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留的一个长贴,保存下来:等离子体的通俗解释

(2009-08-10 19:05:35) 下一个
有人问 plasma (等离子体,香港人翻译成电浆) 是什么东西,我留了个言,算比较好懂的、比较直观的解释,如下:

你知道分子是由原子构成的,原子呢,中间有个原子核,外面有些电子围绕它在跑。别看这些电子跑得飘忽不定,但是基本上都在自己的轨道上跑。而且这些电子团队精神比较差,通常谁也不买谁的账,喜欢相互排斥,所以每条轨道上最多只能呆两个电子。最先发现电子喜欢排斥没有团队精神一山不容三虎的,是个叫泡利的人。这个人目空一切,发现这个规律后就去给希特勒造原子弹。

有些元素,例如钠原子,为什么容易产生化学反应呢?这是因为其原子核对其第十一个电子控制非常不牢 (至于为啥不牢固,那就得学量子力学了,呵呵),所以这原子核“稍有啥不慎”的话,那个电子就跑掉了,被别的原子核俘虏了 (例如氯原子。你知道食盐就是氯化钠)。

这里“稍有啥不慎”是甚么意思呢?直观点讲,就是温度足够高的时候。如果温度很低,例如说接近绝对零度(也就是摄氏零下273度多)时,所有的原子都是稳定的,原子核能将其电子牢牢控制起来,比任何独裁者还中央集权,呵呵。这时电子都冻僵了,几乎不动了,别说原子核能控制它们,连我这样的笨笨也能控制它们......

温度是啥呢?在物理中温度实际上是个统计概念,直观点讲,就是物质内部 (分子、原子、电子等) 运动剧烈程度的度量。所以,你可以想像一下,温度越高,电子就跑动越厉害,就越不安分,原子核对电子 (主要是外层电子) 的束缚就越弱,越来越觉得无可奈何,对不对?

所以你可以想像一下,随着温度的升高,那些最容易跑掉的电子例如钠原子的电子 (类似地,那些最容易抢到别人电子的原子核,例如氯原子),就最先跑掉(之所以说钠原子化学性质比较活泼,就是这个意思),跑掉一个电子后,钠原子就和他的邻居氖原子 (惰性气体) 一样,在“常规条件”下,很稳定(至于为啥稳定,则需要学量子力学)。

随着温度的升高,像那些对电子束缚较好的原子,例如铁原子,也感到吃力,因为温度越高,电子就越不安分,铁原子此时就会顾此失彼,冷不丁地让一些电子给跑掉了,真真欲哭无泪,呵呵。

如果温度继续升高呢,金子的电子也不会安分的,也会挣脱金原子的束缚,当逃兵,投入别人的怀抱:)

如果温度继续升高呢,连氦、氖等原子这样与世无争的世外高人惰性气体也会恐慌,它们也无法束缚其电子。所以说这什么惰性呀、悠闲呀、淡薄呀、与世无争等呀,等等,其实是相对的,要是环境恶劣,它们也如凡夫俗子般躁动不安......

如果温度继续升高呢,所有的原子都束缚不住其电子,所有的电子都逃离了原子核的束缚,变成了这些原子核的公共财产,实现了共产主义。这个状态就是 plasma,等离子体。

如果温度继续升高呢,莫说原子核控制不了电子,连原子核自己也会出问题。原子核对电子的控制,是通过电磁相互作用 (例如库仑力)实现的,而原子核那么多的质子、中子之所以能被捆绑在一起(特别,几个质子离得那么近,库仑排斥力还是很大的,对不对),是因为强相互作用的缘故。强相互作用在近距离范围内太厉害了,通常情况下能将质子、中子捆得牢牢的,比海枯石烂般的爱情誓言可靠得多。但是这种牢固是相对的,温度如果足够高了(例如达到太阳里面的温度),原子核也会被炸开,或者因为剧烈的动荡而挤成一堆。这时比较轻的原子核就会误打误撞和别的较轻的原子核捆绑起来,重新组合成更重、但是更加稳定、更重的原子,释放能量(释放能量后的重组肯定更加稳定,对不对?直观上应该容易理解的,呵呵),----例如太阳的核聚变,氢弹----或者那些较重的原子核(例如铀)被炸裂成更小、更稳定的原子,释放能量,例如原子弹,也就是当年老美投在日本广岛、长崎上的那个东西。老美在投那个东西前和日本最后一战,死了五万多人,气得个半死,所以要报复日本......

如果温度继续升高呢,这就不止是质子、中子分道扬镳的问题了,而是质子、中子本身也会被炸裂的问题。现在的物理学认为一个质子或者一个中子将被炸成三个更小东西,这种东西称为夸克。物理学家们认为总共有 6种夸克。夸克模型和弱电统一理论是上世纪最后的两个重要成就,随后物理学几十年没有本质的进展。现在的诺贝尔物理学奖无人可发,于是发给以前那些做物理习题做得好的学生。

如果温度继续升高呢,实验物理就回答不了了,但是理论物理却还能前进一步或者几步。物理学家们会说,比如说在某种模型之中 (最简单的超对称模型之中),空间有9维(咱们现在的空间是三维的,对不对?所谓的立体几何),再加上一维的时间,空间和时间搅和在一起,彼此纠缠不清(实际上狭义相对论的空间和时间就是搅和在一起的,呵呵),一共有十维。据说温度相当高时,例如在宇宙大爆炸早期,咱们这个宇宙就是 10维的,随后随着冷却,其中的 6 维空间无法保持对称,破缺了,只留下三维的空间。

所以说等离子体状态是“化学反应”的上界。所谓的化学反应,无非就是一种原子对另外一种原子的电子巧取豪夺的过程,是一种财富重新分配重新洗牌的过程,对不对?在等离子体状态下,电子都充公了,谈不上巧取豪夺了:)

所以现在比较清楚吧,化学是物理学的一个小分支。
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