科学简单点：什么是等离子体？

科学简单点：什么是等离子体？在等离子体中，一些电子从中性原子（质子和电子数目相等，因此带中性电荷的原子）中分离出来，成为自由电子。由此产生的自由电子使等离子体不同于其他物质状态，在其他物质状态下，电子仍然紧紧地与原子核结合在一起。当等离子体中的原子与带负电荷的电子分离时，它们就不再带有中性电荷。相反，原子变成了离子--带正电的粒子。因此，等离子体是一种由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的电离状态。极光是由地球大气等离子体中的粒子碰撞形成的。资料来源：弗兰克-奥尔森原子中的电子能够分离并形成等离子体有几个原因。在实验室实验中，科学家可以用高压电、激光或电磁场轰击原子，从而形成等离子体。在太空中，高能光子（包括伽马射线）撞击原子也会形成等离子体。在太空中，当重力使压力剧增，从而使气体过热时，也会形成等离子体。高温使原子相互碰撞，导致电子从原子中分离，形成等离子体和恒星的雏形。气体过热产生等离子体的过程表明，气体和等离子体之间的关系类似于液体是固体的加热形式。这种类比并不总是正确的。首先，与气体不同，等离子体可以导电。此外，在气体中，所有粒子的行为方式都相似。然而，在等离子体中，电子和离子的行为和相互作用方式非常复杂，从而产生了波和不稳定性。等离子体有多种类型。宇宙中的大多数等离子体被研究人员称为高温等离子体。在这些高温等离子体中，温度可以超过华氏1万度，所有原子都可以完全电离。低温等离子体则不同。原子只是部分电离，温度低得惊人，甚至只有室温。另一种不寻常的等离子体是高能量密度等离子体，科学家在实验室中制造这种等离子体来研究它们的不寻常特性。总结：有一种闪电--球状闪电--是等离子体。从马克斯-普朗克研究所了解更多信息。极光也是由等离子体造成的。在本科学集锦中了解更多信息。封闭等离子体是设计聚变托卡马克和恒星器设备的重要步骤，这些设备最终可能为我们提供聚变动力。高能量密度等离子体科学实现了实验室条件下的聚变点火。研究等离子体有助于科学家了解物质。这也有助于他们向聚变能源的目标迈进。能源部（DOE）科学办公室通过聚变能源科学和核物理计划支持等离子体研究。能源部资助的等离子体研究还改进了从手机、电脑到汽车等各种产品中的半导体制造。等离子体方面的专业知识帮助能源部国家实验室的研究人员开发出了逐原子控制半导体制造的方法。编译来源：ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？科学简单点：什么是X射线光源？科学简单点：什么是自主发现？科学简单点：什么是氢能源？科学简单点：什么是“关键材料”美国政府定义了多少种？...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432055.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432055.htm

闪烁脉冲星揭示神秘星际等离子体

闪烁脉冲星揭示神秘星际等离子体脉冲星--快速旋转的恒星残余物，像灯塔一样闪烁--偶尔会显示出极端的亮度变化。天体物理学家预测，这些短暂的亮度爆发是因为星际等离子体的密集区域（恒星之间的热气体）散射了脉冲星发出的无线电波。然而我们人类仍不知道形成和维持这些密集的等离子体区域所需的能量来源是什么。为了更好地了解这些星际结构，需要对其小规模结构进行更详细的观察。这方面的一个有希望的途径是脉冲星的闪烁。当脉冲星的无线电波被星际等离子体散射时，独立的电波相互干扰并在地球上形成一个干扰模式。当地球、脉冲星和等离子体彼此相对运动时，这种模式被观察为时间和频率上的亮度变化：动态光谱。这就是闪烁。由于脉冲星信号的点状性质，散射和闪烁发生在等离子体的小区域。在对动态光谱进行专门的信号处理后，可以观察到生动的抛物线特征即闪烁弧，这跟天空中的脉冲星散射辐射的图像有关。一个特殊的脉冲星--J1603-7202-在2006年经历了极端散射。这使得它成为研究这些密集等离子体区域的一个令人兴奋的目标。然而这颗脉冲星的轨迹仍然没有被确定，因为它在一个面对面的轨道上围绕着另一颗叫做白矮星的紧凑型恒星运行，而且天文学家在这种情况下没有其他方法来测量它。幸运的是，闪烁弧有双重作用：其曲率跟脉冲星的速度有关，也跟脉冲星和等离子体的距离有关。脉冲星的速度如何在它的轨道上变化取决于轨道在空间的方向。因此，在脉冲星J1603-7202的情况下，研究人员们计算了弧线的曲率随时间的变化来确定方向。跟以往的分析相比，研究人员对脉冲星J1603-7202的轨道所获得的测量结果是一个重大的改进。这证明了闪烁法在补充替代方法方面的可行性。通过对跟等离子体的距离的测量，研究人员表示，从地球上看，它大约是跟脉冲星距离的3/4。这似乎跟任何已知的恒星或星际气体云的位置不相吻合。脉冲星闪烁研究经常探索像这样的结构，否则是看不到的。因此，问题仍有待解决：散射脉冲星辐射的等离子体的来源是什么？最后，通过利用轨道测量，研究人员得以估计J1603-7202的轨道同伴的质量。根据计算，它的质量约为太阳的一半。当跟J160-7202的高度圆形轨道一起考虑时，这意味着这个同伴很可能是一个由碳和氧组成的恒星残余物--比起更常见的以氦为基础的残余物，在脉冲星周围的发现更稀少。由于现在拥有一个近乎完整的轨道模型，所以研究人员目前有可能将J1603-7202的闪烁观测转化为天空中的散射图像并以太阳系的尺度绘制星际等离子体。创建导致无线电波极端散射的物理结构的图像可能会让我们更好地了解这种密集区域是如何形成的及星际等离子体在星系的演化中所扮演的角色。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1306843.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1306843.htm

美国空军"冷冻射线"技术背后的科学原理

美国空军"冷冻射线"技术背后的科学原理霍普金斯说："这是目前的主要问题。"飞船上的很多电子设备都会发热，但它们却没有办法冷却下来。"美国空军非常看好冷冻射线的前景，因此在三年内向霍普金斯教授的ExSiTE实验室（热工程实验与模拟）拨款75万美元，用于研究如何最大限度地利用这项技术。此后，该实验室将与霍普金斯大学的衍生公司激光热能公司合作，制造原型设备。这位教授解释说，在地球上--或者在更接近地球的空中--军用飞行器中的电子设备通常可以通过自然冷却。例如，海军使用海水作为液体冷却系统的一部分。而在离地面较近的地方，空气密度足以帮助保持飞机部件的冷却。博士生萨拉-马卡里姆-霍塞尼和丹尼尔-赫特在观察等离子射线装置。虽然赫特戴着针织帽，穿着蓬松的外套，但冷却是局部的，对周围的室温影响不大。图片来源：汤姆-科吉尔太空挑战然而，"对于空军和太空部队来说，你在太空中，那里是真空的，或者你在高层大气中，那里只有很少的空气可以降温，"他说："因此，电子设备的温度会越来越高。而你又不能携带有效载荷的冷却剂，因为这会增加重量，降低效率。"霍普金斯相信，他正朝着轻量级解决方案的方向前进。他和合作者最近在《ACSNano》杂志上发表了一篇综述文章，介绍了这一技术和其他技术的前景。等离子体：物质的第四种状态我们日常接触的物质有三种状态：固态、液态和气态。但还有第四种状态：等离子体。虽然对地球上的我们来说，等离子体似乎相对罕见，但它却是宇宙中最常见的物质形式。事实上，恒星就是由它构成的。霍普金斯说，当气体通电时就会产生等离子体。气体的类型和其他条件不同，等离子体的特性也不同。但所有等离子体的共同点是最初的化学反应，这种反应会使电子脱离核轨道，并释放出光子、离子和电子等高能物质流。例如，我们可以从闪电的突然闪现或霓虹灯的温暖光芒中看到令人瞠目结舌的结果。虽然等离子屏幕电视曾经风靡一时，后来又被淘汰，但不要被它所迷惑。等离子在科技领域的应用越来越广泛。许多空军最快速的喷气式飞机的发动机就已经使用了等离子体。等离子体可以帮助燃烧，提高速度和效率。本例中的等离子体喷流由氦气制成，能产生紫色光晕。实验室还将对其他气体进行实验，以确定哪种气体最适合用于冷却。资料来源：汤姆-科吉尔等离子体在飞船内部的潜力不过，霍普金斯描绘了等离子体在飞船内部的应用。空气和太空电子设备的典型解决方案是使用"冷板"，将电子设备的热量传导给散热器，再由散热器释放出来。然而，对于先进的电子设备来说，这可能并不总是足够的。霍普金斯认为，修改后的设置可能类似于一个机械臂，它可以根据温度变化进行移动，并配有一个短小的近距离电极，可以对热点进行电击。这种等离子体射流就像激光束，就像闪电。它可以非常局部化。事实：等离子体的温度可以达到太阳表面的温度。但它似乎也有一个奇怪的特性--似乎违反了热力学第二定律。当等离子体撞击表面时，它实际上是先冷却后加热。霍普金斯和他的合作者、美国海军研究实验室的斯科特-沃尔顿在几年前，也就是大流行病肆虐之前，发现了这一意想不到的现象，他定制的微型仪器可以记录细微的热量变化。在实验中，他们将氦气产生的紫色等离子体射流穿过一根用陶瓷包裹的空心针。目标是一个镀金表面。研究人员选择金是因为它是惰性的，而且他们希望尽可能避免聚焦光束对表面的蚀刻，因为这可能会影响实验结果。霍普金斯说："因此，当我们开启等离子体时，我们可以立即测量等离子体照射到的地方的温度，然后观察表面的变化。我们看到表面先冷却，然后再升温。我们可以立即测量等离子体撞击到的地方的温度，然后我们可以看到表面如何变化，我们看到表面先冷却，然后又升温。我们没有任何信息可以利用，因为之前没有任何文献能够像我们这样精确地测量温度变化。没有人能够如此迅速地做到这一点。"通过与当时的弗吉尼亚大学博士研究员约翰-托姆科（JohnTomko）的合作，以及与海军实验室的持续测试，他们最终确定，表面冷却一定是由于爆破了由碳和水分子组成的超薄、难以察觉的表层。当我们游泳后皮肤上的凉水蒸发时，也会发生类似的过程。教授说："身体上的水分子蒸发需要能量；它从身体中获取能量，这就是为什么你会感觉冷。在这种情况下，等离子体撕开被吸收的物种，能量被释放出来，这就是冷却的原因"。霍普金斯大学的显微镜通过一种叫做"时间分辨光学测温"的过程工作，测量一种叫做"热反射"的概念。基本上，当表面材料较热时，它对光线的反射与较冷时不同。之所以需要专门的瞄准镜，是因为等离子体会遮住任何直接接触的温度计。那么冷到底有多冷？他们确定，他们能够将温度降低几度，而且时间只有几微秒。虽然这看起来并不夸张，但足以对某些电子设备产生影响。大流行延迟后，霍普金斯及其合作者在去年的《自然-通讯》上发表了他们的初步研究成果。然后问题就来了：他们能否让反应更冷、持续时间更长？改进冷冻射线之前，弗吉尼亚大学实验室使用的是海军借来的设备--它非常轻便安全，经常用于学校的演示--现在，由于空军的资助，弗吉尼亚大学实验室拥有了自己的设备。研究小组正在研究如何对原始设计进行改进。博士候选人萨拉-马卡里姆-霍西尼（SaraMakaremHoseini）和丹尼尔-赫特（DanielHirt）正在考虑等离子体可以针对的气体、金属和表面涂层。赫特提供了实验室的最新情况。他说："我们还没有真正探索过不同气体的使用，因为我们仍在使用氦气。到目前为止，我们已经用不同的金属（如金、铜）和半导体进行了实验，每种材料都有自己的用途，可以研究等离子体如何与它们的不同特性相互作用。由于等离子体是由各种不同的粒子组成的，改变所使用的气体类型将使我们能够看到这些粒子中的每一种粒子是如何影响材料特性的"。赫特说，与霍普金斯大学合作开展具有如此重大影响的项目，重新唤起了他对研究的兴趣，这在很大程度上要归功于教授营造的支持性实验室环境。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374695.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374695.htm

相对论等离子体镜以破纪录的每秒1000次的频率接近光速振荡

相对论等离子体镜以破纪录的每秒1000次的频率接近光速振荡当一个强烈的激光脉冲电离一个固体目标的表面时，它产生的等离子体如此密集，以至于激光无法穿透，即使该目标最初是透明的。激光现在被这个"等离子体镜子"反射出去。在相对论体系中，镜面不再只是静止不动，而是被驱动着快速振荡，通过一个叫做相对论表面高次谐波生成（SHHG）的过程，它在时间上压缩了激光的电磁场周期。这使激光能量在时间上进一步集中，并使等离子体反射镜成为产生更强烈和更短的激光脉冲的一个有希望的途径。在千赫兹等离子体镜上进行SHHG和电子加速的实验装置示意图然而，它们的使用和精细控制过程对驱动激光器提出了极高的要求，如原始的时空脉冲质量和时间对比度，数千兆瓦的巨大峰值功率，这只是在使用更大的激光器进行的单次实验中实现的，这些激光器在≤10赫兹的重复频率下工作。StefanHaessler和RodrigoLopez-Martens周围的团队现在报告了以千赫兹重复率驱动的相对论SHHG的证据。在SHHG发射的同时，还观察到一束相关的相对论电子束。这是一个重要的步骤，这意味着从迄今为止的少数探索性实验现在向可行的二次辐射和粒子源的应用迈进。这一进展的关键因素是内部开发的千赫兹重复率的太瓦级激光器，它提供的脉冲持续时间低至<4飞秒，时间对比度（峰值的脉冲强度与之前的10皮秒之间）为1010。另一个是适应高重复率的激光-等离子体相互作用平台，并能对相互作用条件进行精细控制。这主要是通过前面的激光脉冲来实现的，它启动了等离子体的产生和扩张。通过改变随后的主驱动脉冲发射的时间延迟，研究人员可以控制等离子体镜面上的纳米级密度梯度，这种梯度的影响已经被详细地研究了三个越来越短和强烈的驱动脉冲。在下一步，科学家们计划致力于重新聚焦从等离子体镜子上反射下来的辐射，并以短于飞秒的光脉冲达到创纪录的高光强度为目标。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336603.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336603.htm

新的实验与传统理论不符：辐射是如何通过密集的等离子体传播的？

新的实验与传统理论不符：辐射是如何通过密集的等离子体传播的？美国国家航空航天局（NASA）拍摄的从太阳中迸发的等离子体图片。等离子体--一种带有自由移动的电子和离子的原子热汤--是宇宙中最丰富的物质形式，在整个太阳系的太阳和其他行星体中发现。罗切斯特大学研究人员的一项新研究提供了关于辐射如何穿过密集等离子体的实验数据，这将有助于科学家更好地了解行星科学和聚变能源。资料来源：美国国家航空航天局高能密度物理学（HEDP）的研究，即研究原子在极端压力条件下的行为，可以为行星科学、天体物理学和聚变能源等领域提供宝贵的见解。HEDP领域的一个重要问题是等离子体如何发射或吸收辐射。目前描述密集等离子体中辐射传输的模型在很大程度上是基于理论而非实验证据的。在《自然通讯》杂志上发表的一篇新论文中，罗切斯特大学激光能量实验室（LLE）的研究人员使用LLE的OMEGA激光器研究辐射如何在密集等离子体中传播。这项研究由LLE的杰出科学家、高能密度物理理论组组长、机械工程副教授HuSuxing和LLE激光-等离子体相互作用组的高级科学家PhilipNilson领导，提供了关于原子在极端条件下的行为的首次实验数据。这些数据将被用来改进等离子体模型，使科学家能够更好地理解恒星的演变，并可能有助于实现受控核聚变作为一种替代能源。Hu说："在OMEGA上使用激光驱动的内爆实验在几十亿倍于地球表面大气压力的压力下创造了极端物质，使我们能够探测原子和分子在这种极端条件下的行为。这些条件与所谓的白矮星包层以及惯性核聚变目标内部的条件相对应。"使用X射线光谱学研究人员使用X射线光谱学来测量辐射是如何通过等离子体传输的。X射线光谱学涉及将一束X射线形式的辐射瞄准由原子组成的等离子体--在这种情况下是铜原子--在极度的压力和热量下。研究人员使用OMEGA激光器来制造等离子体，并制造瞄准等离子体的X射线。当等离子体被X射线轰击时，原子中的电子通过发射或吸收光子从一个能级"跳"到另一个能级。一个探测器测量这些变化，揭示出在等离子体内部发生的物理过程，类似于对骨折进行X射线诊断。对传统理论的突破研究人员的实验测量表明，当辐射穿过密集的等离子体时，原子能级的变化并不遵循等离子体物理模型中经常使用的传统量子力学理论--所谓的"连续体降低"模型。相反，研究人员发现，他们在实验中观察到的测量结果可以用一种基于密度函数理论（DFT）的自洽方法进行最佳解释。DFT对复杂系统中原子和分子之间的键提供了量子力学描述。DFT方法在20世纪60年代首次被描述，是1998年诺贝尔化学奖的主题。Hu说："这项工作揭示了重写当前教科书中关于密集等离子体中如何产生辐射和传输的描述的基本步骤。根据我们的实验，使用自洽的DFT方法更准确地描述了稠密等离子体中的辐射传输，我们的方法可以为模拟恒星和惯性核聚变目标中遇到的致密等离子体的辐射产生和传输提供一个可靠的方法。报告的实验方案基于激光驱动的内爆，可以很容易地扩展到广泛的材料，为在巨大压力下的极端原子物理学的深远调查开辟了道路。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338313.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338313.htm

等离子体显示出的不稳定性彻底改变了学界对宇宙射线的认识

等离子体显示出的不稳定性彻底改变了学界对宇宙射线的认识波茨坦莱布尼兹天体物理研究所（AIP）的科学家们发现了一种新的等离子体不稳定性，有望彻底改变我们对宇宙射线起源及其对星系动态影响的认识。上世纪初，维克多-赫斯发现了一种名为宇宙射线的新现象，并因此获得了诺贝尔奖。他进行了高空气球飞行，发现地球大气层并没有被地面的放射性电离。相反，他证实了电离的起源是地外的。随后，人们确定宇宙"射线"是由来自外太空以接近光速飞行的带电粒子组成，而不是辐射。不过，"宇宙射线"这一名称在这些发现之后才被使用。在这项新研究中，AIP的科学家、本研究的主要作者MohamadShalaby博士及其合作者进行了数值模拟，跟踪许多宇宙射线粒子的轨迹，研究这些粒子如何与周围由电子和质子组成的等离子体相互作用。模拟宇宙射线逆流撞击背景等离子体并激发等离子体不稳定性。图中显示的是对宇宙射线流做出反应的背景粒子在相空间中的分布，相空间由粒子位置（横轴）和速度（纵轴）跨度构成。颜色直观地显示了粒子的数量密度，而相空间空洞则体现了不稳定性的高度动态性，它将有序运动消散为随机运动。资料来源：Shalaby/AIP当研究人员对从模拟的一侧飞向另一侧的宇宙射线进行研究时，他们发现了一种在背景等离子体中激发电磁波的新现象。这些波对宇宙射线施加了一种力，从而改变了它们的缠绕路径。将宇宙射线理解为集体现象最重要的是，如果我们不把宇宙射线看作是单独的粒子，而是看作是支持一种集体电磁波，就能最好地理解这种新现象。当这种电磁波与背景中的基波相互作用时，这些基波会被强烈放大，并发生能量转移。AIP宇宙学与高能天体物理学部主任克里斯托夫-普夫罗默（ChristophPfrommer）教授说："这一洞察力使我们能够将宇宙射线视为辐射，而不是单个粒子。"质子（虚线）和电子（实线）的动量分布。图中显示的是电子在运动较慢的冲击波中出现的高能量尾部。这是与新发现的等离子体不稳定性（红色）产生的电磁波相互作用的结果，而在速度较快的冲击波（黑色）中则没有这种电磁波。由于只有高能电子才会产生可观测到的射电辐射，这表明了解加速过程的物理学原理非常重要。资料来源：Shalaby/AIP"对于这种行为，一个很好的比喻是单个水分子共同形成的波浪冲向海岸。"MohamadShalaby博士解释说："只有考虑到以前被忽视的较小尺度，并质疑在研究等离子体过程时使用有效流体力学理论，才能取得这一进展。"影响和应用这种新发现的等离子体不稳定性有很多应用，包括首次解释了热星际等离子体中的电子如何在超新星残骸中被加速到高能量。穆罕默德-沙拉比（MohamadShalaby）报告说："这一新发现的等离子体不稳定性是我们对加速过程理解的重大飞跃，并最终解释了为什么这些超新星残骸在射电和伽马射线中闪闪发光。"此外，这一突破性发现为我们更深入地了解宇宙射线在星系中传输的基本过程打开了大门，而这正是我们了解星系在宇宙演化过程中形成过程的最大谜团。参考文献《解密中间尺度不稳定性的物理基础》，作者：MohamadShalaby、TimonThomas、ChristophPfrommer、RouvenLemmerz和VirginiaBresci，2023年12月12日，《等离子体物理学杂志》。doi:10.1017/s0022377823001289"MohamadShalaby、RouvenLemmerz、TimonThomas、ChristophPfrommer合著的《平行非相对论冲击下电子高效加速的机制》，2022年5月4日，《天体物理学》（Astrophysics）>《高能天体物理现象》（HighEnergyAstrophysicalPhenomena）。arXiv:2202.05288《新的宇宙射线驱动不稳定性》，作者：MohamadShalaby、TimonThomas和ChristophPfrommer，2021年2月24日，《天体物理学报》。DOI:10.3847/1538-4357/abd02d编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1404869.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1404869.htm