等离子体

等离子体（plasma，源自古希腊语πλάσμα（plásma）“可塑物质”），是区别于固体、液体、气体的另一种物质聚集态，被称为物质的第四态，是物质存在的基本形态之一。等离子体是宇宙中普通物质形式，其特征是存在大量带电粒子，可以是离子或电子的任意组合，主要与恒星有关，是重子物质最常见的形态，其中大部分存在于稀薄的星系空间（特别是星系团内介质）和恒星之中。地球大气离地表300千米的电离层也是处于等离子态。此外，等离子体可以人工产生，例如，通过加热中性气体或将其置于强电磁场中。

相关定义

物质的第四态

物质的第四态是区别于气态、液态、固态的另一种物质聚集态，简单的说，就是完全电离或部分电离的物质聚集态。当物质处于不同的温度范围或粒子处于不同的能量范围时，呈现出不同的聚集态，即物质的聚集态有赖于粒子的平均动能。物质从能量较低的聚集态转化为能量较高的聚集态需要外界供给能量，从固态到液态、从液态到气态均是如此。气体进一步从外界吸收足够的能量使分子离解为原子，原子中的电子获得足够的能量脱离原子，气体被电离，被电离的气体中含有大量的电子、离子以及部分中性粒子(原子或分子)，其中电子和离子的电荷数差不多相等，因此宏观上或平均意义上它是电中性的。

理想等离子体

理想等离子体有三个性质。一是等离子体近似，当代表德拜球内电荷载流子数量的等离子体参数

远高于1时，等离子体近似适用。该标准等效于等离子体静电能量密度与热能量密度之比较小,这种等离子体称为弱耦合。二是德拜长度，德拜长度比等离子体的物理尺寸小得多，该标准意味着等离子体主体中的相互作用比其边缘处的相互作用更重要，边缘处可能发生边界效应。当满足这个标准时，等离子体是准中性的。三是无碰撞性，电子等离子体频率远大于电子中性碰撞频率。当这种条件成立时，静电相互作用在普通气体动力学过程中占主导地位，这种等离子体称为无碰撞等离子体。

非中性等离子体

非中性等离子体指的是仅由一种物质组成离子云，当离子库仑能远大于热运动能时，非中性等离子体表现为强相关。非中性等离子体也可以由同号电荷的粒子组成，这种粒子可以是电子或正电子，也可以是离子或者反质子。

尘埃等离子体

尘埃等离子体是指包含了大量的弥散固态颗粒的部分或全部电离的气体，即由电子、离子和中性原子组成的等离子体以及“浸”在其中的尘埃颗粒组成的体系。与通常的等离子体相比，尘埃等离子体是在等离子体中多了一种带电成分。虽然尘埃颗粒相对于通常等离子体中的电子和离子具有较大的体积、质量和带电量，但却具有较小的荷质比。因此，它们与等离子体中电子、离子的相互作用过程非常复杂，另外整个系统与外界的相互作用也将非常复杂，因此尘埃等离子体又常被称为复杂等离子体。

简史

早在1879年，英国物理学家克鲁克斯（William Crookes）研究了真空放电管中的放电过程之后，提出了物质的第四态存在。1887年，约翰·西利·爱德华·汤森爵士（John Sealy Edward Townsend）对不同稀薄气体、不同材料电极制成的阴极射线管施加电场和磁场，精确地测定构成阴极射线的粒子有同一荷质比，从而为电子提供了实验依据，由此揭开了粒子物理学的序幕。1918年到1930年，等离子科学取得了一些最基本的成就，如法拉第（Michael Faraday）观察了气体辉光放电的过程。1932年的诺贝尔化学奖获得者朗缪尔（Irving Langmuir）在1928年首次采用“Plasma”这个词(中译为等离子体)来定义包含电子、离子、中性原子和分子具有一定电离度，宏观呈电中性的气体状态。朗缪尔（Irving Langmuir）的研究开创了物理学一个新的分支—等离子体物理。

朗缪尔

此后的发展中，在1937年，瑞典物理学家阿耳文（Alfvén）指出等离子体与磁场的相互作用，在空间和天体物理学中都有重要的意义。后来，弗里德里希·帕邢（Friedrich Paschen）建立了磁流体力学(MHD)用来说明太阳作为等离子体表现出的许多现象(如黑子、日珥和耀斑等)。另外，列夫·达维多维奇·朗道（Lev Davidovich Landau）和阿纳托利·弗拉索夫（Anatoly Vlasov）对等离子体物理也作出了贡献。第二次世界大战以后，在氢弹实验成功的启发下，许多国家开展了受控热核聚变实验，以解决人类面临的能源危机。在受控核聚变反应中，温度达到一亿摄氏度的高温才可能实现得失相当的聚变反应，此状态下所有物体都已变成完全电离的等离子体，因此物理学家为了实现受控热核反应，一直研究等离子体的约束和加热等问题。此外，天体演化和太阳的活动规律也是等离子体物理的研究内容之一。另一方面，低温等离子体的应用更为广阔。20世纪40年代开始，磁流体发电装置和等离子体焊接技术的研究，50年代开展的新型气体放电光源制造，60年代发明的气体激光器，以及70年代开展的等离子体镀膜技术，都是低温等离子体的应用实例。

分类

等离子体的分类方法有很多，汇总参见下表。最常见的分类方法是高温等离子体、低温等离子体。

等离子体分类

性质

密度和电离度

等离子体粒子密度表示单位体积中所含粒子数的多少。组成等离子体的基本成分是电子、离子、中性粒子。通常，以表示电子密度，为离子密度，表示未电离中性粒子。由于等离子体中存在有各种粒子，如果把它的离子密度用表示，那么构成的等离子体的状态，即称为电中性条件，称为等离子体密度。在大多的情况下，所讨论的等离子体宏观上呈电中性，这时电离度可定义为沙哈（M。Saha）导出了描述气体在高温下因原子分子的热运动而产生电离的计算公式

式中：

为电离度；

为气体的热力学温度(

)；

为原子的电离能(

)；

为气压(

)；

为玻耳兹曼常数。上式说明气体的电离度与其温度、压强有关，当温度

升高或气压

降低，则原子的电离程度愈高。因为处于热平衡状态的气体，其原子或分子的运动遵循麦克斯韦速度分布规律，速度与气体温度的平方根成正比。这种因为高温气体原子、分子的热运动而引起的电离称为热电离，该公式又称热电离公式。

温度

按照热力学理论，当物质的状态处于热平衡时，才能用一个确定的温度来描述。在热力学平衡态时，粒子能量服从麦克斯韦分布。单个粒子平均动能与热平衡温度的关系为

式中：

为粒子质量；

为粒子的根均方速度；

为玻耳兹曼常数。热力学平衡条件下，电离度与粒子种类、密度和温度有关，此外，由粒子密度可以估算带电粒子间的平均距离

。设单位体积内的带电粒子数为

显然，则

。由此，对一价电离的体系而言，电子在离子静电势场中的平均势能应为

，式中：

为离子电荷数；

为电子的电荷量。当带电粒子的库仑相互作用内能(势能

)远小于热运动动能时(

)即若满足

便可以认为各种粒子在热平衡态也服从麦克斯韦分布。

时空特征量

等离子体的电中性有其特定的空间和时间尺度。德拜长度是等离子体具有电中性(也称准中性)的空间尺寸下限，也就是说等离子体中的电中性在等离子体的容积率(系统尺度)比德拜长度

充分大时才成立。在小于德拜长度的空间范围，处处存在着电荷的分离，此时，电离气体不具有电中性，只是普通气体。

为德拜长度，它由等离子体电子密度和温度决定，即

电子走完一个振幅（等于德拜长度）所需的时间

可看作是等离子体存在的时间长度下限。在任何一个小于

的时间间隔内，由于存在等粒子体振荡，因而体系中任何一处的正负电子总是分离，只有在大于

的时间间隔的平均效果来看，等离子体才是宏观电中性的。

因此等离子体的准确定义是：由大量正、负带电离子（有时还包括中性粒子）组成的，空间尺寸远大于德拜长度，时间尺度远大于电子走完一个相当于德拜长度的振幅所需要的时间，以集体效应为主的，具有准电中性的体系。

磁化

带电粒子的存在导致等离子体产生磁场并受到磁场的影响。具有足以影响带电粒子运动的磁场的等离子体称为被磁化。一个常见的定量标准是粒子在发生碰撞之前平均至少完成绕磁场线的一周旋转，即

，其中

代表电子回转频率，

代表电子碰撞率。通常情况下，等离子体中的电子是磁化的，但阳离子不是。磁化等离子体不具各向同性：它在平行和垂直于磁场的方向上有不同的性质。虽然等离子体自身的电场很小，但与高速移动的等离子体相关的电场

在磁场

中有如下关系，

，其中

表示速度，不受德拜屏蔽的影响。

电势

等离子体是可以导电，因此对电势起着重要的作用。带电粒子之间的平均电势与如何测量无关，被称为“等离子体电势”或“空间电势”。如果将电极插入等离子体中，由于所谓的德拜鞘，其电势通常会大大低于等离子体电势。等离子体良好的导电性使其电场非常小，这就产生了“准中性”的概念，即负电荷的密度等离子体中的正电荷的密度。在德拜长度范围内，可能会出现电荷不平衡。在形成双层的特殊情况下，电荷分离可以延伸几十个德拜长度。等离子体也有可能不是准中性的，例如电子束就只含阴离子。非中性等离子体一般密度都非常低，或体积非常小，否则静电力的会使等离子体自相排斥并消散。

数学描述

流体模型

等离子体的流体模型就是当研究缓慢变化的等离子体运动时，把等离子体看做带电粒子组成的导电流体，主要由连续性方程、动量方程、能量方程和泊松方程组成。由流体模型分析等离子体各参数的变化情况，其实质就是将上述方程化为适当的偏微分方程组，再将偏微分方程组归一化后以离散的数值差分形式求解，即将等离子体放电的物理过程的分析转换为求解偏微分方程问题。所谓缓慢变化是指等离子体的特征长度和特征时间远大于等离子体粒子的平均自由程和平均碰撞时间，而特征长度和特征时间是指等离子体特征量可以产生显著变化的空间长度和时间范围。在这种情况下，等离子体可近似地看作处于局部热平衡状态，因而可以像在通常的流体力学中那样定义等离子沉体的速度、压强、密度、温度等流体力学及热力学参量，并用这些宏观参量来描述等离子体的宏观运动。

等离子体中磁场

动力学模型

动力学模型描述了等离子体中每个点的粒子速度分布函数，因此不需要假设麦克斯韦-玻尔兹曼分布。对于无碰撞等离子体，动力学描述通常是必要的。等离子体的动力学描述有两种常见的方法。一种是基于在网格上表示速度和位置的平滑分布函数。另一种称为细胞内粒子（PIC）技术，通过跟踪大量单个粒子的轨迹来包含动力学信息。动力学模型通常比流体模型计算量更大。弗拉索夫方程可用于描述与电磁场相互作用的带电粒子系统的动力学。在磁化等离子体中，回旋运动方法可以大大减少全动力学模拟的计算费用。

现象

丝状化

波克兰电流呈条纹或弦状结构，在许多等离子体中都可以看到，如等离子体球、极光、闪电、电弧、太阳耀斑、和超新星遗迹。它们有时与较大的电流密度相关，与磁场的相互作用可以形成磁绳结构。

等离子体丝状化

丝化等离子体也指高功率激光脉冲的自聚焦。在高功率下，折射率的非线性部分变得很重要，并导致激光束中心的折射率更高，其中激光比边缘更亮，从而产生使激光更加聚焦的反馈。聚焦得更紧密的激光具有更高的峰值亮度，可形成等离子体。等离子体的折射率低于1，会导致激光束散焦。聚焦折射率和散焦等离子体的相互作用使得等离子体形成长丝，长度可达微米至千米。

不可渗透

不可渗透等离子体是一种热等离子体，其对于气体或冷等离子体的作用类似于不可渗透固体，并且可以被物理推动。Hannes Alfvén领导的小组在20世纪60年代和1970年代对冷气体和热等离子体的相互作用进行了简要研究，以了解其在聚变等离子体与反应堆壁隔离方面的应用。然而，后来发现这种配置中的外部磁场可能会引起等离子体中的扭结不稳定性，并随后导致壁上意外地高热损失。2013年，一组材料科学家报告说，他们仅使用超高压冷气体层就成功地产生了稳定的、不渗透的等离子体，且没有磁约束。虽然据称由于高压而难以获得有关等离子体特性的光谱数据，但等离子体对不同纳米结构合成的被动效应是有效的。他们还表明，在保持不渗透性数十秒后，等离子体和气体界面处的离子筛选可能会产生强烈的二次加热模式，从而导致不同的反应动力学和形成复杂的纳米材料。

研究进展

低温等离子体

世界范围内技术研发主要分布在欧洲和亚洲，在亚洲，韩国和日本项目较多，中国和新加坡发展较为迅速。美国能源部（DOE）重视微电子和医药领域的低温等离子体-表面相互作用的研究。中国重视等离子体科学与工程对集成电路器件制造业和低温等离子体产业的推动作用。在等离子体应用于医药的领域，低温等离子体促进和抑制药物活性的机制、低温等离子体与药物协同抗癌作用的分子机制尚不清楚，缺少基于低温等离子体的药物的体内实验和临床实验，在低温等离子体降解医疗废物的过程中，有毒物质的实时检测和选择合适的等离子体处理条件以彻底净化污水也是有待研究的重要问题。

磁约束聚变

实验室条件下可行的聚变反应是氢的同位素氘[dāo]和氚[chuān]的带正电的原子核聚变反应生成氦核并释放巨大的能量。为了克服带正电粒子间的静电排斥，可以使用磁场限制带电粒子，采用加热等离子体的方式使带电粒子获得能量克服静电作用。美国参与国际热核聚变实验堆计划，有各种规模的磁约束聚变实验装置：为国际热核聚变实验堆计划提供研究基础的DIII-D，为球形托卡马克提供基础的NSTX-U，以及主要部署在美国大学的小型研究设施等。中国在全超导托卡马克(EAST)实验研究领域，取得了100s量级的高约束稳态运行等离子体的重要进展，在边界局域模及高热负荷缓解等影响托卡马克高约束稳态运行的关键物理问题研究上取得了重要突破。

激光-等离子体相互作用

激光-等离子体相互作用是指高强度脉冲激光与等离子体之间的相互作用。激光技术的合作研发模式推动了激光-等离子体相互作用领域的发展，激光技术的工业应用加强了产学研合作。激光·等离子体相互作用推动等离子体光学、强场物理、粒子加速、激光光源等的新领域发展。

高能量密度系统

高能量密度等离子体物理研究极高密度、温度下的电离物质，主要研究高能量密度等离子体、温稠密物质、惯性约束聚变。美国高能量密度装置有大、中、小三种规模，在中等规模激光装置上形成研究联盟，并根据其研究需求调整布局。2015-2019年，美国的高能量密度文章产出由62%降至50%，但仍较大幅度领先于世界其他国家。

宇宙等离子体

宇宙等离子体研究等离子体天体物理和太阳等离子体物理。太阳动力学观测站、日地关系天文台的太阳成像仪、四航天器群磁层多尺度任务、帕克太阳探测器等装置或者任务、计算机技术、自动特征识别、机器学习和人工智能推动宇宙等离子体研究发展。美国的宇宙等离子体投资建设了激光干涉引力波观测站(LIGO)、高能天体物理学高级望远镜雅典娜(预计2028年发射)、事件视界望远镜(EHT)、X射线成像和光谱任务(XRISM)LYNX射线天文台(LYNX)、激光干涉仪空间天线(LISA)、平方公里阵列(SKA)和切伦科夫望远镜阵列(CTA)将解决等离子体天体物理若干子领域的重大挑战：多信使宇宙等离子体的极端等离子体物理，稀薄等离子体物理，初期太阳系、系外行星、星际介质的等离子体物理。

应用

军事

等离子体由于其特有的性盾引发了人们的兴趣和关注。对等离子体技术的研究日益深入，其应用范围也在不断扩展，等离子体技术在军事上可用于武器系统隐身、通信和探测、火炮发射、飞行器拦截、航天推进、电子对抗和军事能源等多个方面。等离子体隐身在现代战争中，雷达探测技术占有非常重要的地位，它可以探测导弹、飞机等武器系统，运用等离子体技术可以有效达到武器系统隐身的目的。当入射到等离子体上的电磁波的频率低于等离子体的电子朗缪尔频率时，电磁波不能在等离子体内传播，只能被反射。但是，当人射电磁波的频率高于电子朗缪尔频率时，电磁波可以在等离子体内部传播，在传播过程中其能量被迅速吸收，从而使反射的能量很少。根据这一原理，只要在需要隐身的物体周围形成一个等离子体层，调节等离子体的电子密度，使电子朗缪尔频<入射到等离子体上的电磁波的频率，就可以大大减少被反射的电磁波，达到隐身的目的。

等离子体隐身

等离子体通信等离子体通信主要是指利用地球大气层的电离层信道的军用短波通信，短波可以用地表波和电离层波方式来传播短波用地表波传播时，由于地表波的衰减随频率的升高而增加，对通常应用的发射功率来说，传播距离一般不超过几十公里，故只适用于小电台，频率用于短波频段的低端。当短波用电离层波传播时通信距离可达数万公里，可以实现远距离通信。短波通信不需要中继站转发就可实现远距离通信。这特别适用于车载、舰载和机载的远距离移动通信；此外，短波通信设备简单，比较机动灵活，比较隐蔽，安全性好，特别适于军事应用；而且，设备的建设和维护费比较低。短波通信的主要缺点是通信容量小，传播媒质不稳定，干扰大，可靠性差。

等离子体通信

能源工程

受控热核聚变受控热核聚变是人类最终解决能源危机的唯一途径，但商业运行是一项艰巨任务。因此，开发利用新能源和节能技术成为富有战略意义的研究项目。核聚变是指由轻原子核融合成为质量较大的重原子核的核反应过程，核聚变能释放出巨大的能量，比裂变反应释放的能量大得多，因此实现受控核聚变反应，是利用能源的一个重要途径。为此，科学家们已研究了数十年，取得了一些进展研究表明，用加速器加速质子或氘核等粒子来轰击氘核或其他原子核，可以实现聚变反应，但被加速的粒子同电子碰撞的概率较大，能够发生聚变反应的概率很小，另一种可行的办法是：把聚变物质加热到极高的温度，使其成为等离子体，等离子体中的核和电子以极大的速度作无规则热运动。

受控热核聚变装置

节能技术在节能技术中，等离子体合成超细粉烧制的陶瓷发动机具有高热机转化效率，等离子体热障涂层可以降低发动机热损，高光电转化效率的气体放电灯照明技术已得到了推广。等离子体磁流体发电热效率高、输出功率高、结构简单紧凑、热污染和尘末污染小，该技术在能源匮乏的发达国家中已得到相当程度的应用。太阳能利用在太阳能的利用中，提高光电转化效率是其中一项关键技术，与晶体硅相比，其用等离子体CVD方法制备的非晶硅具有诸多优点，首先，其吸收光谱接近太阳能光谱，吸收系数比晶体硅高一个量级；其次，薄膜工艺简单，易于大面积随意成形；此外，其成本更低。近年的研究结果还表明，锂在导电分子薄膜中的纳米硅能进一步提高光电转化效率。

工业

下表列出了一些等离子体化学应用。利用气相与固相反应或者由气相析出固相的应用技术中，低温等离子体占大多数。气相-固相反应可分三类，即由固体与等离子气体反应生成新的气体；由固体表面的化学析出进行等离子体成膜；等离子体表面改性。

低温等离子体化学应用

等离子体蚀刻随着科学技术的发展，半导体器件正进入集成度非常高的超ISI时代，因此ISI技术要求越来越高的精细加工技术。其中之一是在硅片上形成微细图形的蚀刻技术。等离子体蚀刻是利用典型的气体组合形成具有强烈蚀刻特性的气相等离子体，使其与物体表面发生物理化学反应，生成易挥发性物质，再由真空泵吸走挥发性物质达到表面清洁，改性等蚀刻的目的。因此从严格意义上讲，等离子体蚀刻技术应不属于物理法表面处理技术，但由于该技术在实施过程中属于非接触式作用方式，且不涉及传统意义上的化学试剂，因此，在许多场合被划为物理法表面处理技术范畴。等离子体蚀刻技术在印制电路板制造表面处理技术中的应用主要有三个方面，即蚀刻、活化和清洁。溅射成膜和离子镀通常把用某种工艺方法在基片上形成的厚度从单原子层到约5um的物质层称为薄膜。薄膜的形成方法有很多，溅射和离子镀是利用等离子体化学反应形成薄膜的两种最常用的方法。当入射离子(或粒子)袭击靶材表面时，使靶材表面原子飞逸出来的过程称为溅射。利用这种现象形成薄膜的方法称为溅射法。自开发出能够高速、低温溅射的磁控管阴极以来溅射技术，得到发展和普及。离子镀把蒸发源作为阳极，在压力1Pa的氩气中向基板施加很高的负电压，发生辉光放电。电离后的蒸发原子被静电加速射入到基板上，形成优异致密的薄膜。等离子体化学气相沉积等离子体化学气相沉积（PCVD）是把等离子体应用于化学气相沉积中的一种技术，如沉积氮化钛，原料仍为TiCL、HN。但用直流辉光、射频辉光、微波场等激发等离子体，可将生成氮化钛的反应温度由CVD的1000℃降至200~500℃。PCVD是一种新的制膜技术，特别适合于功能材料薄膜和化合物膜的合成并显示出许多优点，被视为第二代制膜制备技术。金属表面改性金属碳化物、氮化物的化学性能稳定，质地坚硬，但很脆，加工性不好。一般用金属表面改性的方法作为最终工序，则可以金属具有耐热、耐蚀、耐磨损性。低温等离子体可以在比热化学反应温度低的低温条件下，仍以较快的反应速度使金属表面氮化或碳化，所以近年在提高材料的表面硬度，增强材料耐热、耐磨及耐蚀性等方面得到广泛应用。

注释

展开[a]电离层是地球大气较外层的气体吸收了太阳辐射能量，发生光致游离而形成

[b]测量电子的等离子体振荡

[c]粘性加热

[d]指等离子体内的某种扰动引发正负电荷的分离，使等离子体粒子产生集体振荡，相应的振荡频率称为等离子体频率，也称电子朗缪尔频率

参考资料

展开

该页面最新编辑时间为 2024年7月8日