Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
1J Когда говорят о состоянии вещества, обычно предполагают, что оно может равновесно сосуществовать с другими состояниями того же вещества. В этом смысле плазма фактически не является новым состоянием.—Прим. ред.
12
ГЛАВА I
В простейшем случае плазма состоит из протонов и электронов, плотность которых настолько мала, что парными (короткодействующими) взаимодействиями можно пренебречь. Изучение свойств такой среды — одна из задач теории многих тел. В равновесном состоянии система электронов или протонов может быть описана методами равновесной статистической механики с помощью ансамбля Гиббса. Однако большая часть интересных свойств плазмы проявляется в неравновесных ситуациях.
В США интерес к физике плазмы возродился в 1952 г. в связи с секретной тогда программой, направленной на разработку управляемого термоядерного реактора, известной под названием «Проект Шервуд» [4]. Примерно в это же время были начаты аналогичные работы в Англии, во Франции и в СССР. С тех пор эти работы были основательно расширены, и сейчас многие страны ведут обширные исследования в данной области. Хотя разработка управляемого термоядерного реактора представляет собой одно из наиболее заманчивых практических применений физики плазмы, это только одна из многих областей, в которых физика плазмы играет существенную роль. Физика плазмы сыграла большую роль в развитии ряда разделов современной физики, и знание ее весьма важно при изучении многих проблем астрофизики, атомной и молекулярной физики, химии, биологии, физики атмосферы и магнитогидродинамических методов генерации электроэнергии.
В физике плазмы приходится иметь дело с большим числом специальных понятий и терминов. В настоящей главе мы дадим элементарный обзор основных понятий физики плазмы, определим многие из используемых терминов и приведем некоторые методы получения плазмы в лаборатории и измерения ее параметров (диагностики).
А. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ ФИЗИКИ ПЛАЗМЫ
§ 1. РАВНОВЕСИЕ И КВАЗИРАВНОВЕСИЕ
Термин равновесие часто не вполне точно используется в физике плазмы для описания квазистационарного состояния плазмы, которое было бы вполне стационарным в отсутствие столкновений частиц друг с другом. Обычно изучается поведение плазмы при малых отклонениях от такого квазиравновес-ного состояния.
Термодинамическое равновесие означает, что как ионы, так и электроны описываются максвелловским распределением, характеризуемым одной и той же температурой. При этом среда находится в равновесии со своим окружением и скорости излучения и поглощения энергии одинаковы. Спектр излучения при этом соответствует излучению черного тела.
Существует много интересных теоретических и экспериментальных ситуаций, когда ионы и электроны в плазме имеют разные температуры и не находятся в термодинамическом равновесии с окружающим их веществом. Термин квазиравновесие используется для описания состояний, которые изменяются во времени только вследствие парных столкновений.
§ 2. ДЕБАЕВСКИЙ РАДИУС ЭКРАНИРОВАНИЯ
Электростатический потенциал отдельной частицы с зарядом q есть
В плазме электроны в некоторой окрестности иона притягиваются к нему и экранируют его электростатическое поле. Точно так же «неподвижный» электрон отталкивает другие электроны и притягивает ионы. Благодаря это-
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ПЛАЗМЫ
13
му эффекту поле вокруг заряженной частицы изменяется. Поле заряда, покоящегося в плазме, описывается потенциалом
ф==Хехр(-^-)| (1.2.2)
где — дебаевский радиус экранирования, впервые введенный в теории электролитов Дебая — Хюккеля. Для электрон-протонной плазмы
здесь п — концентрация электронов (или ионов), выраженная в см-3; T — температура в кельвинах; х — постоянная Больцмана (х = 1,38 «Ю-16 эрг/К). Дебаевский радиус определяет сферу влияния выделенного пробного заряда в плазме и в общем случае зависит от скорости движения пробного заряда относительно плазмы.
§ 3. ПАРАМЕТР НЕИДЕАЛЬНОСТИ ПЛАЗМЫ
Параметр неидеальности плазмы х) характеризует число частиц, находящихся в дебаевской сфере, и определяется следующим образом:
*=-4- (1-3.1)
ПК D
Для дебаевского экранирования (и возможности статистического описания плазмы) число частиц в дебаевской сфере должно быть большим; это означает, что g I. На этом неравенстве основано так называемое плазменное приближение. Параметр неидеальности определяет также отношение средней энергии взаимодействия между частицами плазмы к их средней кинетической энергии. В идеальном газе энергия взаимодействия между частицами равна нулю. В большинстве случаев параметр неидеальности мал и плазму можно рассматривать как идеальный газ заряженных частиц, иными словами, как газ, в котором могут существовать электрическое поле и пространственный заряд, но в котором никакие две отдельные частицы не взаимодействуют. Чтобы величина гаЯЬ была большой, концентрация электронов должна быть низкой, поскольку
1 и1/2
ё п\Ь ~ г3'2 *
Так как частота столкновений уменьшается с понижением концентрации п и ростом температуры Г, условие g —0 соответствует исчезновению столкновений.
