探索新物态：物理学的正确打开方式（三）等离子体

       等离子体是物质最先采取的存在形态， 却是人类最晚才认识到的。 1879 年 8 月 22 日 ， 英国的克鲁克斯（William Crookes） 爵士在研究电现象时发现了 一种“辐射性物质” （不断往外发光的物质形态，radiant matter， 不 要 同 核 物 理 中 的 放 射 性 物 质radioactive matter 混淆了 ）， 将之命名为“物质第四态”（图 2）； 1928 年朗缪尔首用 plasma 一词， 可能是他那时想到了 血浆（blood plasma）。

       那时还没用等离子体这个词即使在今天的宇宙中， 等离子体也是最普遍的正常物质， 主要包括存在于恒星中的等离子体以及星系间的稀薄等离子体。 所有的恒星都是由等离子体构成的。 我们的太阳就是一个炽热的由氢和氦的等离子体组成的大火球， 其中 心温度约为 1.57×10 7 K， 其光球对应的温度为 5778 K。 因为太阳等离子体发出的光为地球源源不断地送来了 能量， 地球才如此生机勃勃， 产生了 生命直至能够理解物质形态的人类。

       什么是等离子体呢？ 不太严格地说， 等离子体是与气体相似的物质状态， 其中的气体原子、 分子是部分甚至全部离化了 的， 因此等离子体包含大量的电子、 正离子和一些负离子。 实际上， 一团气体哪怕只是有 1%的原子、 分子是电离的， 它就具有了等离子体的特征。 注意， 英文的 plasma 的意义很开放， 并不如中文“等离子体” 那样给人错误的暗示，许多提到 plasma 的场合， 正负电荷数目 并不相等；而像质子-中子 plasma， 夸克-胶子 plasma， 干脆就没有气体、 离子的事， 也谈不上正负电荷数目 相等的问题。

       描述等离子体的特征参数是电子密度和温度。因为电子和离子质量差别很大， 电子之间要比电子同离子之间更快地达到平衡， 因此等离子体常常由两个温度表征： 电子温度和离子温度。 其实， 这里提及的温度取决于一个分布函数， 麦克斯韦分布，表示具有能量 E 的粒子数， 其数目 N（E） ∝ exp[−E/(kT)]。 可以想见， 电子温度的数值比离子温度大。 如果电子和离子可以用同一个分布函数描述，则等离子体只有一个温度， 这样的等离子体被称为热 等 离 子 体 （ thermal plasma ， 相 对 应 的 是non-thermal plasma）。 而冷等离子体（cold plasma）则指的是离子温度接近室温的等离子体， 这样的等离子体可以用到脆弱的材料甚至生命活体上。