火是什么？
火是我们生活中再熟悉不外的工具。假设问你：火是什么？你会想到哪些谜底？
从汗青的角度：几十万年前，人类学会用火，在进化史上与其他动物拉开了鸿沟；200多年前，蒸汽机和内燃机呈现，人类通过燃烧掌握了能量的转换体例，开启了工业化时代。火之于我们，不单单是做饭取热，以至能够说是文明起源和延续的东西。
从化学的角度：我们看到的火，是可燃物与氧气停止快速氧化反响时，以火焰的形式产生的发光发热现象。火焰的颜色与燃烧的温度及能量改变有关。好比钠原子在高温下得到能量，酿成激发态，但激发态不太不变，会主动释放能量回到基态。它释放的能量相当于589.6nm和589nm两种波长的光，所以钠燃烧的火焰是黄色的。
金属的焰色反响
从物理的角度：火是物量燃烧产生的光和热，它的素质是能量与电子跃迁的表示体例。那么，为什么大部门火焰是泪滴状的？
火焰的外形是因为冷热空气对流形成的。火焰四周的空气被加热后，密度会变小，热空气上升。四周的冷空气因为重力向下沉降，填补空缺。在空气对流的过程中，热空气会带着火焰向上“飘”，于是我们看到的火焰外形大多是有个尖尖的泪滴状，而且不竭闪烁。
NASA曾在零重力的太空情况下拍摄火焰的照片，没有了重力感化，冷热空气不再产生对流，火焰就酿成了圆球状，还有点心爱！并且我们会发现，地球上的火焰底部是蓝色，太空中的火焰外围一圈都是蓝色，那与氧气含量有关，氧气含量更高的处所，燃烧更足够，火焰就愈加“炉火纯青”。正因为如斯，火的外焰温度更高。
不管正着仍是倒着，太空中的火焰都是球形
大大都物量都有三态改变，那么，火属于固态、液态仍是气态？
跟着温度越高，分子的热运动会变得愈加猛烈。高温形态下，原子吸收了足够的能量，会使外层电子脱节原子核的束缚成为自在电子，失往电子的原子酿成带正电的离子，那个过程就喊“电离”。被电离后的物量以自在电子、带电离子和中性原子的混合形态存在，内部虽存在高速运动的带电粒子，外部仍然展现电中性。它不属于固体、液体、或气体中的任何一种，而是物量的第四种形态——等离子体。
你见过哪些等离子体？
并非完全电离的气体才气称为等离子体，只要电离成分超越千分之一，气体的性量就会发作改变。带电粒子之间彼此感化的次要体例酿成了库仑力，分子间的感化力退居其次。因为等离子体内部存在大量带电粒子，所以等离子体受电磁场的影响十分大，并且导电率很高。
固然我们在日常生活中最常见的是固体、液体和气体，但放眼宇宙，99%以上的物量都是等离子体，事实恒星、星云和茫茫的星际物量都是等离子体。太阳中心温度高达一万万度以上， 那里的物量只能以等离子体形态存在，宇宙中像地球如许的“冷星球”反而是不常见的。
我们能见到的等离子体分两种，一种是天然形态的等离子体，如闪电、极光，一种是人工造造的等离子体，如日光灯、霓虹灯、电弧等。
极光的呈现是因为太阳放射出大量带电粒子，那些粒子飞进大气层时与气体分子或原子碰碰，产生电离，放出光辉。而极光之所以经常呈现在地球两极，是因为遭到了地磁场的影响。
极光
闪电的产生是因为带电的云与空中之间构成了强电场，使大气发作击穿电离，发出耀眼的亮光。
闪电
霓虹灯运用了辉光放电的原理产生低温等离子体，最早是由法拉第发现的。在玻璃管两头封上电极，抽掉管内的空气，再充进少量的特殊气体，然后接上一万伏摆布的电压(电流极小)，管内气体在强电场感化下产生电离，发出亮光。
辉光放电
在灯管中充进差别的气体，会发出差别颜色的光，氖气是鲜艳的红色，氩气是诱人的紫色，氦气是艳丽的黄色，假设充进氢气，会发出暗红色的光。
差别颜色的霓虹灯
等离子体不只限于日常利用，各专业范畴也有它的身影。高能等离子体手艺能够杀菌消毒，低温等离子体消融术能够切除病变或增生的组织，等离子蚀刻机能够用于半导体的蚀刻和清洗。更甚者，科学家们想象出以等离子体为燃料的火箭，地球到火星的行程能够从250天缩短到39天。还有万寡注目的“人造太阳”，能够说是等离子体手艺的末极利用。
“人造太阳”怎么造？
太阳蕴含的能量超乎我们想象，固然它的能量只要22亿分之一抵达了地球，却庇护着地球上所有生命的保存开展和物量轮回。假设折算成电能，太阳每秒钟输送给地球的能量相当于1.5亿亿度电，那些电能足够中国14亿生齿继续利用2000年。
太阳的能量来源于它内部继续不竭的核聚变反响，于是，科学家们师法天然，期看通过可控核聚变手艺来处理人类面对的能源危机，“核聚变反响安装”也被亲热地称为“人造太阳”。
人造太阳EAST
它和等离子体有什么关系呢？
核聚变的反响物在高温下会被电离，构成等离子体。目前实现可控核聚变的安装有几种，我们在新闻中经常见到的“人造太阳”HL-2M和EAST都是托卡马克安装，它是一种环形的磁场安装，中间的腔体就是等离子体运行的“轨道”。
等离子体运行“轨道”
想要造出“人造太阳”，需要征服三大难关：
启动核聚变反响需要亿度以上的高温。太阳的核心反响区温度高达1500万摄氏度，但太阳同时具备高温高压情况，人造太阳想要进步反响速度，需要加热到1亿度以上的高温。在那种尝试前提下，反响物根本都处于等离子体的形态。
将高温等离子体束缚在有界空间内。太阳可以把核聚变牢牢掌握在身体内部，是因为它的浩荡量量产生的万有引力。地球上无法造出如斯大量量的物体，也没有任何物量能承担1亿摄氏度的高温，于是科学家们操纵等离子体易受电磁场影响的特征，用超强电流产生的超强磁场把反响物牢牢掌握在“磁笼子”里。而通俗的导体味因为电阻产生热效应，无法承载那么大的电流，托卡马克内必需要利用超导体。
继续的等离子体运行时间。只要停止继续反响才气源源不竭地产生能量，所以继续运行时间已经成为托卡马克尝试的重要参数。2021年12月30日晚，中国“人造太阳”EAST胜利实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行，运行时间初次打破四位数！
人造太阳EAST的内部腔体
为了同时到达那三个前提，矛盾就呈现了，以EAST为例，它所摘用的超导素材的工做温度是-269℃，而高温等离子体的温度超越1亿℃，两种极限温度要在EAST内部同时存在，就需要实空形态来阻绝热传导。所以EAST内部集成了超高温、超低温（超导）、超大电流、超强磁场、超高实空的工做情况。
由此我们晓得，人造太阳不单单是简单的核聚变反响，还需要超导手艺、电磁手艺等多种手艺同时开展。换句话说，可控核聚变反响就是对高温高能形态的等离子体的掌握。假设有一天，等离子体反响物达成了“ 超长待机”成就，可能我们就不消再担忧能源危机了。
做者简介：流瑾茉篱，特约撰稿人，结业于北京师范大学。