Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
Успехи последних лет в использовании вычислительных машин для моделирования плазменных процессов позволили лучше разобраться в этих процессах. В книге приведен ряд данных, полученных при таком моделировании, которые позволяют лучше понять свойства плазмы или существенно дополнить отдельные теоретические результаты.
В каждой главе приведено много различных по трудности задач. В одних требуется проделать обычные алгебраические выкладки, чтобы прийти к хорошо известным результатам, в других обсуждаются нетривиальные вопросы, ответ на которые поможет студентам, готовящимся к исследовательской работе по физике плазмы, лучше почувствовать тонкости этой многообразной и захватывающей науки.
В книге использована гауссова система единиц СГС, широко распространенная в научной литературе по физике плазмы. В приложении III мы привели таблицу для перевода из гауссовой системы единиц СГС в систему СИ таких величин, как сопротивление, емкость, напряженность электрического
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ
поля и т. д. Кроме того, в этом приложении помещен список наиболее часто употребляемых в учебнике обозначений (таких, как плазменная и циклотронная частоты и пр.).
В создание такой большой книги, как эта, естественно, внесли свой вклад многие люди.
Мы благодарим наших друзей и коллег по физике плазмы, с которыми вместе работали и изучали этот предмет. Мы признательны тем студентам, которые слушали курс физики плазмы в Мэрилендском университете в то время, когда писалась настоящая книга. Их добросовестная помощь и советы относительно структуры курса лекций и учебника были для нас весьма ценны. Особенно благодарим Теда Нортропа, Дерека Тидмана и Аллана Кауфмана за предложения и советы о методах преподавания физики плазмы аспирантам. Их опыт преподавания физики плазмы пошел нам на пользу. Мы высоко ценим советы и ободряющую поддержку наших коллег по Мэриленд-скому университету, в особенности Ганса Грима, Рона Девидсона и Боба Пекачека. Выражаем благодарность нашему декану Говарду Ластеру. Благодаря его поддержке мы смогли сконцентрировать наши усилия на преподавании и отработке курса лекций по физике плазмы, на основе которого написана данная книга.
Авторы признательны лицам, прочитавшим отдельные части рукописи, Р. Девидсону, А. де Сильва, С. Хамасаки, Дж. Хею, У. Джонсу, К. Ka-петанакос, X. Клейну, П. Ливер, М. Шварцу, Дон Сперо, Д. Тидману и М. Залес-Капони.
Особой благодарности заслуживают миссис Мэри Энн Ферг и миссис Клара Родригес, напечатавшие рукопись, и миссис Барбара Горнади, составившая именной и предметный указатели.
Мы благодарны нашим женам Терри Кролл и Шерли Трайвелпис за проявленные ими понимание и терпение в период написания этой книги.
Николас А. Кролл Алвин У. Трайвелпис
I
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ПЛАЗМЫ
В физике плазмы изучается поведение достаточно большого коллектива заряженных частиц, статистические свойства которого определяются даль-нодействующими кулоновскими силами, но плотность которого настолько мала, что сила взаимодействия с соседними частицами много меньше кулонов-ского взаимодействия с большим числом далеких частиц. Иными словами, рассматривается ионизованный газ малой плотности. Термин плазма для коллектива заряженных частиц был впервые употреблен Тонксом и Ленг-мюром в 1929 г. [1], изучавшими колебания в электрических разрядах. Однако наиболее характерное свойство плазмы — существование коллективных движений, связанных с дальнодействующим характером кулоновского взаимодействия, — было известно еще раньше и, по-видимому, впервые было описано Рэлеем в 1906 г. [2] при изучении электронных колебаний в томсонов-ской модели атома.
Нередко плазму называют четвертым состоянием вещества. Это понятие ввел Крукс в 1879 г. [3] для описания ионизованной среды газового разряда. Происхождение его видно из следующих рассуждений. Твердое вещество при нагревании переходит в новое состояние, обычно в жидкое. В свою очередь жидкость при нагревании превращается в газ. Дальнейший нагрев ведет к ионизации атомов газа. При температуре выше 100 ООО К вещество сильно ионизовано. Это ионизованное состояние вещества и называется четвертым состоянием *). Плазма может существовать при температуре и ниже 100 000 К, если происходит ионизация газа и если в силу достаточно малой плотности газа рекомбинация замедлена.
Хотя 99,9% видимой Вселенной находятся в плазменном состоянии, на Земле из-за низкой температуры и высокой плотности земного вещества и нижних слоев атмосферы естественной плазмы почти нет. Поэтому для изучения свойств плазмы мы должны создавать ее в экспериментальных условиях. Однако в верхних слоях атмосферы (в ионосфере) существует плазма, возникшая за счет фотоионизации разреженной атмосферы. Еще выше — очень разреженная плазма, захваченная магнитным полем Земли. Плазма движется к Земле от Солнца (солнечный ветер), а также заполняет многие области межзвездного пространства, образуя среду, через которую мы наблюдаем космос.
Физика плазмы опирается в основном на такие хорошо изученные разделы физики, как классическая механика, электродинамика, нерелятивистская статистическая механика. Специфика физики плазмы основана на том, что многие свойства плазмы определяются дальнодействующим кулоновским взаимодействием и поэтому являются коллективными свойствами, связанными с одновременным взаимодействием многих частиц.
