固、液、氣、物質僅此三態嗎?第四態等離子體化學  

固、液、氣,物質僅此三態嗎?

等離子體化學

物質有幾態? 很多人會不假思索地脫口而出:"氣、液、固三態"作出這樣的回答是可以理解的,因為在我們周圍,物質都是以這三種聚集狀態存在的。然而,與地球上的情況截然不同的是,在茫茫宇宙中,99%以上的物質卻是以第四種狀態,即等離子態存在的。

當溫度升高到數百萬度或更高時,或在某種放電的情況下,原子核外的電子成為遊離狀態。這時氣體就成為自由電子和裸露的原子核的混合物了。這種電離氣體與普通氣體有著本質的區別,首先,它是一種帶電流體,其次,粒子間存在庫侖力,作為一個帶電粒子系統,其運動行為會受到磁場的影響,故是一種新的聚集狀態。按人們認識的順序,列為第四態。由於電子和離子所帶的電荷相反,而正負電荷總數數值上是相等的,所以整體上仍呈中性狀態,故稱為等離子態。

人們對固、液、氣三態十分熟悉,而對等離子態卻很陌生。這是因為在地球表面的環境中,通常不具備等離子體產生的條件。例如在地球大氣層中,由於宇宙射線的作用,每秒鐘在1立方釐米內,大約只產生5對離子,這相對於大氣密度來說,實在是微乎其微。因此,只有在特定的條件下,才能看到自然界的等離子體現象,如閃電和極光發生時從整個宇宙的角度看,能以等離子態以外的狀態存在的物質僅為1%。雖然太陽系中的行星多是固態,但太陽本身就是一個灼熱的等離子體火球,星際空間和其它的恒星,以及地球上空的電離層也都是等離子體。因此,等離子態是物質存在的最主要、最普遍的形式。

在我們周圍,通過放電人為製造的等離子體還是有的,最常見的是霓虹燈管中的輝光放電。電弧和螢光燈管中也都存在等離子體。人們在實驗室中最早研究的等離子體就是通過氣體放電獲得的。

物理學家早在19世紀初就提出了是否存在第四態的問題,並努力作了種種探索和研究。在20世紀30年代,明確了等離子體的存在,並將其應用於照明光源、金屬加工以及磁流體發電等領域,而為瞭解決人類能源問題的受控核聚變,則是等離子體最重要的研究方向。化學家早在2000多年前就注意到氣體放電時會發生某些特殊的化學反應。例如,1758年便探測到空氣的火花放電能生成臭氧,1785年利用氣體放電製備了一氧化氮,1863年利用在碳電極之間使氫氣放電,直接生成了乙炔等等。但這些只是“放電化學”這一分支學科的內容。
現在,人們對等離子體從化學角度加以研究。化學是在分子原子層次上研究物質變化的科學,化學反應,千變萬化都是原子或原子團的重新組合。為使重新組合得以進行,必須提供反應所需要的活化能,由於很多反應的活化能很高,因而難以實現。但等離子體富集著大量激發態自由基,於是顯示出許多特異的化學現象,甚至在無催化劑的條件下,即可由一些簡單物質得到比較複雜的生成物。據分析考證,遠古時代就是由於在地表附近經常發生放電現象,將大氣圈中的簡單物質激發到等離子態,再經過反應合成為最初的有機物質。也就是說,地球上的生命起源與等離子體有重要關係。

現在,產生等離子體的方法和途徑很多。除宇宙天體及地球上層大氣的電離屬於自然界產生的等離子體外,人工等離子體產生的方法有:氣體放電法、光電離和鐳射輻射電離法、射線輻照法、燃燒法和衝擊波法,從本質上可分為光致電離熱致電離兩大類。

1967年,“等離子體化學”這一術語最初出現在書名上,隨後正式成為化學的一門分支學科。雖然直到目前,它還是一個“發展中”學科,但隨著人們對等離子體的性質特點和化學反應規律的認識逐漸加深,其應用範圍不斷擴展。由於等離子體含有離子電子激發態原子分子、自由基等這些極活潑的化學反應物種,其性質與固、液、氣三態有本質的區別和顯著特點。如等離子體中的各種粒子溫度可達5×1032×104K,如此之高的溫度,既可作為熱源進行高熔點金屬的熔煉提純,難熔金屬、陶瓷的熔射噴塗,也可進行各種超高溫化學反應,如超高溫耐熱材料的合成等。

通常在“三態”下,進行數千度以上的高溫反應是難以想像的,僅反應器的材料就很成問題。而等離子態不同,因為等離子體與任何容器並非直接接觸,二者之間會形成一個電中性破壞了的薄層,即“等離子鞘”,使高溫不會直接傳給器壁,故數萬度的高溫在技術上也易於實現。

在無機合成和材料科學方面,利用等離子體新工藝生產的新材料不勝枚舉。這裡僅舉兩例,一是非晶矽太陽能電池的大規模廉價生產。單晶矽太陽能電池雖研製較早,在衛星、宇航等方面已成功應用,但其製造工藝複雜,成本太高,不能大量民用。而非晶矽太陽能電池卻後來居上,自80年代開始迅速商品化,就得益於等離子體化學氣相沉積(PCVD)工藝的應用,實現了非晶矽太陽能電池的廉價大面積自動化生產。第二個例子是超導薄膜的研製。等離子體工藝作為優良的制膜技術被普通採用,為高溫超導薄膜的研製提供了技術條件。

在分析化學方面,等離子光譜是以等離子體作光源的光譜分析法,其中用得最多的為電感耦合高頻等離子體炬(ICP),與經典的光譜分析相比,ICP有許多優點。若與多通道光電光譜儀及電腦聯用,其分析速度極快,分析30個元素只需1分鐘,因此ICP已廣泛應用於化工、冶金、地質、農業、醫學、環保、地球化學等許多領域,成為當今較為理想的分析方法之一。在高分子科學方面的應用涉及面極廣,發展非常迅速,特別適用於研製功能高分子。在半導體器件生產方面,等離子體技術為大型積體電路的更新換代提供了可靠的技術基礎。總之,等離子體的應用成果日新月異,層出不窮。

等離子態比氣體密度小,有沒有比固體密度大的狀態呢?有!這就是第五態--“超固態”。與電子脫離原子核而獲得“自由”相反,當加上140萬個大氣壓時,原子核外的電子就會和原子核擠在一起,其密度則大得驚人,一滴水珠大小的這種物質可達上萬噸,故人們稱之為超固態。

超固態是天文學家最早發現的。宇宙中的中子星、矮星等,密度大得不可思議,就是因為這些天體上的物質處於超固態。現在,在地球上已人工制得超固態物質,它的硬度很大,是製作鑽探和切割用具的好材料。有資料表明,科學家還發現了第六態——“超離子態”和第七態——“輻射場態”。科學的奧秘真是難以窮盡。

 

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