[科普中国]-双极性扩散

双极性扩散是指密度梯度引起的粒子输运称为扩散,电场引起的带电粒子输运称为迁移。在非磁化等离子体中，电子的扩散系数和迁移率比离子大得多。当等离子体中出现密度梯度时，会引起电荷分离,分离的异种电荷之间引起电场。等离子体中带电粒子在其密度梯度和电场同时作用下的运动状态称双极性扩散,其等效扩散系数称为双极性扩散系数，它主要由离子决定的，比电子扩散慢得多,约为离子扩散系数的两倍。

解释电子和正离子由于浓度梯度向管壁扩散。由于电子质量小速度快，扩散的也快。于是电子和正离子之间形成电场，产生负反馈作用，使电子速度变慢，离子速度变快。最终两者以相同速度向管壁扩散，此即为双极性扩散。1

真空中的双极性扩散在不含磁场的真空中，等离子体的电子和离子都会各自以一定的速度向外进行热运动。由于温度是物体内分子间平均动能的一种表现形式，温度高的粒子的热运动速率大，反之，温度低的粒子热运动速率小。

由于电子有较高的温度和较低的质量，它们的热运动速度将会很大。当电子离开所处的位置时，带正电荷的正离子就会落后，从而形成指向外部的电场。这个电场会在电子和正离子之间产生一个电场力。根据牛顿第三定律，这个力会使电子的速度减小，使离子速度增大。这个过程最终会达到一种稳定的状态，即电子和粒子都会以比电子的热运动的速率小而比离子的热运动速率大的音速向外运动。1

天体物理学在天体物理学中，双极性扩散特指中性粒子从星系形成的等离子中解离。此时的中性粒子主要是星云中的氢分子——如果没有碰撞耦合形成等离子体，它们之间会发生重力坍缩作用。1

等离子体等离子体（又称电浆）是在固态、液态和气态以外的第四大物质状态，其特性与前三者截然不同。

气体在高温或强电磁场下，会变为等离子体。在这种状态下，气体中的原子会拥有比正常更多或更少的电子，从而形成阴离子或阳离子，即带负电荷或正电荷的粒子。气体中的任何共价键也会分离。

由于等离子体含有许多载流子，因此它能够导电，对电磁场也有很强的反应。和气体一样，等离子体的形状和体积并非固定，而是会根据容器而改变；但和气体不一样的是，在磁场的作用下，它会形成各种结构，例如丝状物、圆柱状物和双层等。

等离子体是宇宙重子物质最常见的形态，其中大部分存在于稀薄的星系际空间（特别是星系团内介质）和恒星之中。

等离子体从质量和体积上都是宇宙中最常见的物质相态。大部分来自太空的可见光都源于恒星，而恒星是由等离子体所组成，其温度所对应的辐射含较强的可见光。更宏观地来看，宇宙绝大部分普通物质（即重子物质）都位于星系际空间，同样是由等离子体组成，其温度则高得多，主要辐射X-射线。尽管如此，如果纳入普通物质以外所有类型的能量，那么在全宇宙的总能量密度中，就有96%不属于普通物质（进而也不是等离子体），而是冷暗物质和暗能量。

1937年，汉尼斯·阿尔文论证，如果宇宙充斥着等离子体，这些物质就会产生电流，从而产生星系尺度上的磁场。在获得诺贝尔物理学奖后，他又强调：

要了解某个等离子体区域内的各种现象，既要测绘出磁场，又要测绘出电场和电流。太空中布满了纵横交错的电流网络，能够在大尺度乃至非常大尺度上传递能量和动量。这些电流往往会缩成丝状或表面电流，后者很有可能会使太空──星际和星系际空间──形成一种胞状结构。

太阳和其他恒星一样是由等离子体所组成。其最外层称为日冕，是温度约为10K的等离子体，从太阳表面开始向整个太阳系扩张，充斥行星际空间，并止于日球层顶。在日球层顶以外，也充斥着等离子体星际介质。连无法直接观测的黑洞相信也是通过吸入吸积盘中的等离子体而壮大的，而且和由发光等离子体所组成的相对论性喷流有紧密的联系，如延伸5千光年之遥的室女A星系喷流。

等离子体中如果有尘粒，净负电荷会积累在尘粒上，这些尘粒的性质类似于质量很大的阴离子，且可以视为等离子体的一个组成部分。2

本词条内容贡献者为:

程鹏 - 副教授 - 西南大学