等离子体物理学

第一章 导论 1

§1.1 等离子体——物质第四态 1

1.1.1 什么是等离子体 1

1.1.2 如何研究等离子体 3

§1.2 描述等离子体的基本参量 4

1.2.1 等离子体独立参量 4

1.2.2 等离子体的几个特征参量 6

§1.3 德拜屏蔽效应 7

1.3.1 德拜长度 7

1.3.2 德拜势 9

1.3.3 德拜半径的物理意义 10

§1.4 等离子体的集体振荡 10

1.4.1 等离子体振荡 10

1.4.2 等离子体电子振荡频率 11

1.4.3 振荡频率的物理意义 12

第二章 单粒子轨道运动 14

§2.1 引言 14

§2.2 带电粒子在均匀恒定电磁场中的运动 15

2.2.1 在均匀磁场中的运动——拉莫尔回旋 15

2.2.2 在均匀磁场和电场中的电漂移运动 17

2.2.3 在任意常数力场和重力场中的漂移运动 18

§2.3 带电粒子在非均匀恒定电磁场中的运动 19

2.3.1 回旋中心漂移近似 19

2.3.2 带电粒子的梯度漂移 20

2.3.3 带电粒子的曲率漂移 22

2.3.4 有限拉莫尔半径效应 23

2.3.5 回旋中心沿磁场的运动 23

2.3.6 非均匀电场引起的电漂移 25

§2.4 带电粒子在随时间缓慢变化的均匀电磁场中的运动 27

2.4.1 带电粒子在缓慢变化的磁场中的运动 27

2.4.2 带电粒子在缓慢变化的电场中的极化漂移 28

§2.5 缓慢运动不变量 29

2.5.1 磁矩的不变性和磁镜效应 30

2.5.2 纵向不变量 31

2.5.3 磁通不变量 34

§2.6 带电粒子在高频电磁波中的运动 34

2.6.1 在弱电磁波中的颤抖运动 35

2.6.2 电子在强激光场中的相对论运动 35

2.6.3 初始条件的影响 39

2.6.4 电子加速问题 39

§2.7 弱非均匀恒定电磁场中回旋中心漂移运动的一般理论 40

第三章 磁流体力学 45

§3.1 流体力学 46

3.1.1 描写流体运动的两种方法——拉格朗日方法和欧拉方法 48

3.1.2 应力张量 52

3.1.3 基本方程 54

§3.2 磁流体力学方程组 57

3.2.1 电磁场方程 57

3.2.2 考虑电磁力的流体力学方程 58

3.2.3 状态方程 59

3.2.4 双成分的磁流体力学 广义欧姆定律 60

§3.3 磁压力与磁张力 64

§3.4 磁扩散与磁冻结 65

3.4.1 磁感应方程 65

3.4.2 磁扩散效应 66

3.4.3 磁冻结效应 68

§3.5 均匀定常磁场中的流体漂移 70

3.5.1 抗磁性漂移 70

3.5.2 玻耳兹曼关系 73

3.5.3 等离子体近似 74

§3.6 磁流体力学波 74

3.6.2 磁声波 77

3.6.1 阿尔芬波 77

3.6.3 阿尔芬波和磁声波的直观物理图像 79

第四章 等离子体中的波动现象 81

§4.1 引言 81

§4.2 等离子体双流体方程组 83

§4.3 有关波动的几个基本概念 84

4.3.1 波的表示法 84

4.3.2 群速度 86

4.3.3 波的偏振 87

4.3.4 射线轨迹方程（几何光学近似） 87

4.4.1 朗缪尔波 90

§4.4 非磁化等离子体中的波 90

4.4.2 离子声波 94

4.4.3 电磁波 97

§4.5 磁化等离子体中的静电波 99

4.5.1 高混杂静电振荡和高混杂波 100

4.5.2 静电离子波 101

§4.6 磁化等离子体中的高频电磁波 103

4.6.1 垂直于磁场传播的高频电磁波 104

4.6.2 平行于磁场传播的高频电磁波 107

§5.1 引言 111

第五章 等离子体的平衡与稳定性 111

5.2.1 基本方程 113

§5.2 磁流体力学平衡 113

5.2.2 磁面和磁通 114

5.2.3 一维Grad-Shafranov平衡方程 116

§5.3 双流不稳定性 118

§5.4 能量原理 120

§5.5 直线箍缩等离子体柱的不稳定性 123

5.5.1 m≠0内交换模 124

5.5.2 m=0内交换模 127

5.6.1 重力瑞利-泰勒不稳定性 129

§5.6 瑞利-泰勒不稳定性 129

5.6.2 磁场对瑞利-泰勒不稳定性的影响 131

§5.7 撕裂模不稳定性 132

5.7.1 电阻MHD方程组和物理模型 133

5.7.2 边界层方法和方程组的解 136

第六章 等离子体中的碰撞与输运 140

§6.1 等离子体中的二体碰撞 140

6.1.1 二体碰撞 140

6.1.2 二体碰撞过程中粒子动量和动能的传递 141

6.1.3 偏转角的表达式 143

6.1.4 散射截面 145

§6.2 等离子体中的库仑碰撞、库仑对数 147

6.2.1 等离子体中的库仑碰撞 147

6.2.2 库仑对数 148

6.2.3 电阻率 149

§6.3 输运过程的经验定律 150

6.3.1 扩散过程 151

6.3.2 热传导过程 152

6.3.3 粘滞过程 152

6.4.1 迁移率与扩散系数 153

§6.4 无磁场弱电离等离子体中的输运过程 153

6.4.2 双极扩散 154

§6.5 均匀恒定磁场中弱电离等离子体的输运过程 156

§6.6 无磁场强电离等离子体中的输运过程 159

§6.7 强电离等离子体中横越磁场的输运过程 160

第七章 动理学理论简介 163

§7.1 弗拉索夫方程 163

7.1.1 粒子分布函数 163

7.1.2 弗拉索夫方程 166

7.2.1 电子等离子体波的动理学描述 168

§7.2 电子等离子体波及其朗道阻尼 168

7.2.2 弗拉索夫方法 170

7.2.3 朗道阻尼 170

§7.3 朗道阻尼的物理意义 173

7.3.1 朗道阻尼的物理图像 173

7.3.2 非捕获粒子的动能 175

7.3.3 初始条件的影响 177

§7.4 非磁化等离子体中静电波色散关系的一般形式 178

§7.5 等离子体色散函数 179

§7.6 离子声波及其朗道阻尼 181

§8.1 引言 183

第八章 等离子体中的非线性效应 183

§8.2 等离子体鞘层 184

8.2.1 等离子体鞘层 184

8.2.2 玻姆鞘层和玻姆判据 185

8.2.3 察尔德鞘层 187

§8.3 离子声孤立子 188

8.3.1 自然界中的孤立波 188

8.3.2 非线性离子声波的KdV方程 189

8.3.3 KdV方程的孤立子解 190

8.4.1 自然界中的涡旋结构 192

§8.4 静电漂移波涡旋 192

8.4.2 Hasegawa-Mima方程 193

8.4.3 静电漂移波涡旋 194

§8.5 有质动力 196

§8.6 等离子体中的参量过程 198

8.6.1 参量过程 198

8.6.2 等离子体中的参量激发过程 198

第九章 等离子体应用 202

§9.1 磁约束聚变 202

§9.2 惯性约束聚变 206

9.3.1 太阳分层结构 212

§9.3 空间等离子体 212

9.3.2 太阳风 213

9.3.3 磁层 216

9.3.4 磁尾 218

9.3.5 地球辐射带和电离层 219

§9.4 低温等离子体 222

9.4.1 气体放电 223

9.4.2 低温等离子体在国防和高技术中的应用 228

参考书目 231