Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Рассматривая плазму как колебательную систему с характерной собственной частотой сор, естественно ввести представление о диск-
280
VI. АТОМЫ И ИЗЛУЧЕНИЕ
ретных квантовых энергетических состояниях. Квант энергии колебаний с частотой сор согласно формуле Планка Е = h со для приведенного выше значения сор составляет 5-10~16 эрг « 3-10-4 эВ. Уже при комнатной температуре Т ~ 300 К энергия теплового движения частиц равна кТ « 4 ¦ 10~14 эрг « 1/40 эВ. Это означает, что квантование плазменных уровней энергии не играет роли и тепловое движение частиц приводит к возбуждению плазменных колебаний, что на квантовом языке соответствует рождению большого числа квантов колебаний — плазмонов.
Волны в плазме. Выведенная из состояния термодинамического равновесия плазма стремится наиболее быстрым путем релаксиро-вать к равновесному состоянию. В отличие от газа нейтральных частиц, где такой процесс релаксации определяется исключительно передачей энергии при межчастичных столкновениях, плазма избавляется от неравновесности преимущественно путем возбуждения колебаний и волн. Это так называемые плазменные неустойчивости, которые оказались основной преградой на пути осуществления управляемой термоядерной реакции.
Плазменные колебания — это по существу электрические продольные колебания, в которых магнитное поле практически отсутствует, а вектор напряженности электрического поля направлен вдоль движения частиц. Кроме таких продольных колебаний, в плазме, как и в других материальных средах, возможно распространение обычных поперечных электромагнитных волн. Для них плазменная частота сор представляет собой граничную частоту. Электромагнитные волны с частотой меньше сор не могут проникать в плазму, так как их низкочастотное электрическое поле экранируется свободными электронами плазмы. Падающая на границу плазмы волна при со < сор отражается от границы. Если же частота электромагнитной волны выше плазменной частоты, то такая волна проникает в плазму.
Для ионосферной плазмы граница прозрачности попадает в диапазон метровых радиоволн. Поэтому радиосвязь с объектами в космосе возможна только в диапазоне метровых и дециметровых волн. Отражение волн длиной в несколько десятков метров от ионосферы используется для земной радиосвязи на большие расстояния.
Применения плазмы. Плазма широко применяется в технике. Газоразрядная плазма служит активной средой в газовых лазерах — квантовых источниках когерентного оптического излучения. Плазменные струи используются в новых перспективных магнитогидродинамических генераторах электрической энергии. В новых приборах — плазмотронах — создаются мощные струи плотной плазмы, применяемые для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т. д. В плазме ускоряются многие химические реакции и могут происходить реакции, невозможные в обычных условиях. Большие надеж-
§ 33. ПЛАЗМА
281
ды связаны с обузданием высокотемпературной плазмы для осуществления управляемой реакции термоядерного синтеза.
• Чем отличается поведение носителей заряда в плазме и в газе из нейтральных атомов?
• Что такое квазинейтральность плазмы? Чем квазинейтральность отличается от истинной нейтральности?
• Какова причина существования плазменных ленгмюровских колебаний? Чем определяется их частота?
• Как можно оценить радиус экранирования электрического поля внесенного в плазму пробного заряда?
• В каком соотношении находятся дебаевский радиус экранирования со средним расстоянием между электронами плазмы и размерами занимаемой плазмой области?
• Как совместить представления о пространственной однородности плазмы с экранированием кулоновского взаимодействия зарядов плазмы?
• Поясните, почему в плазме, в отличие от нейтрального газа, существует характерный временной масштаб, не зависящий от температуры.
• Чем плазменные колебания отличаются от электромагнитных волн, которые могут распространяться в плазме?
• Что такое плазменные неустойчивости и в чем причина их возникновения?
• Какие практические применения плазмы вам известны?
VII. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
§ 34. Электронная структура кристаллов
Любое макроскопическое тело состоит из атомов и молекул, подчиняющихся законам квантовой физики. Поэтому объяснение большинства наблюдаемых свойств макроскопических тел на основе представлений об их микроструктуре невозможно без использования квантовых законов.
Диэлектрики, полупроводники, металлы. Наибольший прогресс в применении квантовой механики к макроскопическим системам достигнут при изучении твердых тел, т. е. тел, обладающих кристаллической структурой. Первое, что нужно знать для объяснения наблюдаемых электрических, магнитных, тепловых, оптических и других макроскопических свойств, — это уровни энергии электронов в кристалле. Строго говоря, в кристалле, как и в отдельном атоме, можно рассматривать только состояние всей системы в целом. Тем не менее, как и в атоме, с хорошей точностью можно говорить о состояниях отдельных электронов в некотором потенциальном пространственно-периодическом поле кристалла.
