【中華百科全書●科學●電漿物理】

楊籍富

【中華百科全書●科學●電漿物理】

 

固體受熱變為液體，液體受熱變為氣體，常見之物質如水，在低溫時結冰，是為固體，溫度升高則冰熔化成水，是為液體，如再加熱，使溫度升高，則變為水蒸氣，是為氣體，故常見之物質有三態，即固體、液體，及氣體。

 

就微觀之觀點言之，加熱能於固體，可擊破固體原子間之堅固連鍵，使固體液化，如再加熱則能完全摧毀原子或分子間之結合力，而成為氣體。

 

氣體如再加熱，則原子即開始分解，每個原子可失去一個至數個電子，而成為正離子，氣體乃行離子化。

 

此時氣體中包含帶負電之電子、帶正電之離子及尚未分解之原子，惟就整體言之，則氣體仍維持電中性，故此種部分解離之氣體與普通氣體不同，而此種狀態有別於固體、液體及氣體等三態，故稱為物質之第四種狀態，亦稱游離狀態或電漿（Plasma），研究此種狀態之物理學，則稱為游態物理或電漿物理。

 

部分離子化之氣體，如繼續加熱，使溫度升高，則離子化之程度亦隨之不斷增加，在十萬度以上之高溫，則大部分物質均以離子化狀態存在。

 

氣體因受熱或其他原因開始解離（如以高能光子照射氣體），即產生電子與正離子，如粒子密度較高，則離子與電子重新結合為原子之機會較多，故須在較高之溫度下，使原子不斷解離，以抵銷離子與電子之再度結合，方能維持穩定之電漿狀態。

 

如粒子之密度較低，則離子與電子重新化合成原子之機會較少，即使溫度較低，亦能維持電漿狀態。

 

換言之，如氣體中原子分解之機率大於電子與離子結合之機率，即可維持電漿狀態。

 

如n1表示已解離之原子密度，nn表示尚未解離之中性原子之密度，T表示絕對溫度，E表示原子解離之能量（即使原子失去最外層電子所需之能量），k表示波治漫常數（Boltzmann’sConstant），則依薩氏方程式（SahaEquation）〈方程式１〉(1)(1)式顯示如溫度高而粒子密度低，則離子化程度較高，反之，如溫度低而密度高，則不易離子化。

 

宇宙中絕大部分之物質，如星球內部及其大氣、太陽風、地球之電離層與電漿層及范阿倫輻射帶，以及介於星球間之星際物質，皆屬電漿狀熊。

 

日常生活中所見之電漿實例為數不多，霓虹燈、閃電與極光乃較顯著之數例。

 

故宇宙申之物質雖百分之九十九為電漿，惟吾人則居於百分之一之非電漿環境中。

 

其原因乃在於地球及其附近之大氣（即一般所謂之低層大氣），由於溫度低而密度高，故依薩氏方程不適於電漿之存在及形成，故欲研究電漿之性質，則必須在實驗室中上以人為之方法製造方可。

 

星球之主要成分為氫氣，因星球核心之溫度高達數千萬度，氮原子已完全解離為電子與質子。

 

在如此高溫下，質子之動能，足以克服彼此相互排斥之電磁力，而充分靠近，使強大之核子力發揮作用，引起氫融合，因而釋放龐大的能量，是故此種熱核反應（ThermalNuclearReaction）為星球之能源。

 

星際介質（InterstellarMedium）之溫度雖低，但因粒子之密度亦極低（約每立方公分含一原子），故原子一旦解離，即不易重新化合成中性原子，故亦能形成電漿。

 

氫彈爆炸乃人為之熱核反應，其原理與星球核心之氫融合反應大致相同。

 

如何有效控制氫融合反應以便利用此種熱核反應所釋放之龐大能量，乃現代電漿物理研究之主題。

 

製造氫融合反應器（FusionReactor）所採用之主要反應如：〈方程式２〉皆需參與反應之粒子，有足夠之動能，以便克服粒子間之庫倫斥力，使粒子充分接近至核子力之有效範圍（約10-13公分）內，方能提高反應率，而引起核子融合。

 

如欲提高核子動能，別需反應在高溫下進行（因高溫表示核子之動能大）或以加速器將粒子加速。

 

如以同步輻射加速器或線型加速器使粒子加速以提高動能，則因而產生之融合反應，極其有限，且由此獲得之能量，如與運轉加速器所耗費之龐大能量相較。

 

微乎其微，故以加速器提高粒子動能，似無法達成有效之核融合反應。

 

如欲核融合反應順利進行，則需粒子動能約在104ev（ev表電子伏特，為能量單位）上下，即使星球核心之溫度（如太陽核心溫度為107度，相當於103ev），反應率仍甚低，惟星球之體積與質量均極龐大，可產生龐大之能量，以彌補個別反應率過低之不足。

 

如在地球上建造有效之核融合反應器，則必須使溫度超過星球核心之高溫，以提升粒子動能及反應率，方能產生高度核融合。

 

造成如此高溫電漿，在現代科技水準下，雖不難達成，但如何容納此高溫電漿，使其聚集不散，（即將其包圍），則極為困難。

 

以星球質量之龐大，其本身之萬有引力，足以使星球電漿聚集不散，而形成穩定之球體。

 

換言之，星球之重力。

 

宛如一自動容器，使星球電漿聚集於星體內。

 

在地球上欲將超越星球核心溫度之高溫電漿容納包圍，唯一可行之法乃造一強大磁場以包圍此高溫電漿，因帶電粒子能環繞磁場故為磁場所束縛。

 

換言之，磁場之作用如一容器，可將電漿包圍。

 

如此以磁場為容器，注入氫氣，復以雷射束照射氫氣使之加熱，以產生核融合。

 

另一方式乃將可能產生核融合材料製成小球，而以強力雷射從四面八方照射小球，使小球溫度急速升高以引起核融合。

 

在小球內產生之核融合猶如小型之氫彈爆炸。

 

惟此二法所產生之核融合反應，皆不持久，僅能維持極短之時間，離實用程度尚遠。

 

如何將電漿加熱，使溫度升高以產生核融合，又如何容納此反應進行中之高溫電漿，使之穩定而聚集不散，乃現代電漿物理學所研討之主題。

 

然電漿物理之應用範圍甚廣，由本文中前此之討論，不難想見電漿物理在高層大氣（如電離層、電漿層、磁層等）、太空物理（如太陽風、行星際介質等）、天文物理（如星球物理、宇宙線、星際介質、銀河系構造等）、能量轉換。

 

太空船之推進、固體物理及雷射物理等各方面之廣泛應用。

 

（鄒志剛）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=8843