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留的一個長貼,保存下來:等離子體的通俗解釋

(2009-08-10 19:05:35) 下一個
有人問 plasma (等離子體,香港人翻譯成電漿) 是什麽東西,我留了個言,算比較好懂的、比較直觀的解釋,如下:

你知道分子是由原子構成的,原子呢,中間有個原子核,外麵有些電子圍繞它在跑。別看這些電子跑得飄忽不定,但是基本上都在自己的軌道上跑。而且這些電子團隊精神比較差,通常誰也不買誰的賬,喜歡相互排斥,所以每條軌道上最多隻能呆兩個電子。最先發現電子喜歡排斥沒有團隊精神一山不容三虎的,是個叫泡利的人。這個人目空一切,發現這個規律後就去給希特勒造原子彈。

有些元素,例如鈉原子,為什麽容易產生化學反應呢?這是因為其原子核對其第十一個電子控製非常不牢 (至於為啥不牢固,那就得學量子力學了,嗬嗬),所以這原子核“稍有啥不慎”的話,那個電子就跑掉了,被別的原子核俘虜了 (例如氯原子。你知道食鹽就是氯化鈉)。

這裏“稍有啥不慎”是甚麽意思呢?直觀點講,就是溫度足夠高的時候。如果溫度很低,例如說接近絕對零度(也就是攝氏零下273度多)時,所有的原子都是穩定的,原子核能將其電子牢牢控製起來,比任何獨裁者還中央集權,嗬嗬。這時電子都凍僵了,幾乎不動了,別說原子核能控製它們,連我這樣的笨笨也能控製它們......

溫度是啥呢?在物理中溫度實際上是個統計概念,直觀點講,就是物質內部 (分子、原子、電子等) 運動劇烈程度的度量。所以,你可以想像一下,溫度越高,電子就跑動越厲害,就越不安分,原子核對電子 (主要是外層電子) 的束縛就越弱,越來越覺得無可奈何,對不對?

所以你可以想像一下,隨著溫度的升高,那些最容易跑掉的電子例如鈉原子的電子 (類似地,那些最容易搶到別人電子的原子核,例如氯原子),就最先跑掉(之所以說鈉原子化學性質比較活潑,就是這個意思),跑掉一個電子後,鈉原子就和他的鄰居氖原子 (惰性氣體) 一樣,在“常規條件”下,很穩定(至於為啥穩定,則需要學量子力學)。

隨著溫度的升高,像那些對電子束縛較好的原子,例如鐵原子,也感到吃力,因為溫度越高,電子就越不安分,鐵原子此時就會顧此失彼,冷不丁地讓一些電子給跑掉了,真真欲哭無淚,嗬嗬。

如果溫度繼續升高呢,金子的電子也不會安分的,也會掙脫金原子的束縛,當逃兵,投入別人的懷抱:)

如果溫度繼續升高呢,連氦、氖等原子這樣與世無爭的世外高人惰性氣體也會恐慌,它們也無法束縛其電子。所以說這什麽惰性呀、悠閑呀、淡薄呀、與世無爭等呀,等等,其實是相對的,要是環境惡劣,它們也如凡夫俗子般躁動不安......

如果溫度繼續升高呢,所有的原子都束縛不住其電子,所有的電子都逃離了原子核的束縛,變成了這些原子核的公共財產,實現了共產主義。這個狀態就是 plasma,等離子體。

如果溫度繼續升高呢,莫說原子核控製不了電子,連原子核自己也會出問題。原子核對電子的控製,是通過電磁相互作用 (例如庫侖力)實現的,而原子核那麽多的質子、中子之所以能被捆綁在一起(特別,幾個質子離得那麽近,庫侖排斥力還是很大的,對不對),是因為強相互作用的緣故。強相互作用在近距離範圍內太厲害了,通常情況下能將質子、中子捆得牢牢的,比海枯石爛般的愛情誓言可靠得多。但是這種牢固是相對的,溫度如果足夠高了(例如達到太陽裏麵的溫度),原子核也會被炸開,或者因為劇烈的動蕩而擠成一堆。這時比較輕的原子核就會誤打誤撞和別的較輕的原子核捆綁起來,重新組合成更重、但是更加穩定、更重的原子,釋放能量(釋放能量後的重組肯定更加穩定,對不對?直觀上應該容易理解的,嗬嗬),----例如太陽的核聚變,氫彈----或者那些較重的原子核(例如鈾)被炸裂成更小、更穩定的原子,釋放能量,例如原子彈,也就是當年老美投在日本廣島、長崎上的那個東西。老美在投那個東西前和日本最後一戰,死了五萬多人,氣得個半死,所以要報複日本......

如果溫度繼續升高呢,這就不止是質子、中子分道揚鑣的問題了,而是質子、中子本身也會被炸裂的問題。現在的物理學認為一個質子或者一個中子將被炸成三個更小東西,這種東西稱為誇克。物理學家們認為總共有 6種誇克。誇克模型和弱電統一理論是上世紀最後的兩個重要成就,隨後物理學幾十年沒有本質的進展。現在的諾貝爾物理學獎無人可發,於是發給以前那些做物理習題做得好的學生。

如果溫度繼續升高呢,實驗物理就回答不了了,但是理論物理卻還能前進一步或者幾步。物理學家們會說,比如說在某種模型之中 (最簡單的超對稱模型之中),空間有9維(咱們現在的空間是三維的,對不對?所謂的立體幾何),再加上一維的時間,空間和時間攪和在一起,彼此糾纏不清(實際上狹義相對論的空間和時間就是攪和在一起的,嗬嗬),一共有十維。據說溫度相當高時,例如在宇宙大爆炸早期,咱們這個宇宙就是 10維的,隨後隨著冷卻,其中的 6 維空間無法保持對稱,破缺了,隻留下三維的空間。

所以說等離子體狀態是“化學反應”的上界。所謂的化學反應,無非就是一種原子對另外一種原子的電子巧取豪奪的過程,是一種財富重新分配重新洗牌的過程,對不對?在等離子體狀態下,電子都充公了,談不上巧取豪奪了:)

所以現在比較清楚吧,化學是物理學的一個小分支。
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