（简称为非中性等离子体），高密度（稠密）等离子体和低密度等离子体，高温等离子体和低温等离子体，尘埃等离子体和纯等离子体（通常在等离子体前不冠以“纯”字，简单地称为等离子体），强耦合等离子体和弱耦合等离子休。

还可根据等离子体的产生方法及所处的环境加以分类，如辉光放电产生的等离子体称为辉光等离子体，激光产生的等离子体称为激光等离子体，受控热核聚变中的等离子体称为核聚变等离子体，空间和天体中的等离子体称为空间和天体等离子体等。还可将金属中的传导电子与晶格格点离子及半导体中的电子和空穴构成的具有等离子体特征的体系称为固态等离子体，某些液体（如强电介质）中的正负荷电粒子体系称为液态等离子体。

3.应用

等离子体与科学技术有密切关系，并具有广泛的技术应用，如空间技术、受控热核聚变、磁流体发电、等离子体推进器、同位素分离、无线电通信、等离子体显示、等离子体化工、气体激光及各种气体放电、等离子体焊接和切削、微电子工业、物质表面改性等。这些应用技术的发展会进一步丰富等离子体的研究内容。同样，对等离子体的深入研究能够提高这些应用技术的水平并开拓新的应用领域。

推荐书目

马腾才，胡希伟，陈银华. 等离子体物理原理. 合肥：中国科学技术大学出版社，1988.

李银安. 受控热核聚变. 长沙：湖南教育出版社，1994.

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第4册，中国大百科全书出版社，2009年