奇妙的物质第四态

宏观物质在一定压强下随温度升高，由固态变为液态，再变为气态，有的直接从固态变为气态。那么对于气态物质再继续升高温度，将会有什么变化呢？　　 

　　我们知道，温度越高，表明物质分子的热运动愈剧烈。当温度足够高时，构成分子的原子也获得足够大的动能，开始彼此分离。分子受热时分裂成原子状态的过程称为离解。在此基础上再进一步提高温改的话，就会出现另一种全新的现象，原子的外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。失去电子的原子变成带正电的离子。这个过程叫电离。电离的方式主要有以下几种：

　　热电离 在高温下，气体质点的热运动速度很大，具有很大的动能，相互之间的碰撞会使原子中的电子获得足够大能量，一旦超过电离能就会产生电离。

　　光电离 当气体受到光的照射时，原子也会吸收光子的能量，如果光子能量足够大，也会引起电离，这种电离方式称为光电离。要产生光电离，对于照射光必须满足下式：光电离主要发生在气体稀薄的情况下。地球外围空间的电离层就是由太阳的紫外辐射光将高空中稀薄气体电离而形成的。

　　碰撞电离 气体中的带电粒子在电场中加速获得能量。这些能量大的带电粒子服气体原子碰撞进行能量交换，从而使气体电离。碰撞电离中主要是电子的贡献。

　　发生了电离(无论是部分电离还是完全电离)的气体，虽然在某些方面跟普通气体有相似之处，例如描述普通气体的宏观物理量密度、温度、压力等对电离气体同样适用，但是它的主要性质却发生了本质的变化。在气体中电离成分只要超过千分之一，它的行为主要就由离子和电子之间的库仑作用力所支配，中性粒子之间的相互作用退居次要地位。并且电离气体的运动受电磁场的影响非常明显，它是一种导电率很高的导电流体。因而跟固态、液态、气态相比，它是一种性质奇特的全新物质聚集态。从聚集态的次序来看它排在第四位，所以称它为物质第四态。鉴于在这种聚集态中电子的负电荷总数和离子的正电荷总数在数值上是相等的，宏观呈现电中性。因而也叫它等离子体。

　　由此可见，等离子体就是电离气体。由于常温下气体热运动的能量不大，不会自发电离。因而在我们生活的环境中物质都以固态液态气态这三态的形式存在，而并不以等离子体这第四态形式存在室温下气体中电离的成份微乎其微。若要使电离成分占千分之一以上，必须使温度高于一万度。图1—7表示了一个大气压时氮的电离度随温度变化的情况。所以在人类生活的环境中物质决不会自发地以第四种聚集态的形式存在。然而在茫茫宇宙中却有99％以上的物质都是等离子体。看来，这也许是不可思议的。但只要看一下这样的事实就可以明白了。在太阳中心温度高达一千万度以上，那里的物质显然都以等离子体状态存在。类似太阳的许许多多恒星，星系以及广阔无垠的星际空间物质都是等离子体。而像我们人类居住的“冷星球”在宇宙中倒是为数不多的。