Смирнов Б.М. Физика слабоионизированного газа (Смирнов Б.М. Физика слабоионизированного газа.djvu)

ББК 22.31 С ВО УДК БЗЗ.В Рекомендовано ддинисаерством выси!его и среднего специального образования СССР для использования в учебном процессе в вузах Рецензент: кафедра прикладной физики МФТИ, проф. Ю. Г. Красников фу Издательство «Нзукз», Главна» рзлзкчиа физико-математической литературы, !97В; пер«робот«нное и наполи«нное, !999 С 1704060000 074 138 053(02)-85 СМИРНОВ В.

М. Физика слабоионизованного газа: В задачах с решениямн.— 3-е изд., перераб. н доп.— М.: Наука, Гл. ред. фиэ.-мат. лиг., 1985. — 424 с. В форме задач представлены вопросы физики слабоионизованиого газа. Исследованы свойства слабоионизованиой плазмы, связанные с образованием, уничтожением н движением заряженных частиц и колебаниями плазмы, а также электрические н магнитные свойства плазмы.

Рассмотрен перенос излучения в слабоиоинзованном газе. Представлена физическая кииетика процессов, протекающих в слабоионизовзнной плазме и газе. Предыдущее издание вышло в 1978 г. Книга рассчитана на студентов старших курсов физических и фнзнкотехннческих факультетов н аспирантов, специализирующихся в области плазмы. Табл. 13. Ил.

24. Внблногр. 75 назв. ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие к третьему нзданню Гл а за 2. Заряженные частицы в газе 6 1. Свойства слабононнэованной плазмы, обусловленные ными частнцамн 6 2. Статнстнческая фнзнка слабононнзованного газа $ 3. Двнженне электронов в газе во внешнем поле 5 4. Плазма во внешних полях заряжен- Глава 3.

Волнм в плазме 5 !. Малые колебания в плазме 5 2. Затухание н раскачка волн в плазме й 3. Нелинейные явления в плазме . Гл а за 4, Процессы с участнем зараженных частиц в газе .. 6 1. Движение попов в газе во внешнем поле . 5 2. Днффузня заряженных частнц в газе во внешнем поле . 9 3. Обраэоаанне заряженных частнц в слабононнзованной плазме 5 4. Рекомбннацня заряженных частнц в плазме Глава 5. Распространение нзлученнн в газе 6!. Равновесне излучения с газом 6 2.

Перенос резонансного нзлучения в газе 4 3. Перенос ннфракрасного нзлучення в слое молекулярного газа Г л а в а 6. Некоторые свойства газового разряда . 6 1. Положительный столб разряда в днффуэнонном режнме 6 2. Положительный столб разряда ннзкого давлення . 5 3. Условия зажигания слаботочного разряда Приложения !. Сечение столкновення атомных частиц 2. Принцип детального равновесна 3. Условия газовостн снстемы частнц н идеальности плазмы Гл а.'за йэ1. 9 2.

5 3 6 4. 5 5. 1. Кннетнческое уравненме Больцмана . Свойства кннетнческого уравнения .. Коэффнцненты переноса в газах Перенос нмпульса н тепла в газах Уравненне Фоккера — Планка Дяффузня н направленное двнженне частнц в газе 7 8 23 46 63 68 85 85 92 105 140 154 154 176 202 217 217 245 257 265 293 293 297 319 344 344 36! 378 394 394 398 402 ОГЛАВЛЕНИЕ 414 414 416 417 418 Список литературы .. ° 421 Предметнмй указатель 4.

Уширенне спектральных линий б. Справочные данные . 1) Физические константы 2) Переводные множители для единиц энергии 3) Простейшие соотношении в удобных единицах 4) Теплоемкость 5) Коэффициент теплопроводностн б) Коэффициент вязкости 7) Коэффициент взаимной диффузии 8) Сечение резонансной перезарядки положительного иона на собственном атоме 9) Подвижность ионов 10) Параметры электрона, движущегося в постоянном электрическом поле 11) Работа выхода электрона 403 408 408 408 409 412 412 413 413 ПРЕДИСЛОВИЕ К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ В предлагаемой книге в форме задач представлен курс физики низкотемпературной плазмы.

Опыт двух предыдущих изданий показал, что такая форма изложения материала особенно удобна для читателей, самостоятельно изучающих настоящий курс или отдельные его части, и является удобным дополнением к существующим книгам по физике слабоионизованной плазмы. Вошедшие в книгу задачи делятся на два класса. Они либо посвящены отдельным вопросам общей теории по рассматриваемой теме, либо разъясняют определенные научные проблемы. При такой структуре книги математический аппарат не заслоняет физическую идею и вместе с тем имеется возможность представить совокупность методов и приемов, используемых при решении такого рода задач. В то же время в решении задач содержится определенная научная информация (иемало задач основано на работах, выполненных в последнее время) и в этом смысле они представляют интерес для специалистов, работающих в данной области.

Поэтому результаты этих задач обработаны таким образом, чтобы они могли быть использованы и в прикладных целях. Для этой же цели предназначен раздел «Приложения», в котором содержится справочный материал. Таким образом, круг читателей, на которых рассчитана книга, состоит из двух категорий. С одной стороны, это студенты старших курсов, которые с помощью представленных задач могут ознакомиться с существом данной области и методами теоретической физики, используемыми при решении возникающих в ией проблем.

С другой стороны, это специалисты в области физики и техники, объектом исследования которых является слабоионизованная плазма. Они могут воспользоваться научной информацией, содержащейся в книге, В списке литературы приведены книги (учебные пособия, монографии, обзоры), ознакомившись с которыми, читатель может получить более полную информацию по рассматриваемым вопросам. Некоторые задачи основаны иа оригинальных работах. Однако, поскольку такие задачи в первую очередь преследуют учебные цели и отражают отдельные детали рассматриваемых проблем, то ссылки на указанные раооты ие приводятся. пРедислОВие к ТРетьему издАнию В приложениях в краткой форме даны определения и получены основные соотношения для сечений соударения частиц и для уширения спектральных линий. Эта информация используется в книге. В конце книги представлен материал справочного характера, который включает в себя данные по физическим единицам и физическим соотношениям, а также значения кинетических коэффициентов идругих параметров, представляющих интерес для физики слабоионнзованного газа.

В предметный указатель вошли основные понятия и определения, относящиеся к физике слабоионизованного газа. Третье издание книги несколько отличается от предыдущего. Добавлен ряд задач, появились новые параграфы. Особое внимание уделено основным характеристикам и понятиям физики низко- температур ной плазмы. Глава 1 КИНЕТИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ БОЛЬЦМАНА Рассмотрим идеальный газ. Состояние частицы этого газа в данный момент времени будем характеризовать скоростью частицы и, ее координатой г и внутренними степенями свободы частицы, которые мы будем описывать обобщенными числами 1. Условие идеальности газа связано с тем, что среднее расстояние между частицами А'-»' (Ж вЂ” плотность частиц) много больше радиуса их взаимодействия — характер, ого расстояния между частицами, при котором потенциал взаимодействия частиц сравнивается с кинетической энергией.

Это условие идеальности газа можно записать в виде () Л) Жом' (~ 1, где о — сечение рассеяния частиц, при котором заметно изменяется их состояние. Если условие идеальности газа (1.1) выполнено, то основное время каждая частица движется как свободная и лишь малую часть времени ( Ион' от основного) проводит в состоянии взаимодействия с другими частицами. За эти малые времена столкновения состояние рассматриваемой частицы изменяется. При этом одновременное соударенне трех частиц — их одновременное сближение на расстояние порядка радиуса взаимодействия — событие более редкое, чем столкновение двух частиц. Поэтому при рассмотрении движения частицы в идеальном газе можно ограничиться парными столкновениями этой частицы с частицами газа.

Состояние газа удобно характеризовать функцией распределения частиц по состояниям 1 (е„г, 1„1); число частиц, сосредоточенных в единице объема вблизи точки г со скоростями от е, до и,+де„внутреннее состояние которых характеризуется квантовым числом 1„равно 1(ю„г, 1, 1,) Йе,. Функция распределения частиц является решением уравнения, которое носит название кинетического уравнения Больцмана.

Проследим за частицами, которые находятся в точке г, движутся со скоростью е„а их состояние характеризуется внутренними квантовыми числами 1,. Назовем интегралом столкновений 1„ число частиц, появляющихся в данном состоянии и с данной скоростью в окрестности рассматриваемой точки в единице объема в единицу времени. Тогда изменение функции распределения за промежуток времени Ж равно д1=) (е,+йв„г+й, 1+г11, 1,) — Г (п„г, 1, 1,) =1„г)1.

8 ГЛ ! КИНЕТИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ БОЛЬЦМАНА Так как изменения координаты и скорости пробной частицы равны бг =е,й, йе,= — Ж, Р /Л где 1' — внешняя сила, действующая на частицу, т — ее масса, то это уравнение преобразуется к виду д1 Р д1 д+'~1+ —.д. -'. е до1 (1.2) й 1.

Свойства кинетического уравнения Задача 1.!. Выразить интеграл столкновений через дифферен! циальное сечение столкновения частиц. Введем Яу(е„1,; е„1,— е,', 1;; е,', 1;) — константу столкновения частиц, находящихся в состояниях е„1, и е„1„с переходом их в состояния е,', 1; и е,', 1;. При этом из принципа детального равновесия (П2.б) следует Ч7 (е„1,; е„1,— е'„1;; е.,', 1;) =- =(о,', 1;; е',, 1; е„1,; е„1,).