等离子体物理学简介
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一、基本参量： 1、粒子数密度n 准中性条件
2. 速度分布函数 (velocity distribution function) (热力学统计) 相空间: 粒子行为可以用位置矢量与速度矢量来描述
坐标
定义了粒子在六维相空间中的位置; 对于多粒子
体系, 采用粒子速度分布函数描述系统的演化与特征:
速度分布函数代表 在相空间体积元dV之中的粒子数密度；
等离子体 物理简介
1
等离子体物理学简介的目的
• 了解等离子体物理基本概念 • 建立等离子体基本物理过程的物
理图像
2
等离子体简单示例
日冕物质抛射的爆发图像
太阳风暴(Solar wind)
日冕是太阳大气的最外层（其内部分别
从恒星上层大气射出的超高速等离子体 为光球层和色球层），厚度达到几百万
（带电粒子）流。在不是太阳的情况下， 公里以上。在高温下，氢、氦等原子已
这种带电粒子流也常称为“恒星风”
经被电离。这些带电粒子运动速度极快，
以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力 束缚，射向太阳的外围。形成太阳风。3
等离子体的简要历史
In 1897
Cathode ray
J. J. Thomson
4
等离子体的简要历史
Plasma
In 1928
Irving Langmuir
Langmuir described his observations as: Except near the electrodes, where there are sheaths containing very few electrons, the ionized gas contains ions and electrons in about equal numbers so that the resultant space charge is very small. We shall use the name plasma to describe this region containing balanced charges of ions and electrons.
7
等离子体定义的要点
1. 对于自由的理解：含大量带电粒子的气体，异类带电粒子
之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子 （电子、离子），而不是其结合体，即非束缚态
2. 对于准中性的理解：指等离子体中正负离子数目基本相
等，宏观（大尺度）呈现电中性，小尺度则呈现电磁性质(思考， 为何会出现准中性的性质？)
数物质的存在形式，为 什么我们感觉不是这样？ Q2: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？ Q3:电离气体一定是等离
子体吗？反过来呢？
自由 平等 博爱 的 等离子体
自由： 自由电子和离子组成
平等： 所有组分(同一种类粒子)全同
博爱：多体相互作用 （库仑力）
13
等离子体物理学基本概念
Coined by Irving Langmuir, perhaps because the glowing discharge molds itself to the shape of the Crooks tube (Gr. πλάσμα – a thing moulded or formed).
集体行为：
当体系内某处出现扰动时，理论上所有
粒子行为都会受到影响，使整个等离子
体对外加扰动作出响应；
集体行为也会通过电磁场作为媒介来表
9
现
等离子体集体效应
集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现 粒子与电磁场的不可分割性： 等离子体中粒子的运动与电磁场（外 场及粒子产生的自洽场）的运动紧密 耦合， 不可分割
14
等离子体物理学基本概念
3、温度T
对于满足Maxwell速度分布函数(已经归一化)的粒子：
粒子的平均动能与温度的定义 (统计力学：分子热运动的一种度量)
等离子体温度是粒子平均动能的度量
Thermal vs. non-thermal plasmas
15
等离子体物理学基本概念 温度
• 电子温度Te和离子温度Ti
描行为述：等粒离子子+体电的磁场
（练习：请写出全套Maxwell方程组）
泊松方程
法拉第定律
安培定律
10
物质
11
物质的尺度:
1. 宏观尺度：物质 2. 分子尺度 3. 原子尺度: 质子、中子和电子 4. 次原子尺度: 电子 5. 次原子尺度：夸克 6. 弦
等离子体是物质第四态
固
液
气
等离子
体
体
体
体
冰
• 等离子体是一种电离的气体，具有很高的电导率，与电磁场存在 强烈的耦合作用，在宇宙中广泛存在，常被看作物质的第四态。
A plasma is a quasi-neutral gas of charged and neutral particles which exhibits collective behavior. “Plasma”这个词，由朗缪尔(Langmuir)在1927年最早采用, 中文翻译 国内：等离子体 台湾：电浆
3. 对于集体的理解 4. 对于第四态的理解
8
等离子体集体效应
3)、集体效应：是与中性气体的根本区别，是等离子体作 为物质第四态的依据。区别一种物态应看作用于物态基本 组元上的作用力，控制物态特性变化的基本作用力，对于 固体，液体，气体均有所不同。中性气体：粒子间的直接 的碰撞作用 等离子体：电磁力，长程 多体
水
水汽源自文库
电离气
体
00C 1000C
100000C 温度
这是一个能量增加的过程！
需要分别克服:
1.分子间相互作用势能,
2.表面束缚能, 原子结合能(键能),
12
3.电离能
等离子体是物质第四态
Q：有人戏称 “自 由 平等 博爱” 是
等离子体的主要特 征，请根据等离子 体的基本定义试着 理解！
Q1：等离子体是绝大多
5
宇宙中 99％的
已知物
质是等 离子体
等离子体参数空间
数密度：103 m-3 ---- 1033 m-3
温度：10-1ev ---- 106 ev (103 K---- 1010 K)
1ev ~ 11600 K
广阔的参数空间宽广的研究领域和应用前景!
6
等离子体（Plasma）定义
• 等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、 微粒等)组成的，宏观上呈现准中性、且具有集体效应的混合气 体。
2. 速度分布函数 (velocity distribution function) (热力学统计) 相空间: 粒子行为可以用位置矢量与速度矢量来描述
坐标
定义了粒子在六维相空间中的位置; 对于多粒子
体系, 采用粒子速度分布函数描述系统的演化与特征:
速度分布函数代表 在相空间体积元dV之中的粒子数密度；
等离子体 物理简介
1
等离子体物理学简介的目的
• 了解等离子体物理基本概念 • 建立等离子体基本物理过程的物
理图像
2
等离子体简单示例
日冕物质抛射的爆发图像
太阳风暴(Solar wind)
日冕是太阳大气的最外层（其内部分别
从恒星上层大气射出的超高速等离子体 为光球层和色球层），厚度达到几百万
（带电粒子）流。在不是太阳的情况下， 公里以上。在高温下，氢、氦等原子已
这种带电粒子流也常称为“恒星风”
经被电离。这些带电粒子运动速度极快，
以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力 束缚，射向太阳的外围。形成太阳风。3
等离子体的简要历史
In 1897
Cathode ray
J. J. Thomson
4
等离子体的简要历史
Plasma
In 1928
Irving Langmuir
Langmuir described his observations as: Except near the electrodes, where there are sheaths containing very few electrons, the ionized gas contains ions and electrons in about equal numbers so that the resultant space charge is very small. We shall use the name plasma to describe this region containing balanced charges of ions and electrons.
7
等离子体定义的要点
1. 对于自由的理解：含大量带电粒子的气体，异类带电粒子
之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子 （电子、离子），而不是其结合体，即非束缚态
2. 对于准中性的理解：指等离子体中正负离子数目基本相
等，宏观（大尺度）呈现电中性，小尺度则呈现电磁性质(思考， 为何会出现准中性的性质？)
数物质的存在形式，为 什么我们感觉不是这样？ Q2: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？ Q3:电离气体一定是等离
子体吗？反过来呢？
自由 平等 博爱 的 等离子体
自由： 自由电子和离子组成
平等： 所有组分(同一种类粒子)全同
博爱：多体相互作用 （库仑力）
13
等离子体物理学基本概念
Coined by Irving Langmuir, perhaps because the glowing discharge molds itself to the shape of the Crooks tube (Gr. πλάσμα – a thing moulded or formed).
集体行为：
当体系内某处出现扰动时，理论上所有
粒子行为都会受到影响，使整个等离子
体对外加扰动作出响应；
集体行为也会通过电磁场作为媒介来表
9
现
等离子体集体效应
集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现 粒子与电磁场的不可分割性： 等离子体中粒子的运动与电磁场（外 场及粒子产生的自洽场）的运动紧密 耦合， 不可分割
14
等离子体物理学基本概念
3、温度T
对于满足Maxwell速度分布函数(已经归一化)的粒子：
粒子的平均动能与温度的定义 (统计力学：分子热运动的一种度量)
等离子体温度是粒子平均动能的度量
Thermal vs. non-thermal plasmas
15
等离子体物理学基本概念 温度
• 电子温度Te和离子温度Ti
描行为述：等粒离子子+体电的磁场
（练习：请写出全套Maxwell方程组）
泊松方程
法拉第定律
安培定律
10
物质
11
物质的尺度:
1. 宏观尺度：物质 2. 分子尺度 3. 原子尺度: 质子、中子和电子 4. 次原子尺度: 电子 5. 次原子尺度：夸克 6. 弦
等离子体是物质第四态
固
液
气
等离子
体
体
体
体
冰
• 等离子体是一种电离的气体，具有很高的电导率，与电磁场存在 强烈的耦合作用，在宇宙中广泛存在，常被看作物质的第四态。
A plasma is a quasi-neutral gas of charged and neutral particles which exhibits collective behavior. “Plasma”这个词，由朗缪尔(Langmuir)在1927年最早采用, 中文翻译 国内：等离子体 台湾：电浆
3. 对于集体的理解 4. 对于第四态的理解
8
等离子体集体效应
3)、集体效应：是与中性气体的根本区别，是等离子体作 为物质第四态的依据。区别一种物态应看作用于物态基本 组元上的作用力，控制物态特性变化的基本作用力，对于 固体，液体，气体均有所不同。中性气体：粒子间的直接 的碰撞作用 等离子体：电磁力，长程 多体
水
水汽源自文库
电离气
体
00C 1000C
100000C 温度
这是一个能量增加的过程！
需要分别克服:
1.分子间相互作用势能,
2.表面束缚能, 原子结合能(键能),
12
3.电离能
等离子体是物质第四态
Q：有人戏称 “自 由 平等 博爱” 是
等离子体的主要特 征，请根据等离子 体的基本定义试着 理解！
Q1：等离子体是绝大多
5
宇宙中 99％的
已知物
质是等 离子体
等离子体参数空间
数密度：103 m-3 ---- 1033 m-3
温度：10-1ev ---- 106 ev (103 K---- 1010 K)
1ev ~ 11600 K
广阔的参数空间宽广的研究领域和应用前景!
6
等离子体（Plasma）定义
• 等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、 微粒等)组成的，宏观上呈现准中性、且具有集体效应的混合气 体。