[科普中国]-第四态

物质原子内的电子在脱离原子核的吸引而形成带负电的自由电子和带正电的离子-- 共存的状态，此时，电子和离子带的电荷相反，但数量相等，这种状态称做等离子态，亦称为第四态。

简介由来我们知道物质有三种存在状态：固态、液态和气态。其实物质还有第四种状态，那就是等离子态（plasma）。它是由英国皇家学会会员化学家兼物理学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）在1879年发现，而“Plasma”这个词最早由朗廖尔（Longmuir）在1928年采用。

基本介绍等离子态是指物质原子内的电子在高温下脱离原子核的吸引而形成带负电的自由电子和带正电的离子共存的状态。由于此时物质正、负电荷总数仍然相等，因此叫做等离子态（又叫等离子体）。

具体内容宏观物质在一定的压力下随温度升高由固态变成液态，再变为气态(有的直接变成气态)。物质原子内的电子在脱离原子核的吸引而形成带负电的自由电子和带正电的离子共存的状态，便开始彼此分离。分子受热时分裂成原子状态的过程称为离解；若进一步提高温度，原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子。失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程称电离。发生电离（无论是部分电离还是完全电离）的气体称之为等离子态。等离子态是由带正、负电荷的粒子组成的气体，由于正负电荷总数相等，故等离子态的净电荷等于零。通常把电离度小于0.1%的气体称弱电离气体，也称低温等离子态。电离度大于0.1%的称为强电离等离子态，也称高温等离子态。

等离子态和气体有很多相似之处，比如，没有确定的形状和体积，具有流动性。但等离子态也有很多独特的性质，等离子态和普通气体的最大区别就是它是一种电离气体。由于存在带负电的自由电子和带正电的离子，有很高的电导率；和电磁场的耦合作用也极强：带电粒子可以同电场耦合，带电粒子流可以和磁场耦合，因此它的运动明显受到电磁场的影响，所以描述等离子态要用到电动力学、磁流体动力学等1。

等离子态在茫茫无际的宇宙空间里，等离子态是一种普遍存在的状态，如下图所示是由等离子态聚集而在各处形成的星系。宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高，这 些星球内部的物质差不多都处于等离子态。只有在那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。观测到的宇宙物质中，等离子态占到99%。

日常应用就在我们周围，也经常看到等离子态的物质。在日光灯和霓虹灯的灯管里，在眩目的白炽电弧里，都能找到它的踪迹。另外，在地球周围的电离层里，在美丽的极光、大气中的闪光放电和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等离子态。

等离子态在工业上的应用具有十分广阔的前景。高温等离子态的重要应用是受控核聚变。低温等离子态用于切割、焊接和喷涂以及制造各种新型的电光源与显示器等。等离子彩电PDP（Plasma Display Panel）就是等离子态在工业上的具体应用。它是在两张薄玻璃板之间充填混合气体，施加电压使之产生离子气体，然后使等离子气体放电，与基板中的荧光体发生反应，产生彩色影像。等离子彩电不受磁力和磁场影响，具有机身纤薄、重量轻、屏幕大、色彩鲜艳、画面清晰、亮度高、失真度小、节省空间等优点，因此又叫“壁挂式电视”。

常见等离子体1.人造的等离子体

（1）荧光灯，霓虹灯灯管中的电离气体

（2）核聚变实验中的高温电离气体

（3）电焊时产生的高温电弧

2.地球上的等离子体

（1）火焰（上部的高温部分）

（2）闪电

（3）大气层中的电离层

（4）极光

3.宇宙空间中的等离子体

（1）恒星

（2）太阳风

（3） 行星际物质

（4）恒星际物质

（5）星云

4.积层云火花

低温等离子当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。

液晶态大自然的一切物质都是以固态、气态和液态三个状态存在着，但是有些固态物质加热以后，却表现另一种奇特的现象。它先是熔化成白色状态的粘液，随著温度不断升高，又变成清亮透明的液体。这说明在固体转化成液体的过程中，不仅存在一个熔点，还有一个清亮点，因此科学家把这种介于熔点与清亮点之间的特殊状态，称为物质的第四态——液晶态。

液晶分子有三种排列规则，晶体方向不同，它的特性也不同。液晶具有液体的流动性，同时又有晶体的光学特性。请看一个有趣的实验，我们用简易的方法制成液晶薄片，将它置于起偏振片与检偏振片之间，它由亮变暗，这表明液晶对入射光具有旋转90度的扭曲作用。

再看：液晶能随电场转换，时启、时闭、忽明、忽暗，这表明通电能使液晶分子作扭曲排列。

在现代生活中，液晶最广泛的应用就是数字显示，它在电子领域里真可谓是大显身手。在人们日常生活、工作与学习中随处可见。其实，液晶显示同光阀一样，也是一种光电效应。在簿薄的玻璃片上，光刻着透明状的导电电极，上下玻璃片之间紧夹着10微米液晶薄层，这种以段为组合的数字显示，叫做段显示，每段都有一个电极连通电路。随着驱动电路电场的变换，液晶分子不断转换方向，从而显示出不同的数字来。液晶数字显示已普遍应用于电子钟表，它功耗极低，直观实用。

由于液晶数字显示具有快速、灵敏、清晰、准确等优点，因此它促进了计算机及仪表产品的更新换代，展示出良好的发展前景。

彩色液晶显示鲜艳美观，数字悦目清晰，它为汽车仪表多样化开拓了新的途径。崭露头角的液晶电视，更让人惊奇振奋。

液晶是一种奇异的第四态物质，科学家还在开发它的神秘功能，预计在人类进入二十一世纪的年代里，它将促使电子、生物及尖端科技领域的一场伟大革命2。

超流体超流体是一种物质状态，特点是完全缺乏黏性。如果将超流体放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动，能以零阻力通过微管，甚至能从碗中向上“滴”出而逃逸。例如液态氦在2.17 K以下时，内摩擦系数变为零，液态氦可以流过半径为十的负五次方厘米的小孔或毛细管，这种现象叫做超流现象(Superfluidity)，这种液体叫做超流体(Superfluid)。

超流体是超低温下具有奇特性质的理想流体，即流体内部完全没有粘滞。超流体所需温度比超导体还低，它们都是超低温现象。氦有两种同位素，即由2个质子和2个中子组成的氦4和由2个质子和1个中子组成的氦3。液态氦-4在冷却到2.17 K以下时，开始出现超流体特征， 20世纪30年代末，苏联科学家彼得·卡皮察首先观测到液态氦4的超流体特性。他因此获得1978年诺贝尔物理学奖。这一现象很快被苏联科学家列夫·郎道用凝聚态理论成功解释。不过，科学家直到20世纪70年代末才观测到氦3的超流体现象，因为使氦3出现超流体现象的温度只有氦4的千分之一。

超流体的应用尚在研究之中。不过，这一领域已经曙光初现。2002年，德科学家实现铷原子气体超流体态与绝缘态可逆转换。世界科技界认为该成果将在量子计算机研究方面带来重大突破。这一成果被中国两院院士评为2002年世界十大科技进展之一。

实验发现，液氦能沿极细的毛细管流动而几乎不呈现任何粘滞性，这一现象首先由卡皮查于1937年观察到的，称之为超流性，实验还发现，存在一个临界速度v，在v以上，超流流动被破坏。氦由正常流体和超流体两部分组成，其中超流部分没有粘滞性，熵也为零，而正常流体部分的性质与普通的经典流体一样，具有粘滞性和熵，朗道认为超流成分则是在理想背景流体上的一些元激发。

碳纳米管膜可以形成超流体，于量子液体低于某临界转变温度会形成超流态。比如氦最丰富的同位素，氦-4，在低于 2.17 K(−270.98°C) 时便会变成超流体。氦-4形成超流态的相变称为Lambda相变(Lambda transition)，因它的比热容对温度曲线形状如同希腊字母“λ”一样。凝聚态物理学中一些相近的相变亦因而叫作Lambda相变。氦较贫乏的另一种同位素，氦-3，在更低的 2.6mK 成为超流体。这个温度只是比绝对零度高几个毫开尔文。

虽然这两个系统的超流体表征很相似，但其本质却是南辕北辙。氦-4是玻色子，其超流性质可以用玻色-爱因斯坦统计解释。可是，氦-3是费米子，其超流性必须用到描述超导体的BCS理论之推广才可了解。其中，原子代替了电子形成库柏对(Cooper pair)，而它们的吸引作用力调控机制由自旋波动 (Spin fluctuation) 代替了声子。详情请参看费米子凝聚态。超流体和超导体的统一理论可以以规范对称破缺(Gauge symmetry breaking) 表达。

超流体，如超冷冻的氦-4，有很多稀奇的性质。它就像一般液体加上超流体的特有的性质，如全无粘性、零熵度，和无限大的热传导率。(故此在超流体中出现温差是不可能的，就如超导体内没有电势差一样。)其中最令人叹为观止的是“热机效应”(Thermomechanical effect)，或称“喷泉效应”(Fountain effect)。如一纤细管放在一池超流氦之中，而纤细管被加热 (如对它照光)，氦便会爬上管顶。 这是克劳修斯-克拉佩龙方程的结果。另一样奇特现象是超流氦可以在任何放置它的容器表面上形成一层单原子厚度的液体薄膜。

一个比零粘性更为基本的性质是超流体在旋转的容器中会有量子化的涡度，而不会随容器均匀转动。奇怪的是这个旋转体会相对与恒星保持稳定1。

超固体超固体（Supersolid）是一种空间有序（比如固体或晶体）的材料，但同时还具有超流动性。换句话说，超固体同时具有固体和流体的特性。当量子流体，比如 He－4 冷却到某特征温度以下时，He－4 将经历超流转变，进入一个零黏性的态。这个转变被认为与发生玻色－爱因斯坦凝聚有关。

超固体也译作超固态。超固体的概念最早在 1969 年由俄国物理学家安德列也夫（Alexander Andreev）和栗弗席兹（Ilya Liftshitz）提出。他们认为当温度接近绝对零度时，玻色子固体晶格中的空位（vacancies，理想晶体中移去一个原子将留下一个空位）将全部坍缩为相同的基态，即发生玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）。在超固态，空位将成为相干的实体（coherent entity），可以在剩下的固体内不受阻碍地移动，就象超流体一样。

只有非常弱束缚的元素如氦（He）才会成为超固体，因为只有它们的结构会受量子“零点能” 有效的扰动从而留下空位。

凝聚态玻色-爱因斯坦凝聚态，Bose-Einstein condensation (BEC) 玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。这里的“凝聚” 与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般是基态）。即处于不同状态的原子“凝聚”到了同一种状态。

形象地说，这就像让无数原子“齐声歌唱”，其行为就好像一个玻色子的放大，可以想象给我们理解微观世界带来了什么。这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。全世界已经有数十个室验室实现了9种元素的BEC。主要是碱金属，还有氦原子，铬原子和镱原子等2。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学