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物質的第四態 電漿

生活中常見物質有「三態」──固態、液態、氣態與電離態「電漿」又稱為物質的第四態,不論何態電子均安分的存在原子或分子外圍的軌域;而電漿態則是,原子或分子外圍的電子受外力(如熱、光、或電場)而脫離原子或分子束縛的狀態。「電漿態」即是系統中包含大量電子的狀態,在電漿態中仍然遵守電中性原則,因此電子進入生物體中之農藥可經由氧化、還原、水解及接合作用而形成極性化合物,增加農藥之水溶性,使較易排出體外而可避免累積於生物體中,此為農藥之生物代謝。

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」。,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。
這種固、液、氣三態互變的過程稱為相變。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。

二、原理

電漿通常稱為物質的第四態,它是由正、負離子、電子與中性粒子所組成。廣泛存在於自然界中(宇宙)。非熱電漿的形成是由大氣混合氣流中的高活性物質所組成,例如電子、離子、自由基、激發原子與激發分子等,這些氣體溫度通常低於電子溫度甚至低於室溫,根據研究報告指出,水中產生非熱電漿其能量將會於水中交換,因為電漿停留於水中時間極短,其電漿的高能量將會注入水中。電漿是由許多之粒子所組成,當電漿的產生週期為出現、激發、熄滅的循環,其粒子皆呈現為糾結在一起的形式,故在能量的轉變後碰撞、激盪、離子化的顆粒常見於水中。除了上述自体的特性之外,電漿還伴隨下列物理特性︰其一電漿產生之過程中其水體溫度會劇烈增加(dT/dt ≒109 centigrade/second) ,這樣的劇烈溫度變化下,將會造成水體中微生物難以生存。其二因水中的空間有限,限制了電漿的延展性,所以造成了局部高壓放電約在106-108 kg/m2,又因水不可壓縮,故高壓放電會於水體中形成強烈衝擊的震盪波。最後,所形成的電漿會同時產生電場與磁場能力淨化廢水,因此電漿技術將有更高效能處理廢水中有機污染物。

電漿原理

電漿為氣體物質在電磁場中被解離成正負粒子的狀態。基本上電漿含有陰陽離子、電子、高反應性的自由基和中性粒子。在電場中,由於電子的平均自由徑(mean free path)較陽離子大很多,因此電子可被急劇加速,累積至極高能量(數十eV),此高能電子和原子或分子碰撞,將可打斷分子內的鍵結而形成高反應性的自由基(Reactive free radical
),或使原子、分子產生解離(Ionization)而進行分解反應。解離所產生的電子再受電場加速,與原子、分子碰撞,產生更多的電子、離子、或自由基....,形成連鎖反應(Chain reaction),最後形成具高能電子、高反應性自由基的電漿狀態。
電漿的產生是靠碰撞,當電子在電場中加速時將獲得極高的動能,而加速過程中若碰撞到氣體分子或原子時把能量傳遞過去。因為電子遠較氣體分子或原子小,所以碰撞造成的結果不是增加氣體的動能,而是提高其位能。
從原子的角度來看,位能的提高將造成原子內電子的遷移,如果達到足夠的能量甚至會跳離原子,產生一顆離子和一顆電子,這是一個如下式的解離反應:e-+ Ar   Ar + + 2e-產生的兩顆電子再經電場加速到足夠的動能進行下一次的解離,於是由一顆電子產生兩顆,兩顆到四顆,如此以等比級數增加,最後造成全面性的解離崩潰而產生穩定的電漿。

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電漿物質的第四態被稱為電漿態,或者「超氣態」,也稱「電漿體」。

電漿(Plasma)是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質形態,廣泛存在於宇宙中,常被視為是物質的第四態,被稱為電漿態,或者「超氣態」,也稱「電漿體」。電漿具有很高的電導率,與電磁場存在極強的耦合作用。物理學,用來描述氣體放電管裡的物質形態,意為可形塑的物體。 如果對氣體持續加熱,使分子分解為原子並發生解離,就形成了由離子、電子和中性粒子組成的氣體,這種狀態稱為電漿。除了加熱之外,還可以利用如加上強電磁場等方法使其解離。電漿與氣體的性質差異很大,電漿中起主導作用的是長程的庫侖力,而且電子的質量很小,可以自由運動,因此電漿中存在顯著的集體過程(collective behavior),如振盪與波動行為。電漿中存在與電磁輻射無關的聲波,稱為阿爾文波。 電漿態常被稱為「超氣態」,它和氣體有很多相似之處,比如:沒有確定形狀和體積,具有流動性,但電漿也有很多獨特的性質。電漿中的粒子具有群體效應,只要一個粒子擾動,這個擾動會傳播到每個電漿中的電離粒子。電漿本身亦是良導體。 電漿和普通氣體的最大區別是它是一種電離氣體。 由於存在帶負電的自由電子和帶正電的離子,有很高的電導率,和電磁場的耦合作用也極強;帶電粒子可以同電場耦合,帶電粒子流可以和磁場耦合。和一般氣體不同的是,電漿包含兩到三種不同組成粒子:自由電子,帶正電的離子和未電離的原子。 我們針對不同的組分定義不同的溫度:電子溫度和離子溫度。輕度電離的電漿,離子溫度一般遠低於電子溫度,稱之為「低溫電漿」。高度電離的電漿,離子溫度和電子溫度都很高,稱為「高溫電漿」。相比於一般氣體,電漿組成粒子間的交互作用也大很多。 電子、離子、正電子和反質子這類的帶電粒子集團因其集體式運動和電漿相似,被稱作非中性電漿。這類非中性電漿不會因溫度下降而發生如離子與電子相互結合這類情況,被用於製出低溫電漿。