Учебник - Введение в физику плазмы - Чен Ф. (1239320), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В том 1 включены первые восемь глав первого издания книги. Он сохранил первоначальную простоту, но был исправлен и дополнен. Устранено несколько мелких ошибок, обнаруженных студентами и преподавателями. В ответ на их просьбы система единиц была с неохотой заменена на СИ (МКС).
Приношу извинения физикам моего поколения; утешайтесь мыслью, что первое издание книги стало библиографической редкостью. В настоящий том помещен вывод тензора диэлектрической проницаемости для холодной плазмы; чтобы не усложнять и без того длинную и трудную для начинаюгцего главу, данный вывод приводится в приложении Б, которое можно использовать как готовый справочный материал, Излагаемая в соответствующей главе кинетическая теория дополнена изучением вопросов, связанных с затуханием Ландау звуковых волн, дисперсионной',функцией плазмы П В переводе на русский язык книга выходит в одном томе, посвягпен ном физике плазмы.
— Прим. ред. Предисловие ко второму изданию и волнами Бернштейна. Глава, посвященная нелинейным явлениям, в новом издании включает рассмотрение солнтонов в рамках уравнения Кортевега — де Вриза и нелинейного уравнения Шредингера. Материал здесь излагается более подробно, чем в остальной части первого тома, что сделано специально для того, чтобы разжечь интерес у более подготовленных студентов. Здесь заслуживают признания полезные советы, которые мне дали Дж. Моралес и К. Нишикава.
Специально для преподавателей в книгу добавлены новые задачи, предлагавшиеся на экзаменах последнего десятилетия, и приведены решения задач, помещенных в первом издании. В приложении В приводится пример трехчасового заключительного экзамена для старшекурсников. Ответы к задачам проверял Дэвид Брауер; если там есть ошибки, то это его ошибки, а не мои. Наконец, о помещенном мною в начале книги загадочном посвящении. Дело в том, что у меня есть хорошие н плохие новости.
Плохие новости — это то, что поэт (мой отец) отправился в страну вечной песни. Хорошие новости — вечная студентка (моя мать) достигла наконец своей цели, получив степень доктора философии, когда ей исполнилось 72 года. Поистине процесс познания бесконечен. Франсис Ф. Чен Лос-Анджелес, ! 983 Предисловие к первому изданию Эта книга выросла из конспекта лекций по физике плазмы, которые в течение ряда лет читались старшекурсникам Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. При нынешнем росте интереса к управляемому термоядерному синтезу и широком применении физики плазмы в космических исследованиях и в релятивистской астрофизике имеет смысл сделать изучение плазмы на старших курсах частью основного учебного процесса наряду с такими предметами, как термодинамика или квантовая механика.
Хотя вначале целью этой книги было удовлетворение потребностей в учебнике, в котором материал излагался бы в форме, доступной для студентов как старших, так и младших курсов, я надеюсь, что с помощью этой книги и ученые других специальностей, скажем, имеющие дело с физикой твердого тела или лазерной физикой, смогут без особого труда познакомиться с плазмой. Здесь я следовал двум основным принципам: не оставлять алгебраических выкладок в качестве упражнений для читателя и не позволять алгебраическим преобразованиям затемнять физику.
Удовлетворить этим двум противоречивым целям стало возможным благодаря рассмотрению плазмы в виде двух взаимопроникающих жидкостей. Двухжидкостную модель легче понять, и она оказывается более точной, чем одножидкостное приближение, по крайней мере для процессов, протекающих в плазме низкой плотности. Первые главы не требуют от студента особой подготовки, однако последние соответствуют его возросшему опыту.
За учебную четверть, состоящую из девяти или десяти недель, можно изучить первые шесть с половиной глав. Материал этих глав прошел тщательный отбор и содержит только то, что действительно существенно. Последние две с половиной главы можно использовать в семестровом курсе для дополнительной работы. Значительные усилия автора были направлены на то, чтобы сделать более понятным затухание Ландау.
Объяснение, даваемое в этой книге, не предполагает знания контурного интегрирования, За помощь в упрощении физической картины затухания Ландау, которую сформулировал Джон Даусон, я многим обязан Тому О'Нейлу и Джорджу Шмидту. Предисловие к первому изданию Некоторые читатели будут испытывать неудобства из-за того, что в книге используется электростатическая система СГС.
Естественно, аргументировать выбор системы единиц бессмысленно; каждый квалифицированный физик с помощью ораторского искусства и безупречной логики будет защищать свою любимую систему. Используемая здесь система единиц объясняется в приложении 1. Она была выбрана потому, что позволяет избежать ненужного выписывания постоянных с, р, и з„а также потому, что согласуется с большинством научных статей по физике плазмы. Я хотел бы поблагодарить г-жу Лайзу Тартар и г-жу Бетти Рей Браун, которые проявили большую интуицию, расшифровывая мой почерк, г-на Тима Ламберта за аналогичное понимание при подготовке рисунков, а более всего Анди Чен за то, что она смирилась со многими вечерами, проведенными в одиночестве.
Франсис Ф. Чен Лос-Анджелес, 1974 Глава 1 ВВЕДЕНИЕ 1.1. Распространенность плазмы в природе Нередко можно слышать, что 99 "о вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы, т. е. в виде ионизованного газа, в котором атомы диссоциированы на положительные ионы и отрицательные электроны.
Эта оценка, возможно, и не является точной, но она, конечно, вполне обоснованна, если учесть тот факт, что звезды и их атмосферы, газовые туманности и значительная часть межзвездного газа представляют собой плазму. Что касается непосредственного окружения нашей Земли, то, как только мы выходим за пределы земной атмосферы, мы сталкиваемся с плазмой радиационных поясов и солнечного ветра. Однако в повседневной жизни наши встречи с плазмой ограничиваются всего лишь несколькими примерами: вспышка молнии, мягкое свечение северного сияния, проводящий газ внутри флуоресцентной трубки или неоновой рекламы и слабоионизованная плазма ракетных факелов.
По-видимому, мы живем в той части Вселенной, составляющей один процент ее, где плазма естественным путем не возникает. Причину этого можно понять с помощью уравнения Саха, которое позволяет вычислить степень ионизации газа, находящегося в тепловом равновесии: тз 2 — '-ж2,4 10 е (1. 1) лл лС Здесь и, и и„— плотность (число в 1 м') ионизованных и нейтральных атомов соответственно, Т вЂ” температура газа в кельвинах, К вЂ” постоянная Больцмана, У, — энергия иоиизации газа, т. е. количество энергии, необходимое для удаления электрона с внешней электронной оболочки атома.
(В этой книге мы будем использовать систему единиц измерения Си.) В обычной воздушной среде при комнатной температуре можно принять, что п„ ж 3 10" м — * (см. задачу 1.1), Т ж 300 К и У, =- 14,5 эВ (для азота); 1 эВ = = 1,6.10 " Дж. Относительная ионизация, определяемая уравнением (1.1), ничтожно мала: 10 — 122 ° пл 1.1. Распространенность паааяы а природе С ростом температуры степень ионизации остается низкой, до тех пор пока КТ не станет всего лишь в несколько раз меньше Пь После этого и и„ резко возрастает и газ переходит в плазменное состояние. При дальнейшем возрастании температуры плотность нейтралов п„ становится меньше и; и плазма в конечном счете оказывается полностью ионизованной.
Именно поэтому плазма существует в астрономических телах с температурой в миллионы градусов и отсутствует на Земле. Вряд ли можно представить себе спокойное сосуществование биологической жизни и плазмы, по крайней мере той плазмы, о которой идет речь в данной книге. Вот почему плазма, естественным образом существующая при высоких температурах, называется «четвертым состоянием вещества». Мы не собираемся подробно изучать уравнение Саха, однако необходимо пояснить его физический смысл. В газе атомы имеют разброс по тепловым энергиям, и вследствие соударений между ними может произойти ионизация атома в том случае, когда он испытывает столкновение со скоростью, достаточной для выбивания из него электрона. В холодном газе такие энергичные столкновения встречаются редко, поскольку для этого атом серией «благоприятных» столкновений нужно ускорить до энергий, во много раз превышающих среднюю энергию.
Экспоненциальный множитель в уравнении (1.1) отражает тот факт, что число быстрых атомов экспоненциально уменьшается с увеличением отношения 011 КТ. Если атом стал ионизованным, то это его состояние сохраняется до тех пор, пока он не столкнется с электроном; при этом весьма вероятно, что произойдет рекомбинация с электроном и атом снова станет нейтральным.
Скорость рекомбинации, очевидно, зависит от плотности электронов, которую можно принять равной плотности ионов п1. Следовательно, равновесная плотность ионов должна уменьшаться с ростом п11 именно поэтому в правой части уравнения (!.1) возникает множитель п; ~. Плазма в межзвездной среде обязана своим существованием малому значению и; ( 1 см а) и, следовательно, низкой скорости рекомбинации. 1.2. Определение плазмы Разумеется, не всякий ионизованный газ можно называть плазмой: какой бы газ 'мы ни взяли, в любом случае он имеет некоторую небольшую степень ионизации.
Удовлетворительным определением плазмы является следующее: Плазма — это квазинейтральный газ заряженных и нейтральных частиц, который проявляет коллективные свойства. Понятия «квазинейтральный» и «коллективные свойства» требуют разъяснения. Что такое квазинейтральность, мы покажем в равд. 1.4. Понятие «коллективные свойства» поясним на следующем примере. Гл. !. Введение !4 Рис.
!.!. Иллюстрация даланодействующих электромагнитных сил в плазме. Рассмотрим силы, действующие на молекулу, скажем, в обычном воздухе. Поскольку молекула нейтральна, на нее не действует электромагнитная сила, а сила тяжести пренебрежимо мала. Молекула движется свободно до тех пор, пока она не испытает столкновение с другой молекулой; следовательно, движение частицы в воздухе определяется этими столкновениями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
