等离子体物理课程教学大纲

等离子体物理一、课程说明课程编号：140322Z10课程名称（中/英文）：等离子体物理/Physics of Plasmas课程类别：学科基础课学时/学分：32/2先修课程：激光原理、光学、原子物理学适用专业：物理科学班教材、教学参考书：[1] 金尚宪、贺贤土等编著等离子体物理2007[2] 张家泰等编著，激光等离子体相互作用物理与模拟，1999二、课程设置的目的意义本课程为物理专业本科生的必修学位课，是物理学、电子技术和材料科学等多门学科相结合的交叉性学科。

本课程讲授单粒子轨道理论，动力论方程，等离子体中的波，等离子体微观不稳定性，输运理论，等离子体中的涨落和辐射等。

使研究生掌握等离子体领域的基本原理与基本理论，并应用于其研究工作中。

介绍其基本原理及等离子体相关的测量与诊断方法。

通过本课程的教学, 使学生对从事光学，光电子学，原子与分子物理，等离子体物理等领域有关专业研究的理论概念略有理解，使学生能够理解光学领域，等离子体物理领域的基本现象和问题，提高分析问题和解决问题的能力。

三、课程的基本要求本课程的目的，是让本专业的学生了解等离子体的基本原理和方法，能够用所学的测量方法应用到以后的测量过程之中，体会到等离子体领域光学测量技术原理的特点和性能，为以后工作和进一步学习打下理论基础。

通过学习，会对等离子体输运理论进行数据分析，会用等离子体基本理论分析等离子体过程中的数值模拟问题，解决光学领域的光谱学的谱线线型、光谱强度、高能密度物理和非线性效应现象。

四、教学内容、重点难点及教学设计注：实践包括实验、上机等五、实践教学内容和基本要求无实践实验、上机等基本要求。

六、考核方式及成绩评定本课程的考核分为平时考核（40%）和期终考核（60%）两部分。

前者主要为平时成绩，包括考勤、作业、讨论发言、小论文等；后者为期末命题考试。

两七、大纲主撰人：大纲审核人：。

等离子体物理教案探索一、引言等离子体物理作为物理学科的一个重要分支，研究的是高度激发的气体态物质，具有广泛的应用前景。

本教案将探索等离子体物理的基本概念、性质和应用，旨在帮助学生全面了解等离子体物理并培养其科学思维和实验能力。

二、教学目标1. 熟悉等离子体的定义和基本特性；2. 理解等离子体在自然和人类活动中的重要性；3. 掌握等离子体物理的基本理论和实验方法；4. 培养学生的科学思维和实验能力。

三、教学内容1. 等离子体的定义和基本特性1.1 等离子体的概念和分类1.2 等离子体的形成和研究方法1.3 等离子体的基本性质和行为2. 等离子体在自然界中的应用2.1 太阳等离子体和宇宙等离子体2.2 等离子体在地球大气、雷电和闪电中的作用2.3 等离子体对地球磁层和空间天气的影响3. 等离子体在人类活动中的应用3.1 等离子体在等离子体显示器和等离子体喷涂中的应用3.2 等离子体在等离子体医学和等离子体工程中的应用3.3 等离子体在核聚变和激光等领域的应用四、教学方法本教案将采用多种教学方法，包括讲授、实验、讨论和展示等，以促进学生的主动学习和动手实践能力的培养。

1. 讲授：教师通过简明扼要的讲解，向学生介绍等离子体的基本概念、性质和应用，引导学生理解和掌握知识点。

2. 实验：通过设计简单的等离子体实验，让学生观察和感受等离子体的行为和特性，培养学生实验操作和数据处理的能力。

3. 讨论：组织学生围绕等离子体的某个应用领域展开讨论，鼓励学生提出问题、交流思想，并引导他们思考解决问题的方法。

4. 展示：鼓励学生自主选择等离子体应用领域进行深入研究，组织展示和分享，提升学生的表达能力和科学素养。

五、教学评估方法1. 平时表现：包括课堂参与、实验操作、讨论贡献等方面的评估，反映学生在等离子体物理学习中的主动性和能动性。

2. 实验报告：学生按照实验要求撰写实验报告，评估其实验设计、数据处理和结果分析等方面的能力。

刘祖黎
教授
材料物理
64
教学大纲（章节目录）：
本课程的目的是，介绍物质的第四态——等离子体的运动规律、物理性质以及等离子体在受控核聚变中以及在工业、材料、航空航天等领域中的广泛应用。本课程的基础课程为：电动力学，电磁学，热力学与统计物理，经典力学
课程主要内容：
第一章等离子体基本性质
1.1等离子体的定义
4.1等离子体振荡
4.2电子等离子体波
4.3离子波
4.4离子波和电子波的比较
4.5外磁场为零时的等离子体波
4.6垂直于外磁场的电磁波
4.7截止与共振
4.8平行于外磁场的电磁波
第五章等离子体中的输运过程
5.1弱电离气体中的扩散和迁移率
5.2稳恒态解
5.3穿过磁场的扩散
5.4完全电离等离子体中的碰撞和扩散
物理
课程名称：等离子体物理与技术
英文名称：Plasma Physics
课程类型：√讲授课程□实践（实验、实习）课程□研讨课程□专题讲座□其它
考核方式：考试
教学方式：讲授
适用专业：材料物理
适用层次：硕士√博士□
开课学期：春
总学时/讲授学时：48/48
学分：3
先修课程要求：
课程组教师姓名
职称
专业
年龄
学术专长
主要参考书：
“等离子体物理原理”马腾才等中国科大出版社
“等离子体物理导论”F.F.chen高等教育出版社
1.2等离子体参数
1.3德拜屏蔽
1.4等离子体的应用
第二章带电粒子在电磁场中运动
2.1带电粒子在均匀电磁场中运动
2.2带电粒子在非均匀电磁场中运动
2.3随时间变化的电磁场

热压张量：粒子热运动携带的动量密度流量
Pressure tensor
vuw n(r,t) fd3v
t
P(r,t)
mwwfd3v
各向同性速度分布热压张量化为压强标量 对应的力称为：热压梯度力 The thermal pressure gradient force
4）热压梯度力的物理本质
是大量粒子的统计平均带来的作用力 仅仅施加于流体之上，单粒子不受此力 完全是粒子自由扩散引起的，与碰撞过程关！
MHD中的准中性假设与电场的有源性共存： ne= ni
二者并不矛盾： 例如：估算行星际空间太阳风中的电场及相应 的净电荷密度, 大约10个太阳半径处,
等离子体准中性条件在宏观上几乎精确成立 求电场，一般不使用泊松方程，这是由于 净电荷的计算不够准确，没有精度可言； 电场可由电子的运动方程求解
3.2 磁流体力学方程组小结
该公式给出了磁流体中电磁场与流动之间 的关系。应用该公式，可以： (1) 估算MHD中电场和磁场能量之比 (2) 忽略Maxwell方程组中的位移电流项
( v<<c ) (3) 推导新的磁感应方程
Q： • 由法拉第定律求散度，可 得磁场散度不随时变， 磁场散度为零的条件是多 余的吗？ • 准中性如何与有源性自洽?
磁力线：线上任一点的切向为磁场方向 磁力线方程: dx/Bx = dy/By = dz/Bz 磁通量管(magnetic flux tube)：
磁场位形的基本单元 building blocks
MHD的适用条件：
• 低速运动：远小于光速 • 流体近似成立，不研究粒子的行为 所研究问题的时间尺度 >> 离子回旋周期
1、一般需同时知道散度和旋度，才能完全确定 矢量场

等离子体物理学讲义Lecture Notes onIntroduction on Plasma PhysicsNo. 8马 石 庄2012．03．19．北京第8讲 碰撞温等离子体波教学目的：系统地介绍磁流体Alfvén波理论，考察带电粒子的热运动是等离子体动力学的重要影响，导出在等离子体湍流研究中基础意义的Haseawa‐Mima 方程，展示碰撞的作用不但引起耗散，也能导致漂移波不稳定。

主要内容：§1 磁流体Alfvén波 (4)2.1有耗损声波 (4)2.2理想MHD波 (7)2.3 MHD波的衰减 (11)§2双流体等离子体波 (13)2.1 静电波 (14)2.2低频平行电场 (19)2.3双流体Alfvén波 (23)§3漂移波不稳定性 (26)3.1Haseawa‐Mima 方程 (27)3.2有碰撞漂移波 (31)3.3不稳定性 (34)习题8 (37)附录A：Alfvén 波的发现 (40)附录B: 中国地球空间探测双星计划 (41)为简单起见，假定等离子体由离子和电子两种粒子组成，采用双流体模型，在绝热条件下，得到封闭的方程组基本方程组为带电粒子的运动方程和连续性方程· 0dd当流体处于等温过程时当流体处于绝热过程时其中，电荷和电流密度为，既然等离子体物理关注的是准中性大量带电粒子的集体行为，粒子的随机运动体现在等离子体热力学性质。

在冷等离子体中，粒子的随机热运动速度远小于波速，回旋半径（对磁化等离子体来说）远小于波长 cold plasma ，充分显示了磁场对带电粒子整体行为的影响，展现出丰富的波动现象。

当带电粒子之间碰撞足够强烈，带电粒子的回旋运动尺度很小时，可以用磁流体力学模型研究等离子体的集体行为。

毫无疑义，这些条件总是近似地被满足，不但对等离子体的整体行为的描述存在缺陷，而且本身也留下不能解释的难题。

在MHD条件下,沿磁力线压强为常数
任意形状的等离子体, p 0, 3D轮廓线上p=常数
等压面
B
p，位于等压面上
4.8.3 - 电流面
0 j [ j B p] j p
j 位于p=常数的表面上
等压面＝磁面＝电流面
4.8.4 - 低平衡：无作用力等离子体
• 动压力和磁压力之比很小, <<1, 可忽略 p
• 令表面随流体一起运动。因为开始时表面的所 有部分通过的磁通量为零,所以之后的磁通量也 为零≡磁通量守恒
4.13 MHD稳定性
• MHD平衡(如z箍缩)并不能保证一个有用的约束 方案,因为平衡时可能不稳定 • 类比：山上的球
稳定
不稳定 势能曲线
不稳定
• 如果“势能表面”的曲率向下远离平衡,即 d2Wpot / dx2 0 ,平衡不稳定
记b
B/
|
B
|
，因此B
Bb
Bb
b B，则
p
1
{B 2 (b )b
Bb(b )B}
1 B 2
0
20
B2 (b )b
1
( b(b ))B 2
0
20
磁力线曲率
B2
0
(b
)b
(
B2
20
)
磁压力导数,⊥B
4.8.2 - 磁面
j B p 0 0 B [ j B p] B p
螺旋,象棒球上的接缝
4.16 箍缩的快速简单分析
• 箍缩
|B|=常数,向外箍缩≡没有磁力线弯曲 中性稳定性
• z箍缩
沿等离子体向外≡坏曲率(向着等离子体) 不稳定性
•
让SCBC(的和EBt变Sd随V化s流B体)CB运dCl的动(V运,0Φd动的l)总的S(变S化EE)率dd由ss两 项CC(VE给d出Bl)

等离子体物理实验教案一、实验目的通过等离子体物理实验，使学生了解等离子体的基本概念、特性以及相关实验方法，增强学生对等离子体物理的认识和理解。

二、实验原理等离子体是由气体或其他物质高温、高电压、高能量激发形成的第四态物质，具有带电的离子和自由电子。

通过施加电场或射频辐射等方式，可以将一部分气体离子化并形成等离子体。

等离子体具有导电性、较高的温度和密度，广泛应用于等离子体物理研究、半导体加工、核聚变等领域。

三、实验仪器与材料1. 等离子体实验装置（包括玻璃管、电极、高压电源等）2. 气体源（如氩气、氢气等）3. 电流表、电压表等实验测量仪器4. 安全防护设备（如手套、护目镜等）四、实验步骤1. 安全防护：戴好手套、护目镜等安全设备。

2. 准备实验装置：安装玻璃管、电极和高压电源等组件，并连接电流表和电压表。

3. 真空抽气：打开抽气设备，将实验装置内的气体抽空至所需真空度。

4. 充气体：使用气体源向实验装置内注入所需气体（如氩气、氢气等），控制气体流量并进行检漏。

5. 施加高压：打开高压电源，根据实验要求施加适当的高压。

6. 观察实验现象：在安全保护的条件下，观察实验装置内的等离子体形态、颜色、光谱等变化，并记录实验数据。

7. 测量实验参数：使用电流表、电压表等测量相应的电流值、电压值等实验参数。

8. 实验结束：关闭高压电源，将实验装置恢复到初始状态，注意安全操作。

五、实验数据处理与结果分析根据实验记录的数据，进行实验数据处理与结果分析。

包括计算等离子体的电流密度、电压降等参数，分析等离子体的形态变化及其与实验条件的关系。

六、实验注意事项1. 在实验过程中要保证安全，严格遵守实验室安全操作规程。

2. 实验装置操作前应检查设备是否正常，防止发生意外事故。

3. 操作高压电源时需谨慎，避免触电危险。

4. 真空抽气过程中，要避免气体泄露或过快抽气引起的实验失败。

5. 气体填充过程中要注意调节气体流量，避免气体流量过大或过小。

(4)电子束
①电子束的产生方法
②电子束特性的基本测量方法
③自由电子激光的基本原理
教学环节的安排：
课堂讲授占30%
科研热点问题讨论40%
学生作报告20%
课堂实验演示和实验室参观10%
课程主要教自然界以及生活中的等离子体现象
②等离子体基本物理参量
③原子物理与分子物理
④等离子体产生机制
⑤等离子体应用
(2)等离子体诊断
①等离子体基本物理参量的测量方法
②探针诊断
③光谱诊断以及光谱仪工作原理
(3)激光原理
①氦氖激光器的工作原理
②原子发光机理及他们在等离子体诊断中的应用
在介绍等离子体基本概念与气体放电原理的基础上，进一步讲解描述等离子体放电状态的基本物理参量以及它们的变化规律。介绍当前主要的等离子体诊断手段及基本原理。
简要介绍气体激光器原理，以及等离子体诊断方法中最常用的光谱诊断技术，包括真空紫外、紫外、可见和红外光谱检测技术。
电子束部分主要介绍产生电子束的基本手段、电子束特性的基本测量方法和自由电子激光的基本原理。
本科《等离子体，激光与电子束》课程教学大纲
一、课程基本情况
课程编号
00320032
开课单位
工程物理系
课程名称
中文名称
等离子体，激光与电子束
英文名称
Plasma, Laser and E-beam
教学目的与重点
教学目的是给高年级本科生讲授有关等离子体物理激光原理和电子束相关的基础知识，并介绍它们的应用和当代科研热点问题。课程形式以讲授和讨论相结合为主，提高学生应用基础知识和分析问题的能力，提高学生做科研报告的能力，并了解物理基础的重要性。
该课程以讨论国内外相关领域前沿进展为主线，采用深入浅出的方式讲述相关物理基本概念和基本实验手段。涉及的前沿科研领域非常广泛，包括等离子体在纳米材料领域的应用等离子体与激光相互作用、激光与电子束相互作用、生物材料的等离子体改性等。同时还会根据课程进度情况来灵活安排其他内容。

g
d
dk
0
5.2.1 零磁场情况
横波( B0 0 )
色散关系
k
2
2
c2
0
N2
k 2c2
2
1
(
2 pe
2 pi
)
/
2
1
2 pe
/
2
等价表述
k2
2
c2
2 p
c2
0
1
即
2
2 p
k 2c2
(p2 k 2c2 ) 2
5.2.1 零磁场情况
N2
1
2 pe
/2
N2
纵向
1
(p2 k 2c2 ) 2
定义色散张量
D
kk
k
2
1
2
c2
(注意和电位移矢量 D 区分)
则色散方程为
DE 0
D xx D xy D xz Ex
D yx Dzx
D yy Dzy
D yz Dzz
E E
y z
0
非零解要求行列式 det D 0 得到k和的关系
5.1.1 简单情况: 各向同性媒质
1 1 取 k 为z方向,写出色散张量
mi
5.2.1 零磁场情况
总的介电常数
tot
1
i
0
(
e
i
)
1 ( neqe2
0 me
ni qi2
0 mi
)
1
2
1
(
2 pe
2 pi
)/
2
5.2.1 零磁场情况
等离子体振荡的简单推导
取离子静止, 使电子位移距离x来扰动等离子体

《环形等离子体物理导论》王晓钢 北京大学物理学院主要参考书：Wesson, Tokamak, Oxford, 2004White, Theory of Toroidally Confined Plasmas, Imperial College, 2001 石秉仁，《磁约束聚变—原理与实践》，原子能出版社，1999第一章 引言1.1 环形等离子体位形1．等离子体中力的平衡：一般来说，对力学的平衡总有/0t ∂∂=。

如果()0=≠u u x ，这个平衡称为稳态的。

如果同时有 0=u ，则平衡是静态平衡。

力学平衡是等离子体每点所受的合力密度为零，即()m p cρ⨯⋅∇=-∇+J Bu u 。

(I-01)对静态平衡来说，则是()4p c π∇⨯⨯⨯∇==B B J B 。

(I-02)利用关系()()()∇⋅=⨯∇⨯+⨯∇⨯+⋅∇+⋅∇A B A B B A A B B A ，我们得到222||ˆ8484B B B p b ππππ⎛⎫⎛⎫⋅∇∇+==∇+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭B B κ， (I-03)这里 ˆ/b B ≡B ，||ˆb ∇≡⋅∇，及磁场曲率||ˆˆˆb b b ≡⋅∇=∇κ。

于是有2284B B p ππ⊥⎛⎫∇+= ⎪⎝⎭κ， ||0p ∇= ()p p ⊥∇=∇。

(I-04)2．磁面：从()()()∇⋅⨯=∇⨯⋅-⋅∇⨯A B A B A B ，一个磁场可以表示为αβ=∇⨯∇B(I-05)的形式。

我们可以简单看出，上述表示满足0=⋅∇B 。

对于二维的平板模型，任意函数有形式(,)f f x y =。

在(I-05)式中令z ≡α，ψβ≡，则磁场可以定义为ˆzψ=⨯∇B ， (I-06)这里(,)x y ψψ=被称为磁面函数。

有2ˆˆ44c c z zJψππ=∇⨯=∇≡J B ， 24p c ψψπ⨯∇∇==-∇J B 。

(I-07)方程(I-07)的解有()p p ψ=的形式，并满足关系2()4dp J d cψψψπ∇=-=-。

教学效果：激发学生学习兴趣，培养其科学思维和实践能力，提高教学质量
添加标 题
添加标 题
添加标 题
添加标 题
互动式教学：通过 小组讨论、问答等 形式，引导学生主 动参与课堂，提高
学习积极性。
多媒体教学：利用 PPT、视频、动画等 多媒体手段，生动 形象地展示教学内 容，增强学生对知 识的理解和记忆。
实验报告：加深对实验过程 和结果的理解
课后习题：巩固所学知识， 提高解题能力
预习任务：提前预习下一节课 的内容，为课堂学习做好准备
学习反馈：及时向教师反馈 学习中的问题和建议
教学评价与反馈
学生对教学内容的 掌握程度
学生对教学方法的 评价
学生对教师教学态 度的评价
学生对教学进度的 评价
课堂互动情况：学生是否积极参与课堂讨论和回答问题 作业完成情况：学生是否按时完成作业，作业质量如何 学生对知识的掌握程度：通过测试和考试评估学生对知识的掌握程度
结合方式：在课堂教 学中，将互动式教学 与多媒体教学有机结 合起来，既发挥学生 的主体作用，又充分 利用多媒体的教学资 源，提高教学效果。
优势：通过互动与多 媒体的结合，可以激 发学生的学习兴趣， 培养学生的自主学习 能力和创新思维，提
高教学质量。
教学过程
回顾旧知识，引出新知识
展示实验现象，引起学生兴趣
网络资源：提供相关的网络资 源或在线课程
熟悉等离子体实验操作技能
具备扎实的等离子体物理基 础知识
具备良好的教学组织能力和 表达能力
具备创新意识和科研能力
感谢您的观看
汇报人：XX
能够理解和分析等 离子体物理中的基 本现象和规律
能够运用等离子体 物理知识解决实际 问题

《高等等离子体物理II》王晓钢北京大学物理学院主要参考书：Galeev and Sagdeev, Nonlinear Plasma Theory, Atomizdat, 1973 Chen, Waves and Instabilities in Plasmas, World Scientific, 1987 Kadomtsev，《等离子体中的集体现象》，原子能出版社，1979第一章：带电粒子的非线性动力学1.1角变量作用量与Hamiltonian量1.2 波粒子共振，相空间“粒子捕获岛”，混沌第二章：准线性理论2.1 准线性近似2.2准线性理论的守恒性质2.3 渐进“展平”及应用第三章：非线性波3.1 有质动力3.2参数不稳定性、共振与非共振相互作用、调制不稳定性3.3 非线性Schrödinger方程与孤立子第四章：湍流理论4.1引言4.1.1 等离子体中的运动模式我们知道，等离子体中存在着各种时空尺度，因此也就存在着各种运动模式。

典型的运动模式包括等离子体中的各种波和与几何位形相关的各种模（如扭曲模、交换模、撕裂模、气球模等）。

等离子体中运动模式在线性阶段都是指数发展的。

如果一种模式发展得很快，压制了其它模式，我们得到的是该种模式的不稳定性。

最后导致单模非线性发展。

比如锯齿振荡不稳定性就是1n=的非线性发展的结果。

这种强非线性不稳定性由于等离子m=，1体的自由能集中到一或少数几个模式（如误差场锁模和相邻新经典撕裂模磁岛的重叠等），往往引起灾害性的后果（托卡马克等离子体的大破裂和小破裂）。

如果很多模式都在相近的时间尺度里同时发展起来，则等离子体中有限的自由能就被这些模式所分散。

每个模式在非线性阶段由于得不到足够的驱动而饱和。

或者是它们不断地把自由能传递到小尺度（高波数）模式而达到谱的展宽。

这样有很多模式，特别是高波数模式，发展起来并且其能量分布服从一定统计规律的等离子体运动状态，被称为湍性状态，或等离子体湍流状态。

等离子体物理学讲义No. 5马 石 庄2012．03．05．北京第讲冷等离子体中的波教学目的：等离子体中的波动现象要比普通介质中的丰富得多．即便热压力忽略不计，冷等离子体中存在静电波和电磁波及其耦合波．由于电子和离子的质量相差悬殊，对于各种扰动的响应不—样，外磁场的普遍存在更使得等离子体波动现象具有新的特点。

主要内容：§1 静电振荡 (3)2.1等离子体振荡 (4)2.2正交静电振荡 (8)2.3低频 Alfven波 (12)§2 电磁波 (16)3.1 高频电磁波 (17)3.2垂向电磁波 (21)3.3平行电磁波 (26)§3沿任意方向传播 (30)3.1介电张量 (32)3.2色散关系 (35)3.3波的传播 (37)习题5 (42)附录：中国著名电离层物理学家 (44)波动现象普遍存在于连续介质之中，通过认识介质中的波动现象了解它的各种性质和状态．等离子体介质的特点就是它能与电磁场相互作用，它是一种电介质．所谓等离子体波动就是等离子体粒子的一种集体运动形式，它的特点由等离子体本身的性质和它所处的物理条件所决定．当等离子体温度很低的情况下，当粒子的随机热运动速度远小于波速，以及回旋半径（对磁化等离子体来说）远小于波长时，这时是冷等离子体 cold plasma ，的基本方程组为带电粒子的运动方程和连续性方程。

当磁场存在时，可能有更多形式的波，需要定义正交，平行，纵向，横向，静电和电磁等术语加以。

对于以exp i · 变化的平面波，平行和垂直用来表示波数矢量 相对于未扰动磁场 的方位，纵向和横向是指 相对于振荡电场 的方向．如果振荡磁场 是零，波是静电的，否则，就是电滋波。

由Maxwell方程如果波是纵向的， 0，波也是静电波．如果波是横向的， 为有限的，波为电磁波．当然， 可能与 或 成任意角度．于是，应当有这里所列出的主模的混合．§1 静电振荡对于 0非磁化等离子体，电场是静电场代入双流体运动方程组，得到·· 0，Poisson 方程这种情况是一般规则“Poisson 方程不能用来求出 ”的例外．考察是简单的情形，假定在无限大空间中不存在磁场，离子均匀分布保持静止，从垂直于磁场传播的高频静电电子振荡入手。

因此中性碰撞频率中性原子或分子的横截面圆柱内的中性粒子数和带电粒子的平均速度成正比分子的横截面积可以近似为类似地可以把带电粒子与中性粒子两次碰撞之间能传播的距离定义为平均自由程长度在该定义中采用粒子的平均速度代替粒子本身的实际速度的原因是碰撞是不可预料的并且它只是在定义平均碰撞频率和平均自由程长度时才有意义
ne Zi ni ....................(2)
其中 ne 和 ni 是电子和离子的数密度，Zi 是离子电荷数。该条件 只有在Debye长度之外的区域才满足。为了使稳态等离子体维 持准电中性，每个体积元内的正、负电荷数必须相等，这样 的体积元必须足够大以便包含足够多的粒子，但又必须足够 小以便小于宏观参量变化的特征长度（或系统的特征长度， 或系统的物理尺度 ）。在每个体积元内粒子的微观空间电荷 场必须互相抵消以便保持宏观电中性。
D
0 kBTe
e n0
2
.........................(1)
图1 Debye势和Coulomb势的比较
当 r D 时，电势简化为简单的Coulomb势；当 r D 时,电势 指数下降，点电荷周围的电势被有效地屏蔽，称为Debye屏蔽 (Debye shielding)。可见，Debye长度是等离子体中一个试验 电荷作用范围的量度，短程静电势是由等离子体的动理学性 质确定的。图1表示Debye势和Coulomb势的比较。 *等离子体的电中性 等离子体在宏观上是电中性的，满足电中性条件：
《计算等离子体物理》：它是从一定的物理模型出发，用计算 机作数值计算或模拟，以揭示等离子体的某些性质和运动规 律，是计算物理的一个重要分支。由于等离子体是自由度十 分巨大的体系，物理现象极为丰富又极为复杂，计算等离子 体物理显得愈来愈重要。相应于等离子体的磁流体描述、统 计描述和粒子轨道描述，计算等离子体物理大体分为磁流体 研究、动理学研究和粒子模拟三个方面。磁流体研究和动理 学研究分别在三维坐标空间和六维相空间（坐标与速度）对 等离子体作连续介质描述，它们分别对磁流体方程组和 Vlasov-Maxwell方程组求数值解。而粒子模拟则是跟踪每一 个粒子在外加电磁场和自己产生的自洽电磁场中的轨道运动， 研究粒子系和自洽波场之间的共振相互作用及其非线性的时 间演化过程。 ●等离子体物理的几个基本参数： * 德拜屏蔽(Debye shielding)和德拜长度(Debye length) 一个电荷为 q 的粒子在距离为 r 处的静电库仑势(Coulomb potential)为 C q /(4 0r) 。

1 2
me12
T
,因碰撞损失动量
碰撞频率
p ee K ee
ne
e4
(4π0 )2
8π
me213
ln
p ei
1 2
Z ee
(ne=zni)
• 在没有其他力的情况下
d dt
(me)
(p ee p ei )me
(1
Z 2
) eeme
• 等价于电子受到一个有效“摩擦”
力
Ff
d dt
(me
)
(1
Z 2
m
q
B
q m
rL
B
ei
的随机行走
rL
B
m
qB 2
碰撞中引导中心 r0 的位置改变
r0 rL r0 rL r0 r0－r0 (rL rL )
rL 的改变是rL
B qB2
m( )
B qB2
(m)
r0
B qB2
(m)
3.5.3 扩散
r0
B qB2
(m)
8π ln
me 2
|eE|<|Ff|：电子减速；|eE|>|Ff|：电子加速
• 电子“逃逸” 条件(不受摩擦力)
1 2
me 2
(1
Z 2
)ne
e4
(4π0 )2
8π ln 2eE
3.5.2 等离子体电导率
• 体电子被电场加速,被碰撞减速
• 摩擦力仅由 ei 引起。电子受力
d dt
(med
)
eE
eimed
1 mi 2 me
1
me2
1
mi2
1

《表面等离子体光学》课程教学大纲《表面等离子体光学》课程教学大纲一、中文课程简介（含课程名、课程编号、学分、总学时、课程内容概要等内容））表面等离子体光学是微纳光学领域的热门研究课题，主要关注微米到纳米尺度下金属结构的光学现象。

一方面，当材料尺寸达到微米或纳米量级时就会出现许多宏观尺度下所不具有的奇特光学性质。

另一方面，在信息科技快速发展的今天，对光学系统体积的高要求使得光学器件不断趋于微型化和集成化。

应用金属微纳结构的表面等离子体光学性质可以制造出许多具有独特功能的光学器件。

通过《表面等离子体光学》课程的学习（课程编号：，学时：32，学分：2），让学生了解并掌握表面等离子体光学的基本概念、基本原理、基本方法和实验技能，对凝聚态物理、原子分子物理、光学工程等方向的研究生培养非常重要。

二、英文课程简介（含课程名、课程编号、学分、总学时、课程内容概要等内容））Plasmonics has currently attracted great attention in the field of micro/nano optics, mainly focusing on the optical phenomena of metal structures in the micron to nanometer scale. On the one hand, when the size of the material reaches the scale of micron or nanometer, there will bemany unique optical properties that do not exist at the macro scale. On the other hand, with the rapid development of information technology, the high requirements on the size of optical systems make optical devices tend to be miniaturized and integrated. Many optical devices with special functions can be fabricated by using plasmonic properties of metal micro/nano structures. Through learning the course “Plasmonic" (Course number:, Course hours: 32, Course credit:2) , students can understand and master the basic concepts, principles, methods and experimental skills of surface plasmonics, which is very important for graduate training in condensed matter physics, atomic and molecular physics, optical engineering and other directions.三、教学目标（1）通过表面等离子体光学课程的教学，为学生进一步从事等离激元微纳光学方向的研究打下坚实的物理基础；（2）在教学过程中，注重培养学生科学思维和分析解决问题的能力，以及学生的探索精神与创新意识；（3）在教学过程中，注重引入课程思政，帮助学生树立科学的世界观、热爱祖国，培养具有良好的道德品质和学术修养，身心健康的研究生。

等离子体物理学课程设计一、引言等离子体物理学，是研究等离子体物理特性及其产生、演化、控制和应用的学科。

等离子体物理学是研究最广泛、应用最多的物理学领域之一，与材料科学、能源科学、空间科学等领域密切相关。

本课程设计主要是为了使学生全面掌握等离子体物理学基础理论和实验方法。

二、课程设计目标本课程设计的目标是帮助学生： 1. 理解等离子体物理学的基本概念和基本理论，掌握等离子体的特性和行为； 2. 掌握等离子体实验的基本原理，能够设计和实现等离子体实验； 3. 熟悉等离子体在能源、材料、空间等领域中的应用。

三、课程大纲1.等离子体基本概念–等离子体的定义、种类和特点–等离子体状态方程和基本行为–等离子体的参数和尺度2.等离子体基本理论–等离子体中的电磁场–等离子体中的粒子运动和碰撞–等离子体的能量输运3.等离子体诊断和实验方法–等离子体参数诊断方法–等离子体实验的基本流程和实验方法–等离子体实验中的仪器和设备4.等离子体应用–等离子体在能源领域中的应用–等离子体在材料科学领域中的应用–等离子体在空间科学领域中的应用四、课程设计内容1. 等离子体实验设计和实验操作本次课程设计的核心是进行等离子体实验设计和实验操作。

根据课程大纲，学生分成若干小组，每个小组设计一个等离子体实验，在实验过程中进行实验操作、数据测量和处理。

2. 等离子体课程设计报告在课程设计结束后，每个小组需要提交一个等离子体课程设计报告，包括实验目的、实验方案、实验结果、数据处理及分析、实验总结和感悟。

3. 等离子体实验展示及讨论在等离子体课程设计报告提交之后，每个小组需要进行等离子体实验展示及讨论。

在展示和讨论环节，其他小组成员可以提出问题和建议，促进学生之间的交流和合作。

五、评估方法本课程设计的评估方法主要包括： 1. 实验操作及数据处理评估 2. 等离子体课程设计报告评估 3. 等离子体实验展示及讨论评估六、结论等离子体物理学是应用前景广阔的学科。