【极热篇｜第二章：不同温度的物质形态】02 等离子体

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这一节我们来看一下，温度继续升高，会出现什么新的物质形态。

2.2.1 火到底是什么？

首先我们来回答一个问题：火到底是什么？火是所有人都很熟悉的，但是估计没有多少人知道火到底是什么。其实火不是一种具体的东西，而是一个过程。火是一个化学反应（主要是氧化反应）发生的过程中所产生的光和热。

氧化反应发生的过程中，伴随着原子的电子结构发生改变，由于温度高，原子会获得更多的微观剧烈运动的动能，这种动能会让电子变得很活跃，从而从原子中逃脱，形成离子的形态。这就对应了物质的第四种形态，它不是固态、液态，也不是气态，而是等离子态。

2.2.2 等离子体

等离子态（Plasma）是指当温度升高到一定程度，电子变得极其活跃，原子核的电磁束缚无法再绑住电子，电子从原子里逃逸，进入游离的状态。

导电的本质，是因为有自由的带电粒子发生运动。因为原子核的正电荷和电子的负电荷被局限在原子的范围内，原本的氮气分子是不带电的。但成为等离子体以后，正电荷和负电荷处在自由的游离态，因此等离子体就可以导电了。

2.2.3 等离子体的特性

除了导电以外，等离子体还与磁场有相互作用。因为电荷一旦运动起来，就会受到磁场的洛伦兹力，并且运动的电荷会形成电流，也会产生磁场，所以等离子态对物质的磁性会产生影响。

一般的物质，温度达到 6000℃左右就可以成为等离子体。比如太阳表面的温度在6000℃以上，所以太阳当中的物质大多处在等离子体的状态。

除了高温，通过加强电场一样可以获得等离子体。可以考虑一个原子放在电场中的情况，由于原子核和电子的电荷相反，所以当置身于电场中的时候，原子核受到电场的作用力，一定与电子受到的相反。所以原子放在电场里会有被向两个不同方向拖拽的趋势，当电场强到一定程度，原子会被撕裂，电子被电场从原子核里拔出来，这就是电离反应，也叫击穿，闪电的原理就是如此。

空气原本是绝缘的，闪电的本质是因为云层积累的电荷导致云层和地面产生了强大的电压，这个电压会建立起一个强大的电场，达到击穿的程度，使空气被电离，由绝缘变成导电，从而形成闪电。闪电是一次大规模的放电过程。

等离子体在日常生活中的应用不少，比如老式的日光灯和霓虹灯，本质上就是通过制造瞬时高电压，把灯管里的绝缘气体击穿成为等离子体，再利用等离子体的特性进行发光。

2.2.4 核聚变

如果在等离子体的基础上继续升温，就有可能发生核反应，也就是在【极小篇】第四章介绍过的核聚变。核反应过程的思路，与分析等离子体是类似的。等离子体的形成本质上是因为高温，或者强电场，破坏了原有的中性原子结构。等温度继续升高到一定程度，就要开始破坏原子核的结构了。

核聚变就是一种原子核结构被破坏的反应。当然，高温不是核聚变的本质，它只是一种实现核聚变的手段。核聚变是通过高温，把原子核的运动速度加速到极快，使原子核之间的强烈碰撞破坏原有的原子核，从而形成新的结构。

到了核聚变这个层面，温度再升高产生的主要区别，就是可以启动不同类型的核反应。比如，氢核反应的要求比较低，在太阳内部有 1500万℃就可以开启。这是因为太阳内部压力大、密度高，所以1500万℃就够了。但是在正常情况下，要一亿度。氢聚变成氦，氦要继续聚变，就需要更高的温度。即便在恒星高压强的环境下大约也要一亿多度，氦结合成碳和氧，再往下就更加困难。

至此，我们已经梳理了随着温度由低到高，物质的各种形态。但是我们能如何获得高温呢？我们学习过天体的质量可以产生高温，原子弹爆炸可以产生高温。但是如果要人造可控高温，应该怎么办呢？用燃烧的方式获得的高温是有限的，几万度基本到顶了。如果要获得千万度、上亿度这样的高温，不用核反应，有什么办法可以做到呢？答案是激光。下一节，我们来介绍激光的原理。