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低溫等離子體的概念

Aug. 03, 2023

存在于自然界的各種物質(zhì),根據(jù)所處溫度的不同可以分為三種狀態(tài),分別是固態(tài)液態(tài)和氣態(tài)這些狀態(tài)指的是由微觀粒子組成的大物體的實際聚集狀態(tài),根據(jù)所處環(huán)境的不同會體現(xiàn)出不同的存在狀態(tài)。

在物質(zhì)的各種狀態(tài)中,結(jié)合成固態(tài)的粒子之間的結(jié)合最緊密,液態(tài)次之,氣態(tài)則最分散要使物質(zhì)從緊密的聚合態(tài)轉(zhuǎn)化到分散的聚合態(tài),就需要提供額外的能量例如物質(zhì)從固態(tài)轉(zhuǎn)化到液態(tài)時,就需要提供足夠大的能量,使組成固態(tài)物質(zhì)的粒子的平均動能超過粒子在固態(tài)物質(zhì)中的結(jié)合能,只有施加的能量大到可以破壞固態(tài)物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)時,固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變才會實現(xiàn)同理,從液態(tài)到氣態(tài)的變化也是如此當(dāng)物質(zhì)變?yōu)闅鈶B(tài)后,如果繼續(xù)施加能量,組成氣態(tài)物質(zhì)的粒子就會發(fā)生電離,變成分別帶正負(fù)電荷的離子和電子。

對氣體來說,只要環(huán)境溫度不為零,就一定會有微量粒子是自然電離的,但是電離粒子的數(shù)量不會使氣體的性質(zhì)發(fā)生改變?nèi)绻饨绛h(huán)境發(fā)生改變或者施加人為的影響,使氣體中帶電粒子的濃度超過一定值(一般情況下是千分之一),此時氣體雖然依舊表現(xiàn)的比較穩(wěn)定,但是整個系統(tǒng)的運動,卻已經(jīng)被帶電粒子所支配,當(dāng)從外界施加電磁場時,就會表現(xiàn)出一系列新的性質(zhì)當(dāng)氣體完全電離或部分電離后,其中自由電子和離子所帶的電荷總數(shù)上是相互抵消的,我們把這種狀態(tài)下的氣體,稱為等離子體,也可以稱為物質(zhì)的第四態(tài)。

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依照熱力學(xué)平衡,可將等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體。

(1)高溫等離子體的電離率很高,電子溫度、離子溫度和氣體溫度基本一致,如核聚變等離子體。

(2)低溫等離子體只有部分氣體被電離,因為等離子體中各種粒子溫度很難完全一致,因此又可細(xì)分為兩種:

熱平衡等離子體中電子溫度、離子溫度和氣體溫度達(dá)到局部熱平衡,且電子密度和氣體溫度都很高。

非熱平衡等離子體(也被稱為冷等離子體)中電子溫度很高,而離子和氣體溫度則接近常溫。

低溫等離子體實現(xiàn)條件簡單,在常溫常壓下便可產(chǎn)生,而且消耗能量較少、對環(huán)境的要求不高,大氣環(huán)境中便可實現(xiàn),適合于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

低溫離子體中的高能電子能夠在低溫條件下碰撞產(chǎn)生自由基、激發(fā)態(tài)的分子、原子、離子等化學(xué)活性種。使用低溫等離子體處理材料,可以激發(fā)材料表面分子發(fā)生電離,同時被處理的材料又始終處于較低的溫度,這使得材料整體的性質(zhì)不發(fā)生改變、組成成分不發(fā)生破壞。因此低溫等離子體技術(shù)被普遍用于污染物處理、納米材料合成、表面改性等領(lǐng)域。

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