等离子体

１． (1)等离子体作为物质的第四态，它有哪些基本属性（包括等离子体的存在条件）；(2)试举例说出一些自然界和实验室里处于等离子体态的物质。

(3)等离子体集体行为（集体效应）产生的物理原因
答：（1）特征：
①是准中性气体：正、负带电粒子在电量上基本平衡（呈电中性）， ne≈∑Zini ne表示电子密度，ni表示i价离子的密度。

②表现出集体行为：带电粒子之间存在着库仑静电力(长程力：电荷运动，正、负电荷局部集中产生电、磁场，然后影响远处粒子) 电磁力和万有引力两种长程力
③产生德拜屏蔽：在等离子体中引入任何静态的外加电场都会引起等离子体中自由电荷的重新分布，从而使外电场在等离子体中存在被限制在某一空间尺度内。

（德拜半径：λD=(KTe/4πne2)2）
（2）存在条件：(书上P8也有详解)
①空间尺度要求：等离子体线度远大于德拜长度：λD << L
②时间尺度要求：等离子体碰撞时间、存在时间远大于特征响应时间：
t >> tp
③集合体要求：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意义：
N D＝ ne (4 plD3 /3 ) >> 1
（3）由于等离子体中的自由点和导出运动，他们能引起正电荷或负电荷的局部集中，从而在等离子体中产生电场；电荷的运动也会引起电流，从而在等离子体中产生磁场，这些电磁场在等离子体重传播开来，会影响到远处其他电荷的运动。

２．(1)试从等离子体的参数范围（密度、温度）和学习等离子体物理所需的物理基础两个方面，给出等离子体物理学的特点。

(2) 等离子体物理学
科的发展简史。

答：等离子物理学的特点是：参数范围广泛，密度跨越30个量级，们度跨越7个量级.物理基础：经典力学-单粒子运动；电动力学-等离子体的回旋辐射，韧致辐射；立体力学-等离子体的流动、波动；量子力学-等离子体的线辐射；统计力学-平衡或非平衡时等离子体的物性和演化发展简史：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
３．(1)等离子体按其温度分为哪两类？(2)在当今等离子体物理学有哪些重要的应用领域？
答：①按照等离子体的温度可以分为两类：T<10000℃,低温等离子体（低温中又分为冷等离子体和热等离子体）。

T>10000℃，称为高温等离子体。

⏹应用领域：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
⏹低温应用等离子体(冷等离子体\热等离子体)
４．(1)什么是核聚变、核聚变能？(2)什么是核裂变、核裂变能？(3)最容易发生聚变反应的是哪两种元素？
答：(1)核聚变：轻核间通过碰撞发生反应，生成一个重核，并同时释放大量能量的反应。

核聚变能：将两个较轻的原子核聚合成一个稍重原子核所释放出的能量。

(2)核裂变：重金属元素铀的原子核吸收一个中子后产生的核反应，是这个重原子核分裂成两个更轻的原子核及2-3个自由中子，还释放能量和射线的反应。

核裂变能：重金属的原子核通过裂变而释放出的巨大能量。

(3)最容易发生的是氘（D）和氚（T）的聚变反应。

５．(1)实现核聚变有哪三种途经？(2)给出当前世界上实验室里进行高温核聚变实验的两种不同途经的代表性装置。

答：(1)受控核聚变有：①重力约束（太阳中心产能形式）②惯性约束③磁约束
(2)两种途径：以惯性约束为形式的NOVA装置；以磁约束为形式的Tokamak
６． (1)温度的定义；(2)等离子体可以同时具有哪几个温度？(3)当今等离子体物理学有哪些重要的应用领域和发展前景?
答：(1)温度的定义：是表征处于热平衡宏观系统的一个特征物理量，即两个相互之间仅有能量交换的子系统处于热平衡时，他们有唯一共同的物理量就是温度。

等离子物理学中，温度通常用能量的单位KT来表示。

(2)等离子体具有的温度：电子和离子经常具有不同的温度麦克斯韦分布，所以等离子体中含有两个温度：电子温度Te和离子温度Te。

当具有磁场B的时候，由于沿着B作用在等离子体粒子上的力和垂直B作用的力是不同的，所以垂直于B和平行于B的速度分量会具有温度T⊥和T∥的不同麦克斯韦分布
(3)等离子体物理学发展前景①能源需求：中国参加国家热核反应堆（ITER），启动“国家点火工程”重大专项中需要用到等离子体中高温等离子体相关知识②空间开发：有探月计划-“嫦娥工程”还有“夸父计划”以及“双星计划”③工业和国防中也有广泛应用：芯片刻蚀以及飞行器隐身这些要用到等离子体物理学中低温等离子体相关知识。

７．(1)什么是德拜屏蔽？(2)德拜长度(德拜半径)的物理含义。

答：(1)德拜屏蔽是等离子体的一个基本特性，是在等离子体中引入任何外加电场都会引起等离子体自由电荷的重新分布，从而使外电场在等离子体中的作用限制在一定空间尺度内。

(2)德拜长度是鞘层厚度的量度，更确切的说，等离子体准中性及集体行为的成立，必须要求其空间尺度远远大于。

D
８．等离子体中的库仑碰撞分为哪两类？对高温稀薄等离子体而言，哪类碰撞更重要？
答：(1)分为①小角度散射θ<<1，此时电荷在一次库伦碰撞中的角动量变化与其原有的动量相比是一个小量。

②大角度散射，此时电荷再一次库伦碰撞中的动量变化量与原有的动量相当。

(2)对高温稀薄等离子体而言，引起电荷动量变化的主要是小角散射。

９．等离子体从非平衡态向平衡态的演化过程中存在三个特征时间：电子－电子碰撞时间、离子－离子碰撞时间和电子－离子能量平衡时间。

试从这三个特征时间尺度的关系给出等离子体的驰豫过程。

答：
10．朗道阻尼的定义及物理的直观物理图像。

答：
11．完整流体方程
11．临界条件
12．P31页答案在书上25页的2.6
粒子如何获得能量：该粒子的能量从电场得到。

因为在绝热压缩等离子体等离子体中μ不变现性要求KT随B的增加而增加，即等离子体的能量增加。

又因为洛伦兹力总是与速度垂直，及洛伦兹力不做功。

所以能量的增加与磁场无关。

因为电场强度E的旋度等于磁感应强度B对时间的一阶导的相反数（麦克斯韦方程组的一个方程），电场能加速粒子，所以粒子的能量从电场得到！
13．匀强电磁场的漂移（抗磁漂移），ppt前五讲
二、计算题（3小题，共40分）
1. K B Te = K B Ti = 30KeV的热核等离子体的开尔文温标是多少？当其密度n = 1014厘米-3，由P = nK B T，其中T = Te + Ti，K B = 1.38 ×10-16erg/K，计算热核等离子体对容器的压强。

（共10分）解⑴1ⅇV=11600K
T=30x*3*11600=3.48*10*8K P=n kB(Ti+Tⅇ)
=*14x*6x1.38x10*-23）x6.96x10*8=9.6x10*5Pa
2. 一种辉光放电等离子体，其温度K B Te = 5eV，密度n = 1010厘米-3，计算它的德拜半径和德拜球内的粒子数。

（共10分）
3. 试在三维球坐标系下由泊松方程求解等离子体中的电势（共20分）
4. （1）导出电子等离子体波的色散关系；（2）在题（1）的基础上，通过在电子运动方程中加上一项（－mnνV），重新导出Te = 0的色散关系，计算碰撞阻尼对朗缪尔波传播的影响。

（该小题为09级硕士必做题）。