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等离子体物理学 李毅 2011.9 相关书籍 课本 李定,陈银华,马锦绣,杨维纮,等离子体物理学,高等教育出版社,2006。 参考文献 杜世刚 等离子体物理,原子能出版社,1988 Dwight R. Nicholson, Introduction to Plasma Theory, John Wiley Sons Inc., 1983 T.J.M. Body and J. J. Sanderson, The Physics of Plasmas, Cambridge Univ. Press, 2003 Wolfgang Bamjohann and Rudolf A. Treumann, Basic Space Plasma Physics, Imperial College Press, 1997 金尚宪 徐家鸾 等离子体物理学,原子能出版社,1980 Nicholas A. Krall, ,Alvin W. Trivelpiece, Principles of Plasma Physics, 有中文译本。 Chen, F. F. Introduction to Plasma Physics. 2nd ed. Plenum Press, 1984. 有中文译本。 马腾才 胡希伟 陈银华 等离子体物理原理,中国科学技术大学出版社,1988 T. J. M. Body J. J. Sanderson, Plasma Dynamics, Barnes Noble Inc., 1969 等离子体的概念和参数范围 等离子体从广义上说,是泛指一些具有足够能量的自由的带电粒子,其运动以受电磁场力作用为主的物质,从这个意义上来说,半导体、电解液都是等离子体。但一般相对专门性地是指电离了的气体,当然它的行为是以带电粒子和电场磁场自恰地相互作用为主导。 等离子体的感性认识:是部分或完全电离了的气体,它的行为受电磁场影响。 温度是导致物质状态变化的关键参量,等离子体是物质继固态、液态、气态之后的第四种状态。 气体电离 气体温度升高导致电离,从而形成等离子体态。 等离子体的复合率为 这里 是常系数 只要气体有1%的电离,其行为就会由电磁场主导。 等离子体的温度和电子(离子)密度是它的重要参量。 Saha方程描述了温度与电离度(电离和复合达到平衡)的关系。 这里ne,ni是电子和离子的密度,no是中性粒子的密度,h是Planck常数,k是Boltzmann常数。 pe, pi, po分别是电子、离子和中性粒子的统计权重,对氢(H)来说分别是2,2,1,而 Ei 是电离能,对于H原子为13.6eV。 动能与势能 从等离子体密度可以估算粒子之间的平均距离: 在这个距离上,带电粒子之间的势能为 而粒子的动能是与温度有关的,作为等离子体,一般来说,其动能要比势能大得多。 温度与速度分布 等离子体的温度常用能量 表示,如: 处于平衡态的等离子体常常具有Maxwellian分布,即 对于非Maxwellian分布的等离子体,只有有效的动力学温度: 等离子体的各种存在 等离子体的各种存在方式 虽然等离子体在日常生活中不象固态、液态、气态物质那样常见,但事实上,自然界99%以上的物质是等离子体。遥远的恒星包括太阳都是以等离子体形式存在。行星际、磁层、电离层都是等离子体态的物质。大气中的闪电、高温火焰也是等离子体。极光、霓虹灯、闪电、电弧光、火焰等都是等离子体。古希腊哲学家认为火是构成世界万物的四种元素之一,它也是中国古代五行之一,八卦中的“离”也代表火。可见很早人们就认识到等离子体是构成世界的重要的物质。 等离子体的参数范围很大,温度跨越了约7个量级,密度跨越约25个量级,这么大的范围类,等离子体物理都是适用的。 八卦中的“离” 代表等离子体类的物质 上、中、下三个爻全是阳爻的卦是乾卦,乾卦代表天在上。上、中、下三个爻全是阴爻的卦是坤卦,坤卦代表地在下。下面是阳爻,上面也是阳爻,中间是阴爻,是离卦,代表太阳,位置在东方,亦代表火,代表光明。下面是阴爻,中间是阳爻,上面是阴爻,卦名叫坎,代表月亮,也代表水。乾、坤、离、坎四个卦,就是天、地、日、月四个象。 ? 等离子体物理的重要应用 等离子体研究的生长点:空间等离子体,能源相关的等离子体,工业技术相关的等离子体物理 空间物理:高层大气、电离层、磁层、行星际空间、太阳日冕、太阳光球及内部,恒星,星际等,空间环境是人类活动的新领域,空间天气与人类生活越来越紧密地联系在一起。 能源需求:主要是受控热核聚变。磁约束、惯性约束。 工业技术:等离子体电视、化学、冶金、表面处理、金刚石人工合成、镀膜、焊接、灯具 对于等离子体的描述方法 1. 单粒子运动 仅考虑

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