1991/09/05董家齊｜陳寬任 成大物理系 教授

雖然宇宙空間充滿電漿，而且在現代工業生產中也漸漸地廣泛應用，但大多數人對「電漿」可能顯得比較生疏，或許還有幾分神秘，這主要是因為在地球表面，自然存在的電漿不多。 我們都知道，H2O是一種物質，在地球表面的常溫下，呈液態，稱之為「水」。如果溫度低於攝氏0度，它就會變成固態，叫做「冰」。如果溫度高於攝氏100度，它就會變成氣態，叫做「水蒸氣」。其實，不光是H2O，大多數物質都是這樣，溫度低時呈固態，中等溫度時呈液態，溫度高時呈氣態，這就是我們通常知道的物質存在的三種狀態。當然，這裡所說的低溫、中溫和高溫，對不同的物質是不一樣的。冰在高於攝氏0度時就會變成水，而鐵只有當溫度高於攝氏1,536.5度時才會熔化成液態。 物質是由分子組成的，一個分子可以包含一個或幾個原子。在固體物質中，分子之間的相互束縛力很強，以至於分子和分子之間的相對位置是固定的，不能隨便移動。對一固體加熱，其分子的動能增加，克服固定其位置的相互束縛能，使其間的相對位置可以改變，成為液體。分子在液體內雖然可以較自由地運動，但不能自由離開液體的表面。所以液體仍然是我們肉眼看得見，用手摸得到的凝聚體。對一液體再加熱，其分子的熱運動動能會繼續增加，而最終可以完全脫離表面的束縛，液體也就成為分子可以自由運動的氣體。 這種固、液、氣三態互變的過程稱為相變。它可以向兩個方向發展，一是對一固體繼續降溫，一是對一氣體繼續加熱。實驗結果告訴我們，前者只會引起物質性質的變化，但是，後者卻完全不同，它會使物質變成一種新的狀態–電漿態，電漿態是物質的第四態。

如上所述，物質是由分子組成的，一個分子可以包含一個或多個原子，而一個原子則是由原子核和若干個電子組成。原子核帶正電，電子帶負電，原子呈電中性。氣態時，電子在電場束縛下圍繞原子核旋轉。如果氣體被加熱，其電子的熱運動動能就會增加。一旦電子的熱運動動能超過原子核對它的束縛，電子就成為自由電子，這種過程稱之為電離。如果氣體中的所有原子都被電離，就稱為完全電離，如果只有部分原子被電離，則稱為部分電離。被電離的原子數與總原子數之比稱為電離度。電離度為100％時，即氣體被完全電離，就成為我們上面所說的物質第四態–電漿，也稱為等離子體。這是最嚴格定義的電漿，在實際應用中，部分電離的氣體，只要滿足一定的條件，也通稱為電漿。電漿中，失去電子的原子稱為離子。

因此，產生電漿的最簡單方法就是對氣體進行加熱使其電離，即成電漿。在實驗室和工業應用中，就是先把容器抽到比較高的真空，再充入所需要的氣體，但仍保持比大氣壓低的氣壓，然後再用放電或電磁波使氣體電離。在地球表面上，自然存在的電漿雖然有，比如閃電、極光等，但不多。我們接觸到的大多數是人工製造的電漿，比如日光燈、霓虹燈、火箭的尾氣、電漿電視，以及大量的實驗室和工業生產中應用的電漿系統。實際上，據估計，在宇宙中，99％以上的已知物質是處於電漿態。現代天文知識告訴我們，很多星體，比如太陽，是處於電漿態，星體周圍的大氣及星際空間也充滿了電漿。就我們地球而言，大氣層以上的電離層，太陽風等等都存在著電漿。

資料來源 《科學發展》2002年6月，354期，52 ~ 59頁