物質(zhì)的第四態(tài)

華興恒　劉　雨

我們每個(gè)人都生活在一個(gè)豐富多彩、五光十色的物質(zhì)世界中，我們身邊的絕大多數(shù)物質(zhì)都是以固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)這三種不同的形式存在著的。物質(zhì)除了具有上述三種我們常見的狀態(tài)之外，是否還存在著第四種狀態(tài)、第五種狀態(tài)呢?科學(xué)研究證明，對(duì)于這個(gè)問題的回答是肯定的。

實(shí)物為什么會(huì)表現(xiàn)出固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)這三種不同的狀態(tài)呢?這是由構(gòu)成物質(zhì)的粒子之間相互作用的情況決定的。在物質(zhì)的內(nèi)部，存在著分子之間相互作用的引力和由于分子熱運(yùn)動(dòng)引起的相互作用的斥力這兩種力。由于這兩種力的作用既是同時(shí)存在，又是相互對(duì)立的，因而會(huì)使物質(zhì)在不同的溫度條件下，呈現(xiàn)出三種不同的狀態(tài)。

當(dāng)物體的溫度較低時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)并不是太劇烈，此時(shí)分子之間的相互作用的引力起主要作用，它能夠把物質(zhì)的微粒束縛在某一特定的區(qū)域內(nèi)振動(dòng)，在宏觀上就會(huì)表現(xiàn)為既具有一定的體積又具有一定形狀的固態(tài)。如冰、常溫下的鐵、巖石等都是固體，他們的物態(tài)是固態(tài)。當(dāng)溫度上升時(shí)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，結(jié)果會(huì)促使分子分散開來(lái)，由于分子引力和熱運(yùn)動(dòng)共同作用的結(jié)果，使得分子既可以在其原來(lái)的平衡位置附近振動(dòng)，又可以從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，因此在宏觀上就表現(xiàn)為只有一定的體積而沒有一定形狀的液態(tài)。物質(zhì)在這種狀態(tài)下具有流動(dòng)性，如常溫下的水、水銀、酒精都是液體，它們的物態(tài)是液態(tài)。當(dāng)物體的溫度進(jìn)一步升高時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)又會(huì)進(jìn)一步加劇，此時(shí)分子的熱運(yùn)動(dòng)起主要作用，分子就會(huì)四散逃逸，它們之間除了發(fā)生碰撞以外，做勻速直線運(yùn)動(dòng)，這時(shí)其宏觀表現(xiàn)為既沒有一定的體積又沒有一定形狀的氣態(tài)。物質(zhì)在這種狀態(tài)下具有很強(qiáng)的流動(dòng)性，如常溫下的空氣、氧氣、二氧化碳等都是氣體，它們的狀態(tài)是氣態(tài)。由此可見，這三種狀態(tài)之間在溫度發(fā)生變化的條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的，并且在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中伴隨著能量的傳遞。這就是我們常說(shuō)的物態(tài)變化。

如果按上述過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行下去，亦就是使氣態(tài)物質(zhì)的溫度繼續(xù)升高，得到的僅僅是溫度更高的氣體嗎?會(huì)不會(huì)又變成一種新的物質(zhì)狀態(tài)呢?科學(xué)家們通過(guò)深入細(xì)致的研究和認(rèn)真全面的探索知道，對(duì)這個(gè)問題的回答是肯定的：會(huì)變成一種新的物質(zhì)形態(tài)。當(dāng)溫度足夠高時(shí)，原子的外層電子就會(huì)像是斷了線的風(fēng)箏一樣，它有足夠的能量擺脫原子核對(duì)它強(qiáng)有力的束縛，成為能夠自由移動(dòng)的電子，此時(shí)原子核就變成了帶正電的離子，這樣就形成了一種全新的物質(zhì)聚集態(tài)。由于在這種聚集態(tài)中，電子所帶的負(fù)電荷總數(shù)與離子所帶的正電荷數(shù)是相等的，在宏觀上表現(xiàn)為電中性，因此人們稱之為等離子體。這便是物質(zhì)的第四態(tài)——等離子態(tài)。

那么，在哪里才有等離子體呢?事實(shí)上，在蒼茫浩瀚的宇宙之中，99％以上的物質(zhì)都是以等離子體的形式存在的。也許你會(huì)認(rèn)為這是不可思議的，但是只要你看了以下的事實(shí)就會(huì)頓悟：太陽(yáng)中心的溫度高達(dá)1000萬(wàn)攝氏度以上，就是其表面的溫度也在6000攝氏度以上。顯而易見，那里的物質(zhì)都是以等離子態(tài)存在的。像太陽(yáng)耀斑、日冕、日珥、太陽(yáng)黑子、太陽(yáng)風(fēng)等，實(shí)際上都是等離子體。在茫茫的宇宙中還有許許多多類似于太陽(yáng)的恒星，還有廣袤無(wú)垠的星際空間物質(zhì)，這些都是等離子體。再如，氣態(tài)物質(zhì)在高溫、強(qiáng)紫外線的的作用下，可以轉(zhuǎn)變?yōu)橛烧x子和游離電子所構(gòu)成的物質(zhì)，它就是等離子體。像我們?nèi)祟惥幼〉牡厍?，這種冷星，在茫茫的宇宙之中倒是為數(shù)不多的。

正是由于這個(gè)原因，地球上才有了適合我們?nèi)祟惿娴沫h(huán)境，同時(shí)也就失去了形成自然狀態(tài)的等離子體的條件。雖然如此，但是在地球上我們?nèi)匀豢梢钥吹揭恍┢娈惗嘧说牡入x子現(xiàn)象。比如，雷電和激光就是等離子體的杰作，科學(xué)家們從閃電中得到了有益的啟示，于是他們利用放電的方法，在實(shí)驗(yàn)室中制造出了等離子體。在地球的南北兩極經(jīng)常發(fā)生的奇異現(xiàn)象——瑰麗的極光，就是太陽(yáng)風(fēng)從地球的極點(diǎn)進(jìn)入大氣層，與空氣中的氧原子和氮原子發(fā)生劇烈的碰撞，使之成為激發(fā)態(tài)的原子，這些原子隨后以光輻射的形式釋放能量而形成離子，因而產(chǎn)生極光的物質(zhì)形態(tài)也是等離子體。

等離子體具有許多其他三態(tài)所沒有的特性。比如，它可以有很高的溫度，在金屬切割、焊接和受控?zé)岷司圩冎杏兄匾淖饔?；等離子體還有很強(qiáng)的化學(xué)活性。在一般狀態(tài)下，很難發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，在等離子狀態(tài)下就很容易發(fā)生，反應(yīng)時(shí)間可以由幾小時(shí)縮短到幾分之一秒；等離子體還可以放電發(fā)光，在日光燈、紫外燈、水銀燈、霓虹燈中，都有等離子體，就連蠟燭燃燒的火苗中也有等離子體。這些利用人工的方法產(chǎn)生的等離子體，溫度并不都是很高，所以等離子體是溫度升高的必然結(jié)果，但這并不是說(shuō)一提到等離子體，就意味著高溫度。

目前，人們對(duì)等離子體的認(rèn)識(shí)還很不夠，隨著對(duì)等離子體的認(rèn)識(shí)的深入，人們將會(huì)揭開更多的奧秘，也必將會(huì)給等離子體的應(yīng)用帶來(lái)更新、更廣闊、更誘人的前景。