Учебник - Физика плазмы для физиков - Арцимович Л.А.

УДК 533.9 Ар ц к мович Л. А., С а гдеев Р. 3. Физика плазмы для физиков. — Мс Атомиздат, 1979. — 320 с. В книге дано изложение физики плазмы как раздела современной физики в расчете на широкую физическую аудиторию, имею. шую дело с плазменными явлениями вне собственно физики плазмы В этой связи систематически прослеживаются плззменные аналогии в физике сплошной среды, физике твердого тела и полупроводников, геофизике, астрофизике и т. д. Специалисты по физике плазмы могут почерпнуть из книги информацию о распространении идей и представлений о различных процессах, протекающих в плазме, на смежные области физики. Данная книга представляет собой задуманное академиком Л. А. Арцимовичем систематическое развитие краткого курса лекций «Что каждый физик долиген знать о плазмеа (М., Атомиздаг, 1976), с1тение книги предполагает подготовку на уровне университетского курса общей физики.

Книга предназначена для физиков е инженеров-физиков широкого профиля. Табл. 3. Рис. 125. Список литературы 20 наименований. 20409 †1 А 53 — 31 — 26 — 1979. 1704040000 034(01) — 79 © Атомиздат, 1979 Аг|в|шоч|сЬ 1.. А., Яаййееч К. Е, Р|аяпа РЬув|св |ог РЬуяс!з(я — М: А1оппхйа1 РпЫЫЬегв, 1979. Асад. Еен Аг(в!шонйсЬ, вооп гйег Ье сошр!е1ей а вйог1ег негяоп «ЖЬа! вйоиЫ снегу рЬуясйй йпотч аЬоп1 Р!аяпаь (поте рпЬ1|вЬед Ьу А1оппгда1, Мозсочг, !976], !пнйей Асад.

Коа|д Зайдсет ав соап(Ьог. Не десЫей |о ИП И чгИЬ арргорпа|е |йеоге|юа! КпЫейпе апд сопчег1 И гп1о Ваз|с сопгве оп РЬуясв о1 На1 Р1авшав, н«ЫсЬ соп!й Ье овей Ьу пшсЬ Ьгоадег апсйепсе |йеп 1пяоп сопппппИу оп!у. Вп1 пп1ог1ппа1е|у Асад. 1.еч Аг(в!шонйсЬ 1еИ ппйп|вйед 1Ыв Ьоо1с йо1п! тчогй тнав гечвей апй ПпЫЬей Ьу соап1Ьог |п 1978 |п огйег 1о 6!че пр-1о-да1е р|сшге о| рПпс|ра| Ыеав |п |йе 1|е16 о| Но1 Р|аяпа РЬуясв, ояй|па1ед пга1п1у Ьу |пвюп гевеагсЬ.

1.а1ег |йеу гИПпвей 1о врасе р!авгпа, |о аз1горЬуясв ав нчеИ аз 1о во!!й-в(а1е р1аыпа, То геай |И!в Ьоой И гег(п!гев 1Ье Ьпоч(сдйе а1 Ьаяс рЬуясв оГ ппгчегзйу |ече|. ТаЫев 3. Г!6пгез 125. Ке1егепсе 20 Кеша. ПРЕДИСЛОВИЕ История появления этой книги такова. Однажды в 1971 г. Лев Андреевич Арцимович пригласил меня для «очень серьезного>, как он выразился, разговора. Он показал мне рукопись объемом страниц в 80 с условным названием «Что каждый физик должен знать о плазме» а. Несмотря на то что она была написана в присущем Л.

А. Арцимовичу ярком стиле, густо насыщена плазменной физикой, автор не был ею вполне удовлетворен. Дело в том, что к этому времени он уже опублнкова,п две книги, в которых некоторые вопросы физики плазмы и управляемых термоядерных реакций излагались с точки зрения и языком физика-экспериментатора с привлечением лишь «минимума теоретических сведений, который нужен для общей ориентировки в физике высокотемпературной плазмы». Надо сказать, что у Льва Андреевича были совершенно четкие требования к теоретикам. Он считал, что теория плазмы должна иметь прикладной характер, и с изрядной долей иронии относился к абстрактно-теоретическим «наукообразным» работам.

Лев Андреевич часто любил повторять, что плазму, как физический объект, можно полностью описать, исходя нз простых «первых принципов» (законов механики и электромагнетизма), и что теоретики должны заниматься конкретными явлениями и эффектами, а не уточнением вывода исходных уравнений плазмы. Во время той первой беседы о книге я получил предложение стать соавтором и ввести в книгу математический аппарат теории плазмы в доступной сравнительно широкой физической аудитории форме. Неизбежную при этом степень упрощения Л.

А. Арцимович сравнил с обычно используемой теоретиками в выступлениях на семинарах перед экспериментаторами. Для меня было большой честью получить приглашение участвовать в работе над подобной книгой как представителю теоретиков. Многие вопросы, которые должны были войти в эту книгу, в разное время докладывались мною на семинарах, которыми руководил сам Лев Андреевич. Я хорошо помню свое первое выступление на семинаре Л, А.

Арцимовича в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова осенью 1956 г., посвященное теоретическому * Впоследствии она была издана как самостоятельная книга 1М,, Агами»дат, 197б). предсказанию так называемой «диамагнитной» («зеркальной») неустойчивости и связанной с ней в то время потенциальной опасности для термоядерных ловушек с магнитными пробками. Примерно десять лет спустя на таком же семинаре докладь.вилась «неоклассическая тсория переноса» в применении к тохамакам.

Бсзошибочное критическое чутье, глубокая физическая интуиция н острота реакции, помножечныс на редкую доброжелательность, превращали семинары Л. А. Арцимовича в настоящую школу для молодых физиков. Задача, которую авгоры поставили перед собой при написании книпь заключалась в том, чтобы дать возможность физикам. работающим в областях, пусть даже далеких от физики горячей (высокотемпературной) плазмы, составить представление о последней, се идеях и логике развития. Нам хотелось, насколько это возможно, использовать аналогии с методами, явлениями и процессами, относящимися к самым разным разделам физики.

Мы много спорили, во многом сходились, но были и разногласия. Так, например, были существенные расхождения в нашпх представлениях «табели о рангах»: «что есть что» в физике плазмы. Делая скидку на некоторую долю несерьезности, с которой физики относятся к подобным оценкам, я все жс замечу, что одни» и, немногих, к счастью, расхождений в порядкс расположения 'пс значимости было, например, следующее. Я никак не мог согласиться (и не соглашаюсь сейчас) поставить эффект «плазменного фокуса» выше «бесстолкновнтельных ударных волн».

Конфигурация с плазменным фокусом, на мой взгпяд, хотя и интересна, н: представляет собой одну пз модификаций течения плазмы при пчнчэффекте. Однако в основных концептуальных вопросах напп; оценки сходились. Основная мысль, которая, можно сказать, красной нитью:проходит через кингу, что плазма — это не только газ частиц — электронов н ионов, но н газ квазичастчп — волн. Та легкость, с которой в плазме самопроизвольно могут возбуждаться колебания и волны, приводит к тому, что приходится предоставить «гражданские права» волнам как квазичастицам. Конечно, высокотемпературная плазма практически всегда является классическим объектом, и наши плазменные квазичастицы не совсем похожи на квазичастицы — коллективные возбуждения в конденсированных средах при низких температурах.

В начале 1973 г,, когда Льва Андреевича не стало, рукопись этой кнвгп была еще далека от завершения. В первые месяцы после смерти Льва Андреевича мне было трудно взяться одному за рукопись. Вскоре я был назначен директором института, появились административные заботы, отнюдь не способствующие ни научному, ни литературному труду. Изредка мне удавалось возвращаться к прерванной работе, ноделопродвигалось,впередочень медленно. Однако несколько месяцев назад, когда все мы, друзья н ученики Льва Андреевича, начали готовиться к 70-летию со дня 4 его рождения, решили провести мемориальный международный семинар, издать книгу воспоминаний о Льве Андреевиче, я обещал своим товарищам н самому себе закончить работу над старой рукописью к этой дате. Мне казалось, что живое слово Л.

А. Аринмовича, факсимиле последних страниц, написанных им за несколько недель до смерти, будут интересны читателям. За шесть лет, прошедших после кончины Л. А. Арцимовича, в физике высокогемпературной плазмы, несмотря на заметные успехи, основные концепции 80 — 70-х годов не только сохранились, но и укрепились, получив дополнительные подтверждения и развитие благодаря новым теоретическим и экспериментальным работам. Большой шаг вперед был сделан в физике космической плазмы и в плазменной астрофизике, где в значительной степени используются иден и представления, развитые в физике высокотемпературной плазмы. Это обстоятельстзо позволило ограничиться лишь минимальными изменениями в той части рукописи, которая была готова к 1973 г. Чтобы сохрани~ь стиль Л. А. Арцимовича, в целом ряде новых разделов использованы фрагменты пз с~о ранее опубликованных книг.

Поскольку этот труд не представляет собой исчерпывающую монографию, приводимый в нем список литературы является, конечно, неполным. Предлагается линять перечень нанболсс полезных, по моему мнению, книг и обзоров. Для того чтобы устранить перекос в сторону теории, по понятным причинам появившийся в книге после смерти Л. А.

Арцимовича, соавтор «разбросал» по книге серию экспериментальных графиков и результатов, иллюстрирующих развитие основных представлений физики плазмы. Возможно, читателю подбор эгнх экспериментальных иллюстраций покажется пристрастным, пусть тогда он сделает скидку па вкус физика-теоретика. Чтобы завершлть работу над рукописью, мне пришлось в значительной степени отвлечься от привычных повседневных дел. посвятить книге отпуск и воспользоваться большой помощью со стороны коллег. Я хотел бы особо поблагодарить В. Д.

Шапиро и В. И. Шевченко, самоотверженно разделивших со мной напря'кение заключительного этапа работы над книгой. Думаю, что осз их помощи этот труд так и не был бы окончен. Неоценимо было участие А. А. Галеева, с которым меня связывают тесныс узы многолетней совместной работы. Я хотел бы также выразить признательность А. Б. Михайловскому за ряд полезных советов. Наконец, я хотел бы поблагодарить Атомиздат за настойчивость и большую помощь. Декабрь, 1978 г. Р 3 СЛГ.7ПЕВ ПЛАЗМА БЕЗ МАГНИТНОГО ПОЛЯ 5 1.1. Общие сведения о плазме Плазмой называется ионнзованный газ, в котором атомы (все или значительная их часть) потеряли по одному или по несколько принадлежавших им электронов и превратились в положительные ионы. Это только предваригельиое определение плазмы как особого состояния вещества.

В дальнейшем будет дано более точное определение. В общем случае плазма представляет собой смесь трех компонент. Она содержит свободные электроны, положительные ионы и нейтральные атомы (илн молекулы). Плазма— это наиболее распространенное состояние вещества в природе. Солнце и звезды можно рассматривать как гигантские сгустки горячей плазмы. Внешняя часть земной атмосферы представляет собой плазменную оболочку — ионосферу. За пределами ионосферы, в магнитосферу Земли, простираются плазмосфера и так называемые радиационные пояса, которые представляют собой своеобразные плазменные образования.

В земных условиях в лаборатории и в технике мы встречаемся с плазмой при различнь|х газовых разрядах, так как любой разряд (молния, искра, дуга и т. д.) всегда связан с возникновением плазмы. В развитии исследований по физике плазмы важными стимулами всегда были перспективы практического применения. Снача.