等离子体物理

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1、等离子体物理物理学中的基本原理及其在等离子体物理中的应用By flyfeather on 2010 年 03 月 15 日 物理学中的基本原理及其在等离子体物理中的应用摘要：本文回顾了自经典力学、热力学，电磁学到量子力学、狭义相对论等一系列物理 学领域中的基本原理。进一步结合自己的专业，分析在等离子体物理领域中这些基本原理的 适用性，以及等离子体物理的研究方法。主题词：物理学基本原理，等离子体物理“知之为知之，不知为不知，是知也！” 伴随着近代物理学的发展，从牛顿的经典力学到量子力学和相对论，人们对于世界有了 更加深刻的认识，我们所面对的世界也比之从前更加的复杂，当我们继续前行的时候，也许 有

2、必要去回顾一下曾经的一些基本原理牛顿的经典力学定律 1：每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它 改变那个状态。定律 2：运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方向。定律 3：每一种作用都有一个相等的反作用；或者，两个物体间的相互作用总是相等的， 而且指向相反。热力学 热力学第零定律：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统的同一热状态 处于热平衡，则这两个热力学系统彼此也必定处于热平衡。热力学第一定律：系统在任一过程中所吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外界所 作的功之和。热力学第二定律： 开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使其完全变为有用

3、功而不产生其他影响。 克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生任何其他影响。量子力学公设 1物理系统的状态被一个无限多维抽象空间中的矢量所确定。公设2.所有物理量由线性的厄密算符所表示。作用于态矢a上的算符改变态la。公设3.坐标q与其共轭动量p的厄密算符遵循关系。公设4当一个物理系统在态la时测量其一物理量Q,则期望值为valQla 公设5.一个物理系统的状态变化，由薛定谔方程决定，或者以波函数来表示：。公设6.对自旋为半整数的粒子,态函数对于两个不可分辨粒子的互易是反对称的,对 于自旋为整数或零的粒子则是对称的。电磁学麦克斯韦方程组：狭义相对论原理1.狭义相对性原理如果K是

4、惯性系，则相对于K作匀速运动而无转动的其他坐 标系 K 也是惯性系；自然界定律对于所有惯性系都是一致的。原理 2光速恒定原理真空中的光速恒定等离子体物理“？”一个写给自己的尴尬问号，一方面是由于自己目前对这个领域了解的还不多，另 一方面也代表了当前世界上在这一领域的研究现状。从定义上讲，等离子体是带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的一种准中性气 体。其中“集体行为”所包含的意义如下：在有带电粒子的等离子体中，当这些电荷到处运 动时，他们能引起正电荷或负电荷的局部集中，就产生了电场。电荷的运动也引起电流，因 而产生磁场，这些场影响了远处其他带电粒子的运动。所以，甚至相距很远的等离子体元也 存

5、在相互作用力。正是这种长程库仑力给出了等离子体种类繁多的可能运动，并且丰富了称 做等离子体物理学的研究领域。“集体行为”这个词指的是不仅取决于局部条件而且也取决 于远距离区域等离子状态的运动。而“准中性”是指等离子体中电荷的分离尺度总是处于小的局部，从整体来看等离子中 正电荷与负电荷总量是相等的，等离子体对外呈现出电中性。等离子体物理学研究方法基于上面的定义，等离子物理所要研究的对象与我们在经典力 学，热力学等领域所要面对的研究对象有了很大的不同，迫切需要我们发展新的研究方法， 但新的研究方法总是要立足于我们现有的知识。从物理学角度来研究等离子体时，所用的方法有近似处理和统计处理两大类。在近似

6、处 理中又分单粒子处理和流体处理两种方法。单粒子处理方法是把等离子体当作独立粒子系 统，然后根据牛顿运动方程来确定单个带电粒子在电磁场中的运动轨道，这里是完全忽略 粒子之间的相互作用，所以它最适合于描述稀薄的等离子体。 然而，独立粒子模型并不只 限于稀薄的情形。事实上，这种模型给我们提供了关于粒子运动的直观图像，有助于了解等 离子体在总体上的某些性质；此外，对于统计处理来说，了解每个粒子的运动常常是不可缺 少的第一步。等离子体的基本特征之一在于它是能够传导电流的流动介质。因此，等离子体的另一个 最简单的模型是导电流体模型。在这种模型里不讨论单个粒子的运动，而把等离子体当作 连续介质来处理，这就

7、是流体处理方法，显然它最适合于稠密等离子体。 导电流体的运动 可以受到磁场的影响，因此关于导电流体运动的科学，就叫做磁流体力学。它是一种宏观理 论，主要途径是解电动力学和流体力学联立方程组。这里我们感兴趣的不是等离子体的流 动，而是在各种磁场位形下等离子体的平衡和稳定问题，以及震荡和波的问题。由于等离子体是一个多粒子系统，最基本的描述当然是使用统计方法，确定出系统中各 种粒子的分布函数来，这种研究叫做等离子体微观理论。实际存在的等离子体，一般不处于 热力学平衡状态，无法得到普遍适用的粒子分布函数，因此人们只能去求分布函数随时间演 化的方程，就是所谓动力论方程；它是非线性的积分微分方程，求解是非

8、常困难的，通常只 能求近似解。分布函数不是一个可测的量，但是在速度空间中分布函数的矩却是可以测量的。 这些矩联系到了等离子体的质量密度、粒子平均速度、压强、能流密度等等。由此可以得出 一组方程，其中只包含可直接测量的宏观量，正好就是磁流体力学中的连续性方程（质量守 恒）、动量方程和能量方程。从微观理论不仅可以导出宏观运动方程，而且可以把流体处理中遗漏了的性质揭示出 来；最著名的就是无碰撞阻尼（朗道阻尼），这是一个基本概念，它涉及许多重要现象，对 于了解等离子体波和微观不稳定性具有关键意义。从粒子动力论观点讨论等离子波，其中主要依据是伏拉索夫方程和麦克斯韦方程。这一 理论通常就叫做等离子体的动力

9、学理论。由于等离子体经常处于非平衡分布的状态，因此存 在激励不稳定性的各种自由能源，例如密度、温度的空间梯度，速度分布的各向异性，以及 其它等等；这会导致等离子体波的多种增长模式，产生微观不稳定性。最后在等离子体微观理论方面，还有一个重要领域，就是从动力论方程出发来研究等离 子体非平衡过程。其中一类过程是等离子体从非平衡态向平衡态过渡，叫做弛豫过程，对此 主要希望知道趋向平衡的速率；另外一类非平衡过程是当等离子体处于稳恒非平衡状态时发 生的，像传导、电导、粒子扩散等等就属于这一类，它们统称为输运过程，是用各种输运系 数来表征的。输运过程可以从非平衡态热力学的角度加以研究，那就是宏观的理论；也可以 从非平衡态统计力学的角度加以研究，那就是微观的理论。这两方面的研究是互相补充的， 在现代都很活跃。