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等离子体与火焰 Plasma vs Flame
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火焰是不是等离子体？
This is a good question, please let me answer it slowly：
有一位“哲人”曰：我经常将等离子体人性化，她的许多表现酷似于我们人类，常常不需要牵强的联想，就可以用我们日常的经验，甚至是我们内心的感受来理解她的行为。
就象快乐宫殿里住着的王子，从不知什么是忧愁一样，等离子体是独立于气态、液态、固态的另一态，也就是说，住在等离子体宫殿的王子从不知世上还有气态、液态、固态三位公主的存在，要不为什么还要另起个名字，干脆就叫另一类气态不行吗？是的，不行！从下面的图片里，大概可以看出等离子体和气体的不同：
气体 
既然等离子体是一个独立的态，在谈到他时就要说出一个具体的元素，如氢气被电离后成为氢等离子体，氧气被电离后成为氧等离子体，只要某样元素能穿上等离子体的定义这套外衣，就可叫这个元素的等离子体态，
1879年，英国物理学家克鲁克斯研究了真空放电管的放电过程后，第一次指出“物质的第四态”的存在。1929年，Tonks和Longmuir在研究气体放电中的振荡时，首先用“等离子体（Plasma）”这个词来描述带电粒子集合体。之后，等离子体的基本概念逐步建立。比较严格的定义是：等离子体是由电子、阳离子和中性粒子组成的整体上呈电中性的物质集合。等离子体物理大致可以分为三个方面：高温等离子体（keV量级）、低温等离子体和天体等离子体。电离是形成等离子体的先决条件，电离的主要方式有：热电离（高温下，高能气体原子之间的碰撞激发出原子中的电子）、光场电离（原子吸收光子能量，引起的电离）和碰撞电离（带电粒子，主要是电子，在电场中获得能量，和气体原子碰撞，发生电离）。发生了电离的气体，无论是部分电离还是完全电离，虽然在某些方面跟普通气体有相似之处，例如描述普通气体的宏观物理量密度、温度、压力等对电离气体同样适用，但它的主要性质却发生了本质的变化。在气体中电离成分只要超过千分之一，它的行为主要就由离子和电子之间的库仑作用力所支配，中性粒子间的相互作用退居次要地位。并且电离气体的运动受电磁场的影响非常明显，它是一种导电率很高的导电气体或流体。
据估计，宇宙中物质的99%以等离子体状态存在。例如恒星内部、气态星云、太阳风、由地球磁场俘获的带电粒子组成的范阿伦辐射带（Van Allen belts）、闪电、北极光、荧光管或霓虹灯内的导电气体等。随着超短脉冲啁啾放大技术的重大突破，人造等离子体是目前等离子体物理学的主要研究对象。更多等离子体的精彩图片可看北京大学化学与分子工程学院微米/纳米材料实验室网页： http://www.chem.pku.edu.cn/lixg/mainpage/
再让我们看看什么是火焰：
首先燃烧指的是元素C或CH基与氧气发生反应，生成CO2 及 H2O (水) 的过程。但是，和大多数我们知道的化学反应一样，在这种没有催化剂，开放条件下的反应不可能完全的。因而会有很多高分子残余，在燃烧时随着气流的上升，从火焰中挥发出去。所以通常意义下的火焰是不纯的，应该说是一种混合物。因为一般的火焰内任何一处的温度都不太可能使气体发生电离。关键在于燃气与氧化剂燃烧过程中的带电粒子的瞬间存在，这些粒子可能是自由基、自由基激发态、电子等，当然在宏观上它们整体仍然呈电中性。
例如燃烧一根木柴，会有很多烟雾，这些黑色的烟雾就是由燃烧不充分的高分子残余组成的。如果温度足够高，这些高分子会继续分解，在火焰中也会混有C4+, CH基, 以及O2-等带电体，且会有许多电子被电离出来，而火焰上端应该是温度最高的，这个区域在这种高温条件下也许可以称得上是等离子体。
笼统地说，火焰是等离子体，但并不意味着火焰就是气体高温电离的结果，气体如果有0.1%被电离，那么他就具有非常明显的等离子体性质，如果有1%的气体电离，则气体已经是电导率很大的等离子体。
通过以上的分析，在提起火焰是不是等离子体时，应该说出什么物质燃烧发出的什么火焰里含有什么元素的％多少的等离子体。
OK！Are you sure？
参考文献：
1．郑君 《相对论激光等离子体相互作用产生阿秒脉冲和太赫兹辐射的粒子模拟研究》 中国科学院物理研究所 博士论文2006年；
2．北京大学化学与分子工程学院微米/纳米材料实验室网页： http://www.chem.pku.edu.cn/lixg/mainpage/
3. 刘万东 《等离子体物理及应用领域》PPT 中国科学技术大学近代物理系；
4. 蔡洪波 魏佳羽 与作者Email通讯记录。
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