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  • 1 # 科技領航人

    這個問題的答案比大多數人意識到的要複雜。有些火焰確實包含等離子體,而有些火焰則沒有。為了正確回答這個問題,我們確實必須首先嚴格定義“等離子”的含義。

    教科書中對等離子體的定義是電離氣體。 “電離氣體”是指一些電子已完全從構成氣體的原子上剝離下來。有效自由的電子帶負電,而最終的電離原子最終帶正電。 “離子”是具有不相等數量的電子和質子的原子。這個定義是一個很好的起點,但是還不夠準確。每種氣體都包含一些離子和自由電子,但是並非每種氣體都是等離子體。在某個截止點處,氣體中必須有足夠的離子,氣體開始像等離子體一樣起作用。

    像等離子一樣意味著什麼?等離子體是一種離子化氣體,可反射諸如無線電波之類的低頻電磁波。從更基本的層面上講,等離子體可以遮蔽電場。等離子體之所以能夠做到這一點,是因為足夠的帶負電的電子和帶正電的離子是區域性自由的,並且能夠以長距離的集體方式彼此結合。

    離子和電子的集體行為意味著它們能夠對入射電場產生強烈反應,並消除這些電場。因此,對等離子體的更嚴格定義是一種氣體,其中有足夠的自由電子和離子共同作用。外部電場可以到達帶電粒子云的距離的特徵在於“德拜長度”。電離的原子越多,電荷的集體振盪越強,德拜長度越小。因此,對等離子體的最嚴格定義是具有足夠離子化的電離氣體,以使“德拜長度”明顯小於氣體雲的寬度。

    在火焰中,空氣原子發生電離,因為溫度高到足以使原子相互碰撞並剝奪電子。因此,在火焰中,電離的量取決於溫度。 (其他機制可能導致電離。例如,在閃電中,強電流導致電離。在電離層中,Sunny導致電離。)最重要的是,只有當火焰變得足夠熱時,火焰才變成等離子體。較低溫度下的火焰沒有足夠的電離作用而變成等離子體。另一方面,高溫火焰確實包含足夠的自由電子和離子,以充當等離子體。

    例如,日常的蠟燭都燃燒的火焰最高溫度可達攝氏1,500度,該溫度太低而不能產生很多離子。因此,燭光火焰不是等離子體。請注意,我們在火焰中看到的鮮豔的橙黃顏色並不是由等離子火焰產生的。而是,這些顏色是由不完全燃燒的燃料粒子(“煤煙”)發出的,這些粒子太熱以至於像電烤麵包機元件一樣發光。如果將足夠的氧氣泵送到火焰中,這些燃料粒子將充分燃燒,橙黃色橙紅色火焰消失。

    考慮到這一點,應該清楚的是,即使不是等離子的燭光也能發出光。根據等離子科學聯盟的說法,與燭光相反,某些乙炔的燃燒混合物可以達到3,100攝氏度,相關的德拜長度為0.01毫米。因此,此類火焰為等離子(只要火焰遠大於0.01毫米,通常是這種情況)。

    其他火焰,包括篝火,丙烷火爐和點菸器的火焰,其溫度介於這兩個極端之間,因此可能不是等離子體。日常的火焰,例如木頭,木炭,汽油,丙烷或天然氣的燃燒,通常都不夠熱,無法像等離子那樣起作用。

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