尘埃等离子体状方程研究长.docVIP

尘埃等离子体状态方程研究 摘 要：本文首先概述了尘埃等离子体物理的基本概念、尘埃粒子的基本特性及尘埃等离子体物理的研究状况。其次简要介绍了统计物理中系综理论的理论结构和基本概念。最后用统计物理学中的系综理论研究了尘埃等离子体，得到了弱耦合尘埃等离子体的一个状态方程。讨论了该状态方程与理想气体状态方程的区别与联系，给出了用理想气体理论处理尘埃等离子体的条件,还分析了统计物理理论在研究尘埃等离子体时所遇到的困难。 关键词：尘埃等离子体；尘埃粒子；统计物理；状态方程 Study on State Equation of Dusty Plasma Abstract： of dusty plasma physics and statistical physics are given. A state equation of a weakly coupling dusty plasma is obtained in this paper. The comparison between the state equation and that of ideal gas is shown. The condition that the dusty plasma can be considered as ideal gas is given. Key words: dusty plasma; dust particle; state equation; statistical physics 引言 尘埃等离子体是掺杂有尘埃粒子的电离气体，它是电子、离子、尘埃粒子和中性气体分子的混合体。它广泛地存在于宇宙、实验室及微电子器件的等离子体辅助加工设备中。自1994年人们首次在实验室观察到尘埃等离子体晶格以来，尘埃等离子体物理已发展成为当今等离子体研究领域的一大热点。目前，随着新一代高密度集成电路工业及表面薄膜沉积技术的发展，解决尘埃粒子“污染”所导致的质量问题迫在眉睫[1]。这一问题促使许多科学家们开始研究等离子体加工中尘埃粒子的形成及其行为对等离子体过程的影响。在对尘埃等离子体中孤立尘埃粒子的有关物理过程和尘埃等离子体晶格的形成机理及其有关性质进行深入研究的同时，基础理论研究和方法的探讨也不容忽视。 本文考虑到等离子体的状态方程是工程物理的重要参数之一，故研究此问题。论文主要包括三部分：第一部分简要概述了尘埃等离子体物理的基本概念、尘埃粒子的基本特性及尘埃等离子体物理的研究状况；第二部分简要介绍了统计物理中系综理论的理论结构和基本概念；第三部分用系综理论研究了尘埃等离子体，得到了弱耦合尘埃等离子体的一个状态方程。最后，在讨论该状态方程与理想气体状态方程的区别与联系的基础上，给出了用理想气体理论处理尘埃等离子体的条件，还分析了统计物理在研究尘埃等离子体时所遇到的困难。 1 尘埃等离子体物理概述 尘埃等离子体物理是近年来发展起来的新研究领域。“尘埃等离子体”作为一个专业名词，它不仅出现在等离子体物理领域，而且也常出现在空间物理、电波传播、半导体科学、材料科学等领域。简单地说，尘埃等离子体不是“纯”的等离子体，而是被尘埃“污染”了的等离子体[1]。 1.1 尘埃粒子和尘埃等离子体 尘埃粒子相当普遍地存在于自然界，在天体空间、星际云、彗星、行星环、地球的磁层和电离层都有各种尺度且密度不同的尘埃粒子存在。这里尘埃物质与气态物质的密度比约为10-3，尘埃粒子的尺度范围从几个纳米到几百个纳米。在太阳系中，人们已探测到各种形态和各种来源的尘埃粒子。近十年来，空间飞船对土星、火星的探测已证实了它们美丽的光环是由尺度从lm到10-8m的各种大小不同的尘埃粒子组成的。实际上尘埃粒子也普遍存在于实验室装置中，人们对实验室中尘埃粒子的认识也远早于对空间尘埃粒子的认识，早在1924年，朗缪就发表了第一篇讨论实验室尘埃粒子的论文。 广义上讲由电子、离子和带电的尘埃粒子组成的等离子体是尘埃等离子体。近年来对尘埃粒子，特别是对等离子体中的尘埃粒子的研究引起了人们的极大兴趣。如研究地球大气层中带电尘埃粒子对电磁波传播的影响、等离子体刻蚀及溅射镀膜等技术中尘埃粒子的行为、等离子体中尘埃粒子形成聚合物现象等。这些研究既涉及到现代物理的一些基本内容，同时又联系着一些非常有应用价值的问题。如世界上最大的非相干雷达EASCAT观察到极区夏季很强的电磁波回波，观测表明这种很强的回波与出现在80-90km高度处的冰粒形成的尘埃层有关，理论研究尘埃等离子体中的电波传播已表明，尘埃粒子对电磁波有很强的“反常”散射作用；又如1993年在法国召开的尘埃等离子体讨论会上，报道了尘埃粒子在等离子体中出现的自组织现象，即形成了尘埃等离子体晶格，这为在实验室合成新物质开辟了一条新