等离子体物理

等离子体内部存在着很多种运动形式，并且相互转化着，高温等离子体还有多种不稳定性。因此等离子体研究是个非常复杂的问题。虽然知道了描述等离子体的基本数学方程，但这组方程非常难解，目前还很难用以准确预言等离子体的性质和行为。等离子体的实验研究，因为因素复杂多变，所以难度也很大，目前精确度还不高。现在正在大力进行这方面的研究，以期能够发展出一套方法，使等离子体的温度升高到一亿度以上，并能控制它的不稳定性，在足够长的时间内，将它约束住，使热核反应得以比较充分地进行下去。

从1928年I.朗缪尔首先引入等离子体的名词以来，伴随着气体放电、天体物理和空间物理、受控热核聚变以及低温等离子体技术应用（如磁流体发电、等离子体冶炼、等离子体化工、气体放电型的电子器件以及火箭推进剂等）的研究，作为它们的实验和理论基础的等离子体物理学迅速发展，逐渐成为一个独立的学科。由于等离子体种类繁多，现象复杂，应用广泛，等离子体物理学正从实验研究、理论研究、数值计算三个方面，互相结合地向深度和广度发展。对于天体、空间和地球上的各种天然等离子体，主要通过包括高空飞行器和人造卫星在内的各种观测手段，接收它们发射的各种辐射和粒子进行研究。根据大量观测结果，结合天体物理、空间物理和等离子体物理的理论研究，进行分析综合，逐步深入地了解天然等离子体的现象、性质、结构、运动以及演化规律。在受控热核聚变中，研究的目的是利用处于等离子体状态的轻核，实现聚变反应，以获取大量的能量。

等离子体物理学的理论研究包括粒子轨道理论，磁流体力学和等离子体动理论3个方面，前两者是近似方法，后者是严格的统计方法。

粒子轨道理论

把等离子体看成由大量独立的带电粒子组成的集体，只讨论单个带电粒子在外加电磁场中的运动，而忽略粒子间的相互作用。粒子轨道理论适用于稀薄等离子体，对于稠密等离子体也可提供某些描述，但由于没有考虑重要的集体效应，局限性很大。粒子轨道理论的基该方法是求解粒子的运动方程。在均匀恒定磁场条件下，带电粒子受洛伦兹力作用，沿着以磁力线为轴的螺旋线运动（见带电粒子的回旋运动）。如果还有静电力或重力，或磁场非均匀，则带电粒子除了以磁力线为轴的螺旋线运动外，还有垂直于磁力线的运动——漂移。漂移是粒子轨道理论的重要内容，如由静电力引起的电漂移、由磁场梯度和磁场曲率引起的梯度漂移和曲率漂移等都是。粒子轨道理论的另一个重要内容是浸渐不变量（曾称绝热不变量）。当带电粒子在随空间或时间缓慢变化的磁场中运动时，在一级近似理论中，存在着可视为常量的浸渐不变量。比较重要的一个浸渐不变量是带电粒子回旋运动的磁矩，等离子体的磁约束以及地磁场约束带电粒子形成的地球辐射带即范艾伦带等，都可以利用磁矩的浸渐不变性来解释。

磁流体力学

把等离子体当作导电的流体来处理，它是等离子体的宏观理论。导电流体除了具有一般流体的重力、压强、粘滞力外，还有电磁力。当导电流体在磁场中运动时，流体内部感生的电流要产生附加的磁场，同时电流在磁场中流动导致的机械力又会改变流体的运动。因此，导电流体的运动比通常的流体复杂得多，磁流体力学的方程组是流体力学方程（包括电磁作用项）和麦克斯韦方程的联立。磁流体力学适宜于研究稠密等离子体的宏观性质如平衡、宏观稳定性以及冷等离子体中的波动问题（所谓冷等离子体是指等离子体的温度较低，热压强可以忽略）。平衡问题研究磁约束等离子体的压强被磁力平衡的条件以及可能的平衡位形。宏观不稳定性对平衡具有严重的破坏作用，它的种类很多，有扭曲不稳定性、交换不稳定性、撕裂模不稳定性等，这些问题的研究对受控热核聚变装置中磁约束的等离子体来说，是十分重要的（见等离子体不稳定性）。等离子体中的波是等离子体的基本运动形态，波的研究意义重大，磁流体力学可研究冷等离子体中的波，如寻常波和非常波，回旋波，剪切阿尔文波，哨声等。但由于磁流体力学不考虑粒子的速度空间分布函数，无法揭示波和粒子的相互作用以及微观不稳定性等一系列重要性质。磁流体力学适用于缓慢变化的等离子体现象，在这种情形，等离子体近似地处于局域的热平衡状态，才可以用宏观参量来描述等离子体的宏观运动。

等离子体动力论

等离子体动力论是等离子体非平衡态的统计理论，即等离子体的微观理论，这是严格的理论。与气体不同，由于等离子体包含大量带电粒子，其间的主要作用是长程的集体库仑作用，因此需要重新建立粒子分布函数随时间的演化方程，它是等离子体动力论的出发点。已经建立的在不同条件下适用的等离子体动力论方程有弗拉索夫方程，福克尔-普朗克方程，朗道方程等。等离子体动力论适宜于研究等离子体中的弛豫过程和输运过程。等离子体弛豫过程是从非平衡的速度分布向热平衡的麦克斯韦分布过渡的过程，可用各种弛豫时间来描述。输运过程是稳定的非平衡态有物质、动量、能量流动的过程，包括电导、扩散、粘性、热导等，用各种输运系数描述。输运过程是受控热核聚变研究的重大课题，尤其是其中出现的不能用碰撞理论解释的反常输运现象。等离子体动力论还适宜于研究等离子体中种类繁多的波和微观不稳定性问题。只有动力论才能给出在无碰撞情形由于粒子对波的共振吸收所导致的朗道阻尼。起源于空间不均匀性或速度空间不均匀性等原因的微观不稳定性是宏观理论无法研究的，只能由动力论给出。动力论还可以讨论等离子体中的涨落效应。等离子体动力论是严格的理论，由动力论方程可以导出磁流体力学的连续方程、动量方程和能量方程，指明各种不同形式的磁流体力学方程的近似条件和适用范围。

在现有的等离子体理论中，无论磁流体力学方程或动力论方程，都是非线性的偏微分方程，难于严格求解析解。为了求得解析解，只

能采用经过大大简化的物理模型，其结果往往是许多过程和效应都被掩盖了。因而借助于计算机的数值计算在等离子体研究中的作用越来越大，已经成为与实验研究和理论研究相配合的重要研究方法。等离子体辐射是等离子体物理的一个重要组成部分，等离子体辐射的分析研究是了解等离子体性质和运动特征的基础，对于天体和空间的等离子体来说，辐射几乎是认识它们的唯一途径。另外，辐射又是等离子体能量损耗的重要方式，这在受控热核聚变研究中尤其重要。