等离子体物理学导论L

Introduction to Plasma PhysicsIntroduction to Plasma Physics等离子体物理学导论等离子体物理学导论主讲主讲:陈陈 耀耀567 3638http:/Grade:15%in class 15%homework 70%final exam参考讲义参考讲义:等离子体物理导论等离子体物理导论 中国科大刘万东编著中国科大刘万东编著(讲义讲义)http:/ 中国科大李定等编著中国科大李定等编著 (高等教育出版社高等教育出版社)Q1：对日地空间的认识，对日地空间的认识，日地空间中有什么物质？日地空间中有什么物质？Q2:对太阳风的认识，太阳风是对太阳风的认识，太阳风是什么物质？什么物质？Q3:对等离子体的了解对等离子体的了解,日常生日常生活中哪些属于等离子体，活中哪些属于等离子体，自然界中有何物质属于等离子体自然界中有何物质属于等离子体？Q4:对温度概念的认识对温度概念的认识课堂思考课堂思考:等离子体物理学导论的目的：等离子体物理学导论的目的：了解等离子体物理基本概念、了解等离子体物理基本概念、建立等离子体物理学基本物理过程建立等离子体物理学基本物理过程 的物理图像、的物理图像、初步了解空间科学、空间物理学初步了解空间科学、空间物理学 基本背景知识基本背景知识 为下一步的深入学习和研究为下一步的深入学习和研究 打下基础打下基础基本概念与物理图像对学习和研究工作基本概念与物理图像对学习和研究工作的重要性的重要性简单示例：简单示例：太阳风太阳风 (The solar wind)(The solar wind)产生的图像、产生的图像、日冕物质抛射的爆发图像日冕物质抛射的爆发图像(Coronal mass ejections)(Coronal mass ejections)These combined images display UV light emitted by the the solar corona on 17 August 1996.The solar disk image is from the EIT instrument aboard SOHO,and the extended solar corona(outside the black ring about 0.5 solar radii from the disk)is from the UVCS instrument aboard SOHO.The color in the latter image represents the total UV intensity emitted by highly ionized oxygen atoms(O VI,or O 5+)in the corona.The solar windsohowww.nascom.nasa.gov/CME blast-A large coronal mass ejection ejects a cloud of particles into space on 5 December 2003.In this composite an EIT 304 image of the sun from about the same time has been appropriately scaled and superimposed on a LASCO C2 image where a red occulting disk can be seen extending around the Sun.This LASCO coronagraph instrument allows details in the corona to be observed.日冕物质抛射现象日冕物质抛射现象(CME)sohowww.nascom.nasa.gov/等离子体参数空间等离子体参数空间数密度：数密度：103 m-3 -1033 m-3温度：温度：10-1ev-106 ev(104 K-1010 K)1ev 11600 K广阔的参数空间广阔的参数空间宽广的研究领域和应用前景宽广的研究领域和应用前景!宇宙中宇宙中99的已知物质是等离子体的已知物质是等离子体等离子体（等离子体（PlasmaPlasma）定义：定义：等离子体是由电子、离子等带电粒子等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等原子、分子、微粒等)组组成的，宏观上呈现准中性、且具有集体成的，宏观上呈现准中性、且具有集体效应的混合气体效应的混合气体 (李定等：等离子体物李定等：等离子体物理学，高等教育出版社理学，高等教育出版社)等离子体等离子体是一种电离的气体，具有很是一种电离的气体，具有很高的电导率，与电磁场存在强烈的耦合高的电导率，与电磁场存在强烈的耦合作用，在宇宙中广泛存在，常被看作物作用，在宇宙中广泛存在，常被看作物质的第四态。质的第四态。A plasma is a quasineutral gas of charged and neutral particles which exhibits collective behavior.F.F.Chen,Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion,Plenum Press,1984“Plasma”“Plasma”这个词，由朗缪尔这个词，由朗缪尔(Langmuir)(Langmuir)在在19271927年最早采用年最早采用,中文翻中文翻译译大陆学者：等离子体大陆学者：等离子体 台湾学者：电浆台湾学者：电浆等离子体定义的要点：等离子体定义的要点：1)1)、对于自由的理解：、对于自由的理解：含大量带电粒子的气体，含大量带电粒子的气体，异类带电粒子异类带电粒子之间相互之间相互“自由自由”，等离子体的基本粒，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体，即非束缚态而不是其结合体，即非束缚态2)2)、对于准中性的理解：、对于准中性的理解：指等离子体中正负离子数目基本相等，指等离子体中正负离子数目基本相等，宏观（大尺度）呈现电中性，小尺度则宏观（大尺度）呈现电中性，小尺度则呈现电磁性质呈现电磁性质(思考，为何会出现准中性的性质？思考，为何会出现准中性的性质？)3)3)、对于集体的理解：、对于集体的理解：4)4)、对于第四态的理解：、对于第四态的理解：3)3)、集体效应：是与中性气体的根本区别，、集体效应：是与中性气体的根本区别，是等离子体作为物质第四态的依据是等离子体作为物质第四态的依据区别一种物态应看作用于物态基本组元上区别一种物态应看作用于物态基本组元上的作用力，控制物态特性变化的基本作用的作用力，控制物态特性变化的基本作用力，对于固体，液体，气体均有所不同。力，对于固体，液体，气体均有所不同。中性气体：粒子间的直接的碰撞作用中性气体：粒子间的直接的碰撞作用 等离子体：电磁力，长程等离子体：电磁力，长程 多体多体集体行为：集体行为：当体系内某处出现扰动时，理论上所有粒当体系内某处出现扰动时，理论上所有粒子行为都会受到影响，使子行为都会受到影响，使整个整个等离子体对等离子体对外加扰动作出响应；外加扰动作出响应；集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现粒子与电磁场的不可分割性：粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割不可分割描述等离子体的行为：描述等离子体的行为：粒子粒子+电磁场电磁场（练习：请写出全套（练习：请写出全套Maxwell方程组）方程组）泊松方程泊松方程法拉第定律法拉第定律安培定律安培定律集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现等离子体是物质第四态固体 冰液体 水气体水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000C这是一个能量增加的过程！这是一个能量增加的过程！需要分别克服需要分别克服:分子间相互作用势能分子间相互作用势能,表面束缚能表面束缚能,原子结合能原子结合能(键能键能),电离能电离能物质第四态 等离子体，物质第四态。其参数范围，以温度，量级跨越七八，以密度，则三十有余。或曰：稠密大相异，冷热极不同，何能以一态盖之？书生曰：虽参数异，所从之规律，大而一致也，盖其动能远大于势，统属近理想统计系统之态也。温度升，粒子动能大，密度大，则粒子邻间影响增，二者同步而变之，其度律相若矣。高温者，必然等离子体；高温而高密，亦等离子体也，低温低密者，或可以等离子体之，惟低温高密，入其他三态矣。Q：有人戏称：有人戏称“自由自由 平等平等 博爱博爱”是等离是等离子体的主要特征，请子体的主要特征，请根据等离子体的基本根据等离子体的基本定义试着理解！定义试着理解！课堂思考课堂思考 自由自由 平等平等 博爱博爱 的的 等离子体等离子体自由：自由：自由电子和离子组成自由电子和离子组成平等：平等：所有组分所有组分(同一种类粒子同一种类粒子)全同全同博爱：多体相互作用博爱：多体相互作用（库仑力）（库仑力）Q1：等离子体是绝大多数等离子体是绝大多数物质的存在形式，为什么我物质的存在形式，为什么我们感觉不是这样？们感觉不是这样？Q2:固态、液态、气态之间固态、液态、气态之间有明确的相变点，气态到等有明确的相变点，气态到等离子体态有这样的相变点吗离子体态有这样的相变点吗？Q3:电离气体一定是等离子电离气体一定是等离子体吗？反过来呢？体吗？反过来呢？课堂思考课堂思考奇文共赏奇文共赏 我经常将等离子体人性化，她的许多我经常将等离子体人性化，她的许多表现酷似于我们人类，常常不需要牵强的表现酷似于我们人类，常常不需要牵强的联想，就可以用我们日常的经验，甚至是联想，就可以用我们日常的经验，甚至是我们内心的感受来理解她的行为。等离子我们内心的感受来理解她的行为。等离子体中的两性，相互独立又相互扶持，平和体中的两性，相互独立又相互扶持，平和时若即若离，逃逸时则携手并肩。等离子时若即若离，逃逸时则携手并肩。等离子体中的相互作用，长则绵绵，短则眈眈，体中的相互作用，长则绵绵，短则眈眈，远可及周天之外，近可抵唇齿之间。等离远可及周天之外，近可抵唇齿之间。等离子体的集体行为，自由与束缚兼得，温和子体的集体行为，自由与束缚兼得，温和与暴虐并存。等离子体的自洽禀性，可以与暴虐并存。等离子体的自洽禀性，可以欺之以妩媚，不可催之以强蛮，若以力，欺之以妩媚，不可催之以强蛮，若以力，人人奋愤可兵，以弱，则诺诺列队而从。人人奋愤可兵，以弱，则诺诺列队而从。如此以陈，等离子体的每一个秉性都值得如此以陈，等离子体的每一个秉性都值得我们用诗一般的语言来渲染。电子离子，我们用诗一般的语言来渲染。电子离子，以其简洁的库仑作用，本不堪言，然一成以其简洁的库仑作用，本不堪言，然一成群体，即如此绚丽，何况人乎？群体，即如此绚丽，何况人乎？刘万东讲义刘万东讲义