等离子体物理思考题参考050718讲解

思考题

1.1 电离气体一定是等离子体吗？反过来呢？

答：电离气体不一定是等离子体，反过来也不一定。

1.2 试就高温、低温、高密度、低密度等离子体各举一例。

答：磁约束受控热核聚变等离子体是高温等离子体，电弧等离子体是低温等离子体，太阳内部等离子体是高密度等离子体，电离层等离子体是低密度等离子体。

1.3 德拜屏蔽效应一定要有异性离子存在吗？

答：不一定，完全由电子构成的非中性等离子体也具有德拜屏蔽效应。

1.4 用电子德拜长度表示等离子体的德拜长度的前提是什么？

答：主要是所考虑问题的时间尺度应小于离子的响应时间，离子不能响应。

1.5 由于德拜屏蔽，带电粒子的库仑势被限制在德拜长度内，这是否意味着

粒子与德拜球外粒子无相互作用？为什么？

答：有，但是表现为集体相互作用，实际上屏蔽本身可以视为相互作用的传递过程，粒子对德拜球外的粒子的相互作用，通过周围屏蔽粒子的传递而作用。

1.6 对于完全由同一种离子构成的非中性等离子体，能够有德拜屏蔽的概念

吗？

答：同样有，但此时是指在平衡状态下，系统对电扰动的屏蔽作用。

1.7 常规等离子体具有不容忍内部存在电场的禀性，这是否意味着等离子体

内部不可能存在很大的电场，为什么？

答：不一定，在小于德拜长度的空间尺度中，可以存在局域很强的电场，在比等离子体特征响应时间小的时间尺度中，可以存在瞬时的强电场。

1.8 在电子集体振荡的模型中，若初始时不是所有电子与离子产生分离而是

部分电子，则振荡频率会发生变化吗？如果变化，如何解释？

答：从方程上看，此时的振荡频率似乎会减小，即将电子密度换成分离电子密度，如果这样，集体振荡频率就不是等离子体的一种特征频率，因为与振荡扰动的幅度相关。但事实上这样处理是不对的，部分电子与离子分离的情况应用此模型无法进行。因为当部分电子分离时，未分离的电子同样会运动，使得电场会增大，结果使振荡频率仍然是等离子体频率。

1.9 粒子之间的碰撞是中性气体中粒子相互作用的唯一途径，在等离子体中

也如此吗？粒子间能量动量交换还有什么途径？

答：等离子体中粒子间能量、动量交换途径除碰撞外，还可以通过许多集体相互作用形式，如不稳定性、粒子－波－粒子作用等。

1.10 受控任何聚变的最终目标是什么？有哪两种基本的实现途径？

答：目标是人类的“终极”能源。两种主要途径是磁约束聚变和惯性约束聚变，前者是提高等离子体的能量约束时间，但密度较低，后者则是提高等离子体密度，但约束时间较短。这两种途径都可以实现密度与约束时间之积满足所谓的Lawson条件。

1.11 利用打靶的方法可以很容易地实现核聚变反应，为什么以能源为目的

的核聚变研究不能采用这种方法？

答：主要是库仑近碰撞的截面太小，需要很多次“射击”才能击中（即发生近碰撞，发生聚变反应）。因此，平均而言，每次碰撞所获得的聚变能量远小于用于加速粒子的能量，无法实现有效的能量增益。

1.12 低温等离子体环境下可以实现常规化学方法无法实现的化学过程，其

物理原因何在？

答：物理原因是等离子体环境下，电子具有足够打断任何物质化学键的能量，因而，等离子体环境下的分子可以拆开重新组合，形成新的稳定物质。

1.13 作为物质第四种存在形式，对等离子体体系的时空尺度有何要求？

答：空间尺度必须远大于德拜长度，时间尺度必须远大于等离子体特征响应时间。

1.14 等离子体是绝大多数物质的存在形式，为什么我们感觉不是这样？

答：因为人类过于娇嫩，对生存环境的要求太苛刻。

1.15 固态、液态、气态之间有明确的相变点，气态到等离子体态有这样的

相变点吗？

答：没有，等离子体与其它相之间的界限比较模糊。

2.1 （2-16）式在磁场趋于零时，会得到漂移速度无穷大的结果，这合理吗？

如何解释？

E B c时，答：当漂移速度与光速可比时，必须考虑相对论效应，即当||

（2-16）式不再成立。

2.2 电漂移与重力漂移的最重要的差别是什么？

答：电漂移与粒子种类无关，而重力漂移与种类相关。

2.3 从粒子运动轨道图像分析（参考图2.1），考察粒子的电漂移速度为什么

与下列因素无关，（1）电荷的正负、（2）粒子质量、（3）粒子的速度。 答：（1）正负电荷的回旋运动旋转方向相反，但在电场中受到加速的方向亦相反，结果使电漂移运动与电荷正负无关；（2）粒子在电场中受到的加速度与质量成反比，但其回旋频率亦与质量成反比，电漂移速度与两者之比相关，故电漂移运动与粒子质量无关；（3）粒子的回旋频率和在电场中受到的加速度均与速度无关，故电漂移运动与粒子速度无关。

2.4 磁力线弯曲的磁场一定是不均匀的，反过来呢？

答：在无电流空间，弯曲的磁场一定是不均匀的，由于磁场散度为零条件性质，在曲率方向上强度降低。反过来也是。

2.5 试分析“镜面”相互接近系统如何传递能量给所捕获的粒子。

答：“镜面”相互接近时，粒子处在变化的磁场中，变化磁场产生的电场最终加速了粒子。恒定磁场本身不加速带电粒子，当变化的磁场会。

2.6 若电子、离子的温度相等且各向同性，其等效磁矩之比为多少？ 答：1。

2.7 对磁镜场约束的带电粒子，若缓慢地增强磁场，则粒子的垂直能量会增

加，磁场本身不会对粒子做功，那么粒子是如何得到能量的？

答：变化的磁场产生的电场最终加速了粒子。

2.8 本章中所处理的粒子在电磁场中的运动可以分成回旋运动与漂移运动

的合成，对哪些情况我们要求漂移运动的速度远小于回旋运动速度，哪些情况则不需要这样的假设？

答：对外力漂移不需要这样假设，对由于引导中心近似所产生的等效力则需要。

2.9 绝热不变量的条件是什么？具体到电子磁矩绝热不变的条件为何？ 答：要求外参数是缓变的，即外参数变化的时间尺度远大于系统运动的周期。具体到电子磁矩绝热不变则要求外界磁场的变化频率（对非周期变化，则为相对变化率）远小于电子回旋频率。

2.10 若磁场不随时间变化，但是不均匀的，那么磁矩绝热不变的缓变条件

是什么？

答：在回旋运动周期内，粒子所经历的磁场相对变化远小于1，即： ()c r B B ⋅∇，c v B B ω∇

2.11从粒子引导中心近似的方法体会当体系存在两种时间尺度差别较大的

运动时的处理方法。