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

乌克兰研究人员参与取得聚变发电成果 微波加热等离子体迎来突破性进展

乌克兰研究人员参与取得聚变发电成果微波加热等离子体迎来突破性进展HeliotronJ装置的结构。资料来源：京都大学/HeliotronJ小组质体必须保持在正确的密度、温度和时间，才能发生核聚变。包括马克斯-普朗克等离子体物理研究所在内的研究团队已经确定了等离子体生产的三个关键步骤，并利用HeliotronJ设备研究核聚变等离子体放电。他们发现，在不对准磁场的情况下施加2.45GHz微波会产生密集的等离子体，这有可能简化未来的聚变研究。主要作者YuriiVictorovichKovtun，尽管在目前的俄乌战争中被迫撤离哈尔科夫物理技术研究所，但仍继续与京都大学合作，利用微波创造稳定的等离子体。让等离子体恰到好处是利用核聚变所承诺的大量能量的障碍之一。等离子体--离子和电子的汤--必须保持适当的密度、温度和时间，使原子核融合在一起，以达到预期的能量释放。一种配方涉及使用大型的、带有强大磁铁的甜甜圈形状的装置，这些磁铁包含等离子体，同时仔细排列的微波发生器加热原子混合物。物理学聚变能量波的概念聚变能源是一个迷人的、有前途的研究领域，它试图利用为太阳提供动力的相同过程来生产清洁、丰富和几乎无限的能源。现在，京都大学先进能源研究所与哈尔科夫研究所和马克斯-普朗克等离子体物理研究所合作，利用低频率的微波功率，创造出具有聚变适宜密度的等离子体。研究小组已经确定了等离子体生产的三个重要步骤：闪电般的气体分解、初步等离子体生产和稳态等离子体。这项研究正在使用HeliotronJ进行，这是位于京都大学南部宇治校区的先进能源研究所的实验性聚变等离子体设备的最新迭代。小组负责人长崎和信解释说："最初，我们没有想到在HeliotronJ中会出现这些现象，但惊讶地发现等离子体的形成没有回旋共振。"在几十年的经验基础上，长崎的团队正在探索HeliotronJ中的聚变等离子体放电现象。该小组将2.45GHz的微波功率的强烈爆发注入进料气体。家庭中的微波炉在这个相同的频率下工作，但HeliotronJ的功率大约是10倍，而且集中在几个气体原子上。"出乎意料的是，我们发现在没有对准HeliotronJ的磁场的情况下爆破微波会产生一种放电，将电子从其原子上撕下来，并产生一种特别密集的等离子体，"长崎惊叹道。"我们非常感谢我们的同事能够继续支持这项研究，关于这种利用微波放电产生等离子体的方法的发现可能会简化未来的聚变研究。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352969.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352969.htm

科学家提高等离子体推进器的性能 离更深的太空探索更近一步

科学家提高等离子体推进器的性能离更深的太空探索更近一步电力推进是一种利用电磁场来加速推进剂并产生推力以推动航天器的技术。空间机构已将电力推进技术作为空间探索的未来的先驱。已经有几个空间任务使用电推进装置成功完成，如网格化离子推进器和霍尔推进器。当推进剂变成电离体，即等离子体，并被电磁场加速时，太阳能被转化为推力能量。然而，这些设备所需的电极限制了它们的寿命，因为它们会暴露在等离子体中并被损坏，特别是在高功率水平下。为了规避这一问题，科学家们已经转向了无电等离子体推进器。其中一项技术是利用无线电频率（RF）来产生等离子体。一个天线将无线电波发射到一个圆柱形的腔体中以产生等离子体，在那里由一个磁性喷嘴引导和加速等离子体以产生推力。MN射频等离子体推进器，或有时被称为直升机推进器，具有简单性、操作灵活性和潜在的高推力-功率比。但是MN型射频等离子体推进器的发展受到了射频功率到推力能量的转换效率的阻碍，早期的实验只能产生个位数的转换率，但最近的研究已经达到了20%的可接受的结果。在最近的一项研究中，来自东北大学电气工程系的髙桥和贵教授据称已经实现了30%的转换效率。虽然成熟的电力推进装置通常使用氙气，但氙气价格昂贵，而且难以充分供应，目前30%的效率是用氩气推进剂获得的。这表明MNrf等离子体推进器将减少成本和地球的资源负荷。"应用尖峰型磁场抑制了通常发生在等离子体源壁上的能量损失，"髙桥说。"这一突破为高功率空间运输技术的进步打开了大门"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338715.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338715.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

等离子体脉冲有望成为现实生活中的"冷冻射线"

等离子体脉冲有望成为现实生活中的"冷冻射线"冷冻射线利用等离子脉冲带走热量不管是为了勒索一座城市的赎金，还是为了在咖啡店不排队，冷冻射线都是漫画书和电影中的一大亮点。它们也让工程师们头疼不已，因为它们不仅违反了热力学第二定律，还把定律的头塞进了马桶，直到现在。等离子体物理学的一项新进展在提供实用的冷冻射线方面大有可为，美国空军已向霍普金斯大学的热工程实验与模拟实验室（ExSiTELab）拨款75万美元，用于一个为期三年的项目，以充分开发这项技术的潜力。霍普金斯大学的衍生公司LaserThermal将建造一个原型。通常情况下，利用等离子体冷却东西的想法就像用冰来烧烤一样合乎逻辑。等离子体是一种电离气体，其温度可以达到太阳温度的数倍，但它们也有一些令人惊讶的能力。其中之一就是，尽管温度很高，但等离子体刚产生时可以与其他物质相互作用，产生冷却效果。脉冲等离子体的能量流与目标表面发生物理、化学和电磁相互作用，产生一种效应，使表面吸收的水分子和二氧化碳分子蒸发。这将带走能量并使表面迅速冷却几十度。脉冲等离子体可防止其抵消冷却效果。用于产生等离子体的激光设备弗吉尼亚大学霍普金斯说："因此，当我们开启等离子体时。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，表面先冷却，然后升温。我们只是在某种程度上对为什么会发生这种情况感到困惑，因为这种情况一直在重复发生。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。"美国空军和太空部队之所以对这项技术感兴趣，是因为在太空或极高海拔地区冷却电子设备存在问题。通常的冷却方法是让水或空气等流体在元件周围循环，但在没有空气，当然也没有水的地方，这种方法是不可能实现的。相反，电子元件被放置在金属冷却板上，将热量导入散热器。由于这种方法既笨重又低效，人们希望霍金斯的冷冻射线能提供一种替代方法。其基本构想是用一个带有传感器的机械臂，将电路中的热点锁定，然后用冷风将其吹走。然而，还有大量工作要做。目前，该工艺使用从美国海军借来的设备和氦作为等离子介质。下一步是制造出更紧凑、更轻的原型，同时探索其他可能更有效的气体。这项研究发表在《自然-通讯》和《ACSNano》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382453.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382453.htm

科学家设计基于等离子体的新方法 为未来火星探索者生产氧气

科学家设计基于等离子体的新方法为未来火星探索者生产氧气一个国际研究小组已经设计出一种基于等离子体的方法来生产和分离火星环境中的氧气。这是美国宇航局的“火星氧原位资源利用实验”（MOXIE）的一个补充方法，它可能提供每公斤送往太空的仪器的高分子生产率。这样一个系统可以在开发火星上的生命支持系统中发挥重要作用。它还可以生产加工燃料、建筑材料和肥料所需的原料和基础化学品。在AIP出版的《应用物理学杂志》上，研究人员提出了一种利用和加工当地资源在火星上生成产品的方法。因为火星大气层主要是由二氧化碳形成的，可以通过分解产生氧气，而且其压力有利于等离子体的点燃，所以红色星球上的自然条件几乎是等离子体就地利用资源的理想条件。该团队包括来自里斯本大学、麻省理工学院、索邦大学、埃因霍芬理工大学和荷兰基础能源研究所的科学家们。研究人员指出，在火星上生产氧气的有两大障碍。“首先，分解二氧化碳分子以提取氧气。这是一个非常难以分解的分子，”研究作者、里斯本大学的VascoGuerra说。“其次，将产生的氧气从还包含例如二氧化碳和一氧化碳的气体混合物中分离出来。我们正在以一种整体的方式研究这两个步骤，以同时解决这两个挑战。这就是等离子体可以提供帮助的地方。”等离子体是物质的第四种自然状态，包含自由带电粒子，如电子和离子。电子很轻，很容易被电场加速到非常高的能量。Guerra说：“当子弹般的电子与二氧化碳分子碰撞时，它们可以直接分解它，或者转移能量使其振动。这种能量在很大程度上可以被引导到二氧化碳的分解中。与我们在法国和荷兰的同事一起，我们通过实验证明了这些理论的正确性。此外，等离子体中产生的热量也有利于氧气的分离。”氧气是创造一个可呼吸环境的关键，它也是为未来火星农业生产燃料和肥料的起点。就地生产燃料将是未来任务的需要。所有这些对于未来人类在火星上的定居都是至关重要的。通过分解二氧化碳分子来生产绿色燃料和回收化学品，等离子体技术也可能有助于解决地球上的气候变化。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1305539.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1305539.htm