Рождение «плазмы»В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 1

…илиисторияодногослова

•Исследования разрядов начались в XVII веке (Отто фон Герике́ , 1672), но в течение почти 250 лет не было понимания того, что изучаемый объект имеет особую природу и особые свойства.

•Разные источники солидарно приписывают авторские права на термин плазма в физике и химии американскому химику Ирвингу Лэнгмюру, но расходятся в дате рождения физики плазмы, варьируя её от 1922 до 1929 года.

•В переводе с греческого языка слово πλασμα означает лепную фигуру, пластичную массу наподобие воска.

•Понятие плазмы крови было введено чешским медиком Яном Пуркинье

за 80 лет до Лэнгмюра (ок. 1848?).

• Потребовалось ещё 30 лет, чтобы термин плазма в применении к ионизированному газу стал общепринятым. Лэнгмюр экспериментировал с частично (или даже слабо) ионизированной плазмой.

И.А.Котельников, Семинар плазменных лабораторий ИЯФ, 17.04.2007

• Langmuir introduced the term plasma in 1923 while investigating electric discharges.

http://www.britannica.com/EBchecked/topic/599313/

•Непосредственно слово плазма было впервые употреблено в 1928 году.

I.Langmuir, “Oscillations in Ionized Gases”, Proc. of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 14 (8), 627-637 (1928).

ИрвингЛенгмюр В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 1

ЛЭНГМЮР (Langmuir) Ирвинг (31.01.1881– 16.08.1957),

американский физик и физико-химик.

Ввел слово плазма в физику и химию (21.06.1928). Труды по электрическим разрядам в газах, термоэлектронной эмиссии, вакуумной технике и др. Исследовал поверхностные явления (адсорбция, мономолекулярные слои и др.).

Нобелевская премия «За открытия и исследования в области химии поверхностных явлений» (1932).

Proc. of the National Academy of

Sciences of the United States of

America, Vol. 14 (8), 627 (1928).

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 1

Единицыизмерения • температураатура

принятая в курсе система единиц – СГС

(если не указано иначе)

Принятая в физике плазмы единица измерения энергии и температуры:

электронвольт

mv

2

термализация

3

eU [Дж]

eU [эВ]

–

+

eU =

kT

2

kT [Дж]

T [эВ]

U = Δφ = 1 В

2

Далее во всех формулах вместо kT будет использоваться T !!!

(физический смысл: избавляемся от постоянной Больцмана специальным выбором единицы измерения)

1 эВ = 11606 К ~ 104 K

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 1

Четвёртоесостояние веществаства

Плазма = квазинейтральная среда заряженных частиц

плавление	испарение	ионизация	кулоновский	ядерный
			барьер	барьер
кристалл	жидкость	газ	плазма	термояд.
				плазма

1 эВ 1 эВ 10 эВ 10 кэВ 10 МэВ

энергия фазового перехода

При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, то есть молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы.

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 1

Взаимодействиечастицв плазмеазме

Плазма = квазинейтральная среда заряженных частиц

В резком отличии свойств плазмы от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора.

• Во-первых, взаимодействие частиц плазмы между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (то есть значительно более «дальнодействующими»), чем силы взаимодействия нейтральных частиц.

По этой причине взаимодействие частиц в плазме является, строго говоря, не «парным», а «коллективным» — одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц.

• Во-вторых, электрические и магнитные поля очень сильно действуют на плазму (в то время как они весьма слабо действуют на нейтральные газы), вызывая появление в плазме объёмных зарядов и токов и обусловливая целый ряд специфических свойств плазмы.

Этотожеплазма В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 1

Плазма = квазинейтральная среда заряженных частиц

•частично (не полностью) ионизированная плазма – присутствует значительная доля нейтральных атомов;

•заряженная (не-нейтральная) плазма – суммарный положительный заряд сильно отличается от суммарного отрицательного;

•электронно-дырочная плазма в полупроводниках – подвижны квазичастицы, ионы физически в решётке не перемещаются;

•пылевая плазма – макрочастицы разной массы и заряда;

•электрон-позитронная релятивистская плазма в астрофизике;

•и т. д.

Далее будем рассматривать квазинейтральную электрон-ионную плазму

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 1

Некоторыеопределенияи обозначенияначения

Плотность: n – число электронов в единице объёма (если не указано иное, размерность [l-3])

более корректно: «концентрация частиц», но обычно используется «плотность»

Температура: T – температура плазмы в энергетических единицах (размерность [W])

пока пользуемся понятием температуры, хотя не всегда так можно

m, M – масса электронов и ионов, соответственно	p – импульс электрона
Z – заряд иона [а.е.м.], равен 1 для водорода	ћ– постоянная Планка
i, e, a – индексы, обозначающие ионы, электроны и атомы

Параметр β

не путать с релятивистской обезразмеренной скоростью!

β = 8π nT =			давление плазмы
	B2		давление магнитного поля

•параметр β показывает, насколько велика роль магнитного поля в плазме

•даже при β << 1 некоторые процессы в плазме целиком определяются давлением плазмы, и наоборот!

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 1

Классическаяивырожденная плазмаплазма

«Квантовый» масштаб – длина волны Де-Бройля

«Плазменный» масштаб – расстояние между частицами

Классическая плазма: частицы можно рассматривать как точечные заряды

Вырожденная плазма: существенны квантовомеханические эффекты

Граница между режимами:

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 1

Идеальнаяинеидеальная плазмалазма

Идеальная плазма:

энергия кулоновского	кинетическая
взаимодействия частиц	энергия частиц
классическая плазма	вырожденная плазма
плазменные электроны	плазменные электроны
свободны	- это Ферми-газ

энергия Ферми