Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Газоразрядная плазма, как правило, представляет собой смесь трех компонент: свободных электронов, положительных ионов и нейтральных атомов или молекул. Электроны — это наиболее подвижная часть плазмы, и именно с движением электронов связаны ее наиболее интересные свойства. Ионы же вследствие гораздо большей массы ведут себя более «пассивно», благодаря чему во многих случаях можно вообще пренебрегать их движением и рассматривать ионную часть плазмы как неподвижный положительный фон, на котором происходит движение электронов. Такое приближение однокомпонентной плазмы тем более оправдано для электронов в металлах, где движение ионов вообще ограничено колебаниями вблизи положений равновесия.
590
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Одним из важнейших свойств плазмы является ее стремление к сохранению равенства плотностей электрического заряда положительных и отрицательных частиц. В самом деле, при высокой плотности заряженных частиц в плазме даже малое пространственное разделение положительных
и отрицательных зарядов при-? вело бы к появлению очень силь-
ных электрических полей, стре-:;1 мящихся восстановить локаль-
i; ное нарушение электронейтраль-
ности. Поэтому в среднем (в -6 достаточно большом объеме или
? за достаточно большой проме-
i жуток времени) плазма должна
быть почти нейтральной, или, •V . как говорят, квазинейтральной.
¦.VI Оценим величину объема и
{*----------Н промежутка времени, в-которых
j-t I. выполняется квазинейтральность
п ,, , „ . плазмы. Представим себе, что
Рис. 11.1. К выводу форму- г ’
лы для частоты плазменных в плоском слое однородной
-колебаний. нейтральной в целом плазмы все
электроны сместились на расстояние х в одном и том же направлении (рис. 11.1). Возникающее в результате такого смещения электронов результирующее распределение зарядов будет таким же, как и в плоском конденсаторе. Электрическое поле в плазме определяется плотностью заряда на «обкладках» такого «конденсатора». При смещении электронов в слое толщиной I (рис. 11.1) нарушение нейтральности происходит только в тонких областях толщиной х вблизи границ слоя: слева образуется избыток положительного заряда, справа — отрицательного. Если концентрацию электронов в нейтральной плазме обозначить через п, то при смещении всех электронов в слое на расстояние х заряд а на единице площади «обкладки» будет равен епх. Поэтому напряженность поля Е в «конденсаторе» будет равна
?'=4ncr=4nenx. (11.1)
Действующая на каждый электрон в слое сила F=—eE будет пропорциональна смещению электрона х и, как видно из рис. 11,1, направлена в сторону, противоположную
I
I
I
+б=пех-^
I
I
!
I
I
I
I
s II. ПЛАЗМА И ЭЛЕКТРОНЫ В МЕТАЛЛАХ
591
смещению:
F=—Аппе2х.
(11.2)
Поэтому электроны будут совершать гармонические колебания, частота которых сор определяется выражением
где т — масса электрона.
Эта частота сор — одна из важнейших характеристик плазмы. Ее называют плазменной частотой, а сами колебания — плазменными или ленгмюровскими, по имени американского физика Ленгмюра, впервые исследовавшего эти колебания.
Таким образом, в результате разделения зарядов в плазме возникают электрические поля, вызывающие колебания частиц. Эти колебания стремятся восстановить квазинейтральность плазмы. Ясно, что заметить отклонения плазмы от квазинейтральности можно только на протяжении времени, малого по сравнению с периодом плазменных колебаний. В среднем (за много периодов колебаний) плазма ведет себя как квазинейтральная среда. Период плазменных колебаний Тр=2л/(ор — это характерный временной масштаб разделения зарядов в плазме.
