近代物理-等离子体物理近代物理学大学课程.ppt

作业解答：设氢原子处于2p态，求氢原子的能量、角动量大小及角动量的空间取向。,解：2p态表示n=2,l=1。,得:,角动量的大小为,当l=1时，ml的可能值是-1,0,+1，角动量方向与外磁场的夹角可能值为：,根据,近代物理（电子类）等离子体物理,内容,一、等离子体基本概念二、等离子体中的平面电磁波三、等离子体技术的应用,一、等离子体基本概念什么是等离子体？,由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系非束缚性：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。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。集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。,等离子体是物质第四态,00C,1000C,100000C,电离气体是一种常见的等离子体,放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式等离子体电离气体,普通气体,等离子体,宇宙中90物质处于等离子体态,人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。,地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹,等离子体参数空间,等离子体的描述方法,等离子体描述是一致的，通常是经典、非相对论的体系,直接粒子描述：每个粒子运动由牛顿方程描述（对现实体系的粒子数几乎是不可能的，计算机PIC模拟方法以此为基础）,流体描述：将等离子体视为电磁相互作用起主导作用的流体，（电）磁流体,动力论描述：相空间粒子概率分布描述，,等离子体分类,在等离子体中引入电场，经过一定的时间.,德拜(Debye)屏蔽,在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电子、离子将移动，屏蔽电场德拜屏蔽,德拜(Debye)屏蔽,屏蔽层厚度：德拜长度lD,特征响应时间：tplD/vT1/wp,德拜长度,等离子体中任一电荷的电场所能作用的距离。这个量是丹麦物理学家P.德拜在研究电解现象时首先提出的。等离子体中含有大量正负电荷。由于电荷的同性相斥和异性相吸规律，任一个带电粒子总是被一些异性粒子包围，所以它的电场只能作用在一定的距离内，超过这个距离，基本上就被周围异性粒子的电场所屏蔽。这个距离即为德拜长度，又称德拜屏蔽距离。等离子体中的两个带电粒子，只在彼此距离小于德拜长度时，才有相互作用的电力。德拜长度也是描述等离子体中电荷分离的空间尺度，在比德拜长度短的距离内，电荷分离的现象才是明显的。因此，德拜长度又是衡量一团电离气体是否为电中性的标准。若一团电离气体的尺度大于德拜长度，这团电离气体在宏观上可看作是电中性的，这时才能称其为等离子体。,在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等准中性neni,准中性,对弱电离情况：带电粒子与中性粒子作用远小于带电粒子之间的作用,等离子体判据,等离子体存在时间尺度：必须大于响应时间，即,等离子体是弱耦合的近“理想”电离气体,等离子体存在空间尺度：必须大于德拜长度，即,等离子体参数：必须远大于1,无线电波在电离层的反射,截止层：f=fc=9ne1/2,等离子体波,等离子体物理学科发展简史,19世纪30年代起放电管中电离气体，现象认识建立等离子体物理基本理论框架20世纪50年代起受控热核聚变空间技术等离子体物理成为独立的分支学科20世纪80年代起气体放电和电弧技术发展应用低温等离子体物理发展,等离子体物理主要研究领域,低温应用等离子体冷等离子体热等离子体聚变等离子体磁约束聚变惯性约束聚变空间和天体等离子体,二、等离子体中的平面波,等离子体是由电子、离子和中性粒子组成的游离气体。就整体来看，电子的负电量和离子的正电量相等，因而它是中性的。等离子体在许多现实环境中存在，如大自然中许多宇宙星体就是很强大的等离子体；又如大气层经太阳紫外线辐射而形成的电离层；还有如火箭喷出的废气等。分析等离子体中电磁波传播特性时把等离子体看成一等效介质，因而首先要求出其等效介电常数。,等离子体中带电粒子在外场的作用下将产生对流电流。由于离子的质量比电子大得多，较难在高频外场的作用下运动，因而以下讨论仅考虑电子的运动情况。假设等离子体中单位体积内平均电子数为N，电子在外场作用下的平均速度为v，并假设等离子体温度为零，即没有热运动，电子的带电量为-e=-1.610-19C，则对流电流密度为（1）,时谐情况下麦克斯韦方程组中H的旋度方程为（2）将等离子体看成等效介质，即将对流电流的作用等效为介电常数的作用，式（2）右边为（3）这里即为等效介电常数，是个张量。,设平面波沿+z方向传播，并且在该方向有一外加恒定磁场则电子所受的洛仑兹力为（4）式中E和B为高频电磁场。一般情况下，电子受高频磁场的作用力要比受高频电场的作用力小得多，由牛顿定律(m为电子质量）（5）式中m为电子质量。,考虑时谐情况，上式分量形式为（6a）（6b）（6c）（7）解（6）可得（8）,式中c为回旋频率：,将（8）代入式（3）即可解得各元素值为：（9a）（9b）（9c）式中p为等离子体频率（10）,因此等离子体的等效介电常数为：（11）由式（7）可见，当外加恒定磁场不存在，即B0=0时,c=0;相应地式（9）中,12=21=0,11=22=33，此时等效介电常数退化为一个标量。所以外加恒定磁场是使等离子体成为各向异性媒质的根本原因。此时等效介电常数为,以m=9.110-31kg及相应的e，0值代入上式可得（12）上式即为不考虑外加恒定磁场时计算平面波在等离子体内传播轨迹的重要依据。事实上，短波通信中波的传播路径即用上式估算。,非磁化等离子体中电磁波频率w：磁化等离子体：下面讨论均匀平面波在等离子体中的传播特性。,麦克斯韦方程组的旋度方程为（13a）（13b）相应的电场E的波动方程为（14）分量形式为（15）如果平面波是线极化，可假设只有Ex分量，由式（15）中第二行可得：2021Ex=0。显然2021不为零，故只有Ex=0，等离子体内不存在线极化平面波。,如果平面波是右旋圆极化波，即则式（15）成为（16）式中为沿+z方向的传播常数，对于右圆极化波用+表示。解式（16）可得（17）,对于左旋圆极化波同理可解得（18a）或（18b）故左旋圆极化波也可以在等离子体中存在,这说明右旋圆极化波可以在等离子体中存在。,从式（17）和式（18）可以看出，等离子体中左、右圆极化波相速不相等。一个线极化波可以分解为两个等幅而旋转方向相反的圆极化波。在各向同性媒质中，这两个圆极化波相速相等，经一段距离传播后，合成波仍为原来方向的线极化波。但在各向异性媒质中，由于两者相速不相等，传播一段距离后，合成波的极化面已不在原来方向，即电磁波的极化面在媒质中沿着传播方向不断旋转，这种现象称为法拉第效应。等离子体中，B00时，媒质是各向异性的，+-，会产生法拉第效应；而B0=0时，c=0且（19）左、右圆极化波相速相等，不会产生法拉第效应。,三、等离子体技术的应用冷等离子体应用,等离子体的化学过程刻蚀化学气相沉积（成膜）等离子体材料处理表面改性灭菌消毒表面冶金光源冷光源（节能，线光谱）气体激光器等离子体显示器,电子能量（eV）远大于分子键能（0.1eV）,非热平衡等离子体，背景温度低，电子温度高，存在大量的活性粒子,纳米尺度上针尖状表面,特征类金刚石表面制造,制备纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。（J.Chem.Phys.116,10458，2002）,纳米尺度上波纹状表面,树枝状表面,热等离子体应用,高温加热冶金、焊接、切割材料合成、加工陶瓷烧结、喷涂、三废处理光源强光源（近黑体连续辐射）,热平衡等离子体，电子、离子、原子同样的温度，热量大通常是高气压（1个大气压左右或更高的气压）电弧、等离子体炬,等离子体军事及高技术应用,军事应用等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵高技术大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进,等离子体离子推进器,VASIMR等离子体推进技术,等离子体光学开关,等离子体天线,聚变与裂变能,核聚变反应,D+T=n+4HeD+T=p+3He,受控热核聚变,10克氘15克氚人一生所需能源500升海水含10克氘无环境污染及长寿命放射性废料,聚变需要亿度高温,劳逊判据（Q1）T10keV（1亿度）nt3x1020m-3s,聚变需要亿度高温,实现聚变的三种途径,主要参数Pf=500MWQ10T=500sR=6.2mA=2.0mIp=15MAB=5.3TV=837m3S=678m2Pin=73MW,46亿美元,ITER：中国的托卡马克聚变实验堆,法国人的梦想,2005年6月28日ITER：Cadarache,磁约束聚变研究进展,磁约束聚变研究进展,磁约束受控聚变研究进展,30年聚变三乘积提高10万倍平均每1.8年翻一番,美国Nova激光聚变装置,1985年建成，10路45000焦耳，1纳秒2倍频/3倍频,激光聚变电站,国内有关装置,神光II、星光II激光聚变装置,空间等离子体形态,空间天体等离子体,太阳大气结构,日冕(104km)(EUV像)色球(103km)(H像)色球(103km)(CaIIK)光球(102km)(白光像),(Credit:TRACEweb-site),空间天体等离子体,爆发磁环及实验室模拟,北极光,星系：巨大的聚变反应堆,总结,等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物理及应用、国防和高技术应用、天体和空间等离子体物理等分支领域。等离子体科学在能源、材料、信息、环保、国防、微电子、半导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺织、通讯等领域有广泛的应用。等离子体研究领域对人类面临的能源、材料、信息、环保等许多全局性问题的解决具有重大意义。,有一位“哲人”曰：我经常将等离子体人性化，她的许多表现酷似于我们人类，常常不需要牵强的联想，就可以用我们日