我要投搞

标签云

收藏小站

爱尚经典语录、名言、句子、散文、日志、唯美图片

当前位置:9号彩票 > 反射体 >

等离子体:神秘的第四种物质存在形态

归档日期:04-26       文本归类:反射体      文章编辑:爱尚语录

  近来,国产科幻电影《流浪地球》热播,有关专家和观众对此纷纷点赞,认为它开启了中国电影的“科幻元年”。

  这部影片设定在2075年,以太阳内核急速老化不断膨胀即将吞没地球为时代背景。为了逃脱被太阳吞噬的灾难,人类开启“流浪地球”计划,试图带着地球一起逃离太阳系,将其迁移到距太阳系最近的比邻星系,成为其中的一颗卫星。

  人类举全球之力,在亚洲和美洲大陆上修建了1.2万台地球发动机。这种高达11000米的地球发动机的基本原理是:以岩石为燃料,利用岩石中的硅等重元素进行核聚变反应,从而产生高温高压高能的等离子体流,通过等离子体流喷射产生的巨大反冲力,推动地球迁徙,寻找新的家园。等离子体流无疑成为影片中拯救人类的一大“功臣”。

  电影是科幻的,但等离子体是一种真实的客观存在,的确有一定的“魔力”。现在,就让我们以严谨的科学态度揭开它神秘的面纱。

  提起“等离子体”这个名字,是不是感觉有点“高大上”?它,含有的正负电荷总量相等,是一种电离了的气体。在自然界中,固态、液态、气态,是物质存在的3种形式,而等离子体则是有别于这3种形态的第4种基本形态。

  那么,等离子体是怎样产生的呢?等离子体又称为“电浆”或“离子浆”,是由大量正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等带电粒子构成的电中性集合体。由于这种“电浆”中的正负电荷总量相等,所以叫做“等离子体”。美丽多彩的霓虹灯、炽热的火焰、光辉夺目的闪电以及绚烂壮观的极光,都是等离子体现象。电影中上万台地球发动机喷口喷射出蓝白色强光,形成的一根根巨型光柱,就是在核聚变形成的高能量密度物理条件下产生的高温等离子体流。

  在地球上,等离子体物质远比固体、液体、气体物质少。然而,在整个宇宙中,等离子体占据着99%以上的物质总量,广泛存在于星际空间、恒星内部、地球电离层等自然环境中,是物质存在的主要形式,几乎主宰着整个宇宙。

  地球上的等离子体,虽然比固体、液体、气体物质少,却容易人工制造。目前,较为成熟的等离子体产生方法,是将普通气体用射线辐照、加热到足够高的温度或加强电磁场,使得气体原子的外层电子由于运动加速或受力,而脱离原子成为自由电子。这样,原来的中性气体因电离,就变成了由带正电的离子、带负电的电子以及部分未电离的原子组成的一团均匀的“浆糊”,即“电浆”,这团“浆糊”就是正负电荷总量相等的等离子体。比如,在化工、能源、材料和冶金等领域常见的电晕、辉光以及电弧等放电反应,均会产生等离子体。

  以物质第4种形态存在的等离子体,与固体、液体、气体等普通物质相比,有着与众不同的神奇特性。主要体现在以下3个方面:

  参数范围很大。等离子体的参数可以在数个数量级之间变化。例如,它的温度可以跨越7个数量级,密度跨越更是达到约25个数量级。在这么大的参数范围内,等离子体的物理性质都会显现,尽管它有几个数量级的数值范围,但性质相似。

  具有集体效应。等离子体具有很强的“集体主义”和注重协调一致的“团队精神”,这是它和其他物态的根本区别。普通物质由不带电的分子构成,分子间的作用力来源于分子的直接碰撞。而等离子体由带电粒子构成,带电粒子之间有长程的电磁相互作用力。带电粒子运动时,可通过长程力联系起来,引起正电荷或负电荷的局部分布,形成一个个小“团体”,从而增强了“行动”的协调性和统一性,极大提高其“战斗力”,内部也因此存在多种集体振荡模式。

  能够局域带电。等离子体虽然在整体上是电中性的,但是由于集体效应形成电荷的局部分布,它在空间小尺度上是带电的,具有微观电磁场。其内部的微观电磁场会影响带电粒子的运动,并伴有极强的热辐射和热传导。而等离子体与电磁场又存在极强的耦合作用,因而具有很高的电导率,内部存在多种集体振荡模式,能被磁场约束作回旋运动。一些等离子体还具有良好的电磁波响应性质。此外,等离子体能以电磁波反射体形式,对电磁波产生干扰作用,使电磁波往返途径弯曲。

  等离子体具有优良的电磁性质,这就决定了它具有极高的应用价值,其相关技术和工艺被广泛应用于照明、显示、医疗、喷涂、通信及半导体器件制造等行业中。在国防和军事领域,它更是有着极大的应用前景,甚至是一种重要的国防资源。

  近地空间等离子体环境数据应用广阔。当今世界,近地空间在军事领域中的地位和作用日益显现,成为各主要军事强国纷纷争夺的新高地。目前,几乎所有的洲际弹道导弹和潜射弹道导弹以及全球40%的航天飞行器,都运行于近地空间。地球电离层等离子体以及日地空间中的等离子体状态,对于航天器及导弹的正常飞行有重大的影响。比如,空间磁暴和地球电离层扰动,会干扰电磁波传播和远距离微波通信;太阳活动引起的地磁风暴,能够致盲航天器上的传感器并干扰机载电子设备;日冕物质抛射或由太阳耀斑加速的高能粒子,可破坏航天器电子设备,甚至对宇航员的健康与生命安全造成威胁。人类要利用好近地空间,就必须以空间和地面观测数据为基础,对日地空间及电离层的等离子体形态结构建立数值模型,研究并预测近地空间等离子体环境特性及变化规律,以保护通信导航、卫星、航天器等系统的正常运行,提高近地空间的管控和开发水平。

  激光等离子体加速器潜能巨大。与传统加速器技术相比,激光等离子体加速器的加速梯度能够提高上千倍,可以在厘米尺度上把带电粒子加速到10亿电子伏的高能量,具有小型化、低成本的独特优势。加速器技术在国防工业等领域具有广泛而深入的应用。激光等离子体加速器与微型波荡器的结合,能够有效产生高亮度的X射线、γ射线、太赫兹等多种辐射,具有小型化、波段宽、亮度高的优点,可以应用于惯性约束核聚变中的靶丸状态诊断、库存武器无损检测和爆炸物鉴别。

  等离子体隐身技术性能优越。利用等离子体发生器,在飞机表面形成一层等离子云,设计等离子体的能量、电离度、振荡频率和碰撞频率等特征参数,使照射到等离子云上的雷达波一部分被吸收,一部分改变传播方向,回波被有效减少,雷达难以探测,以达到隐身的目的。还能通过改变反射信号的路径,使敌方雷达测出错误的飞机位置和大小而迷惑敌人。与吸波材料等隐身技术相比,等离子体隐身技术具有吸收频带宽、隐身效果好、无需改变飞行器外形等优点。据报道,采用该技术的飞行器被敌方发现的概率可降低99%。

  此外,利用等离子体替代金属可实现无线电信号的发射与接收,形成一种气态可重构天线技术。这种等离子体天线,即使在工作状态也不会反射普通的雷达波,它的宽带和可重构性能特别适用于扩频、跳频等主动隐身技术。而高压脉冲等离子体天线能够实现大功率输出,可解决目前微波天线设计中的大功率问题,同时具有抗干扰能力强、容易操控、结构轻巧等优点。

本文链接:http://comptoirtony.com/fansheti/33.html