電漿物理學
正文
脈衝星-內部結構模型圖 發展簡史19世紀以來對氣體放電的研究;19世紀中葉開始天體物理學及20世紀對空間物理學的研究；1950年前後開始對受控熱核聚變的研究；以及低溫電漿技術套用的研究，從四個方面推動了這門學科的發展。19世紀30年代英國的M.法拉第以及其後的J.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現象，這實際上是電漿實驗研究的起步時期。1879年英國的W.克魯克斯採用“物質第四態”這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。美國的I.朗繆爾在1928年首先引入電漿這個名詞，電漿物理學才正式問世。1929年美國的L.湯克斯和朗繆爾指出了電漿中電子密度的疏密波（即朗繆爾波）。
對空間電漿的探索，也在20世紀初開始。1902年英國的O.亥維賽等為了解釋無線電波可以遠距離傳播的現象，推測地球上空存在著能反射電磁波的電離層。這個假說為英國的E.V.阿普頓用實驗證實。英國的D.R.哈特里(1931)和阿普頓(1932)提出了電離層的折射率公式，並得到磁化電漿的色散方程。1941年英國的S.查普曼和V.C.A.費拉羅認為太陽會發射出高速帶電粒子流，粒子流會把地磁場包圍，並使它受壓縮而變形。
從20世紀30年代起，磁流體力學及電漿動力論逐步形成。電漿的速度分布函式服從福克－普朗克方程。蘇聯的Л.Д.朗道在1936年給出方程中由於電漿中的粒子碰撞而造成的碰撞項的碰撞積分形式。1938年蘇聯的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即棄去碰撞項的無碰撞方程。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出，標誌著動力論的發端。
1942年瑞典的H.阿爾文指出，當理想導電流體處在磁場中，會產生沿磁力線傳播的橫波(即阿爾文波)。印度的S.錢德拉塞卡在1942年提出用試探粒子模型來研究弛豫過程。1946年朗道證明當朗繆爾波傳播時，共振電子會吸收波的能量造成波衰減，這稱為朗道阻尼。朗道的這個理論，開創了電漿中波和粒子相互作用和微觀不穩定性這些新的研究領域。
從1935年延續至1952年，蘇聯的H.H.博戈留博夫、英國的M.玻恩等從劉維定理出發，得到了不封閉的方程組系列，名為BBGKY鏈。由它可導出符拉索夫方程等,這給電漿動力論奠定了理論基礎。
1950年以後，因為英、美、蘇等國開始大力研究受控熱核反應，促使電漿物理蓬勃發展。熱核反應的概念最早出現於1929年，當時英國的R.de阿特金森和奧地利的F.G.豪特曼斯提出構想，太陽內部輕元素的核之間的熱核反應所釋放的能量是太陽能的來源，這是天然的自控熱核反應。1957年英國的J.D.勞孫提出受控熱核反應實現能量增益的條件，即勞孫判據。
50年代以來已建成了一批受控聚變的實驗裝置，如美國的仿星器和磁鏡以及蘇聯的托卡馬克，這三種是磁約束熱核聚變實驗裝置。60年代後又建立一批慣性約束聚變實驗裝置。
環狀磁約束電漿的平衡問題由蘇聯的V.D.沙弗拉諾夫等解決。美國的M.克魯斯卡和沙弗拉諾夫導出了最重要的一種電漿不穩定性，即扭曲不穩定性的判據。1958年美國的I.B.伯恩斯坦等提出分析巨觀不穩定性的能量原理。處在環狀磁場中的電漿的輸運係數首先由聯邦德國的D.普菲爾施等作了研究(1962)，他們給出在密度較大區的擴散係數，蘇聯的A.A.加列耶夫等給出了密度較小區的擴散系散(1967)，這一理論適用於托卡馬克這類環狀磁約束電漿中的輸運過程被命名為新經典理論。
自從蘇聯在1957年發射了第一顆人造衛星以後，很多國家陸續發射了科學衛星和空間實驗室，獲得很多觀測和實驗數據，這極大地推動天體和空間電漿物理學的發展。1959年美國的J.A.范艾倫預言地球上空存在著強輻射帶，這一預言為日後的實驗證實，即稱為范艾倫帶。1958年美國的E.N.帕克提出了太陽風模型。1974年美國的D.A.格內特根據衛星資料，證認出地球是一顆輻射星體，輻射千米波。
在此期間，一些低溫電漿技術也在以往氣體放電和電弧技術的基礎上，進一步得到套用與推廣，如電漿切割、焊接、噴鍍、磁流體發電，電漿化工，電漿冶金，以及火箭的離子推進等，都推動了對非完全電離的低溫電漿性質的研究。
研究方法電漿物理學現在已發展成為物理學的一個內容豐富的新興分支。由於電漿種類繁多、現象複雜、而且套用廣泛，對這一物質狀態的研究，正方興未艾，從實驗、理論、數值計算三個方面，互相結合，向深度和廣度發展。
實驗研究 用實驗方法研究電漿有如下特點。
對於天然的電漿，即天體、空間和地球大氣中出現的電漿，人們不可能用地面上實驗室中的一般方法主動地調節實驗條件或加以控制，而主要只能通過各種日益增多的天文和空間觀測手段,如光學、射電、X射線以及現代的高空飛行器和人造衛星──“空間實驗室”，來接收它們所發射的各種輻射（包括各種粒子）。根據大量的觀測結果，並在天體物理學和空間物理學的認識基礎上，依靠目前已建立的電漿物理理論和已有的各項基本實驗數據，進行分析和綜合，方能深入地認識這些天然電漿的現象、本質、結構、運動和演化的規律。
要研究或利用各種人造的電漿，必須先把它們製造出來；而要製造任何一種新的電漿或者擴展它的性能參量，又往往必須對它先有一定的認識。由此可見，對於人造電漿，只能採取邊製造邊研究，研究和製造循環結合、逐步前進的辦法。例如，受控核聚變電漿的研究，就是通過一代又一代的實驗裝置，來產生具有特定性能的電漿，逐步提高它們的溫度和約束程度。而每一代裝置的設計，又必須在已有電漿實驗的基礎上，通過理論方面的外推和定量演算，加以確定。特別是較大類型裝置的建造，必須立足於各項經過試驗的、成熟的工程技術，輔之以必需和能夠及時開發出來的單項新技術，例如強流電子束和離子束技術。裝置建成後，實驗的第一步是使用各種儀器手段，對裝置中產生的電漿進行測量；測量數據要按照已有的理論進行處理，以得出裝置中電漿具體形成過程和現象細節性質的定性和定量的結果，這些就是電漿診斷學的內容。對實驗條件的調節和控制也必需有測量診斷的結果作為依據，然後方可接上現代的信息和控制技術，構成閉環的操作，從而推進實驗研究。
實驗結果要同參量條件相對應的理論分析進行對比校驗，以判定實驗及理論的前進方向。電漿實驗的因素複雜多變，難度大，精確度不高，而理論描述又遠未完善；實驗中意料之外的結果常會出現，而成為理論創新的前導。
理論描述 包括近似方法和統計方法。
粒子軌道理論和磁流體力學都屬於近似方法。粒子軌道理論是把電漿看成由大量獨立的帶電粒子組成的集體,只討論單個粒子在外加電磁場中的運動特性,而略去粒子間的相互作用，也就是近似地求解粒子的運動方程。這種理論只適用於研究稀薄電漿。在一定條件下的稠密電漿，通過每種粒子軌道的確定，也可對電漿運動作適當的描寫，也能提供稠密電漿的某些性質。不過，由於稠密電漿具有很強的集體效應，粒子間耦合得很緊，因此這種理論的局限性很大。
磁流體力學討論單個粒子的運動，而是把電漿當作導電的連續媒質來處理，在流體力學方程中加上電磁作用項,再和麥克斯韋方程組聯立,就構成磁流體力學方程組，這是電漿的巨觀理論。它適用於研究稠密電漿的巨觀性質如平衡、巨觀穩定性等問題，也適用於研究冷電漿中的波動問題。然而，由於它不考慮粒子的速度空間分布函式，因此，它無法揭示出波粒相互作用和微觀不穩定性等一系列細緻和重要的性質。
電漿按其本性是一個含有大量帶電粒子的多粒子體系，所以嚴格的處理方法就是統計方法，即求出粒子分布函式隨時間的演化過程。這種理論就是電漿動力論，也稱為電漿的微觀理論。對於波動和微觀不穩定性，動力論採用符拉索夫方程來研究。對於弛豫過程和輸運問題，動力論採用福克-普朗克方程。
微觀理論可以得到巨觀理論所得不到的許多知識。例如在波動問題方面，只有動力論才能導出朗道阻尼。至於微觀不穩定性，主要討論速度空間中偏離平衡態所引起的不穩定性，這類問題是巨觀理論無法研究的。從動力論方程出發，可以導出磁流體力學的連續方程、動量方程和能量方程。
數值計算 現有的理論描述中，磁流體力學、符拉索夫方程、福克-普朗克方程都是非線性偏微分方程,包含很多參量，為了求出解析解，物理模型往往過分簡化以至無法精確和全面地包羅各種效應，因此數值計算在電漿研究中的作用越來越大。另外，由於高溫電漿的實驗和診斷都較難進行,所以自70年代以來,發展了一種數值實驗的方法。就是在大容量的計算機上，用大量粒子來模擬電漿的運動，以研究它的巨觀和微觀不穩定性等問題。這已成為一種有力的研究方法。
主要內容單粒子運動 主要研究單個帶電粒子在外磁場中的運動。在均勻恆定磁場中，帶電粒子運動很簡單。平行磁場的是等速運動，垂直磁場的是繞磁力線的圓運動（拉莫爾圓），即帶電粒子的迴旋運動。如果除磁場外，還有其他外力F，則粒子除沿磁場運動外,在垂直磁場方向，一面作迴旋運動，一面作漂移運動。漂移運動是拉莫爾圓的圓心（即導向中心）垂直於磁場的運動，可以由靜電力或重力引起。對於非均勻磁場，漂移也可以由磁場梯度和磁場的曲率等引起。
靜電力引起的正負電荷的漂移相同，因而不形成電流。而非靜電力引起的正負電荷的漂移是相反的，會形成電流。
當磁場隨時間及空間變化十分緩慢時，可以把粒子運動看成是迴旋運動和導向中心運動的疊加。為使問題簡化起見，可以不考慮快速的迴旋運動而只考慮導向中心的運動，這就是漂移近似。在粒子軌道理論中，主要就是採用漂移近似來研究粒子的運動。
在緩變磁場中，有三個絕熱不變數，其中比較重要的一個是粒子的磁矩
。v寑是垂直於磁場B的速度分量,m是質量。這個性質和帶電粒子在磁力作用下動能不變，使得帶電粒子會被一定形態的非均勻磁場約束住。例如地磁場就能約束帶電粒子形成地球輻射帶（范艾倫帶）。受控熱核聚變的磁鏡裝置也是利用了這個性質來約束電漿的。波動 這是電漿的基本運動形態，因此對電漿中的波的研究具有極為重要的意義。此外，由於波提供了理論與實驗的聯繫，一旦了解波動，就可用波來測量電漿的各種參量，還可利用波來改變電漿的狀態,如用波來加熱或約束電漿。而且,研究波動有著明顯的實用意義，例如波在電離層中的傳播等。波動還和不穩定性等問題緊密關聯，因為不穩定性往往表現為振幅隨時間增長的波。
電漿中的波動模式非常複雜。既有橫波（波矢k與電場E垂直）,也有縱波（k與E平行），也有非橫非縱的波。有橢圓偏振波，也有圓偏振和線偏振波。波的相速可以大於、等於或小於真空光速 с。波的群速和相速可以平行、不平行或反平行。
波的形式如此之多，這是因為，電漿中的帶電粒子可以和波的電磁場發生作用而影響波的傳播。如果有外加磁場，則波動、磁場的擾動和粒子的運動互相影響，就使得波的模式更加繁雜。例如，正負電荷的分離，會產生靜電場，其庫侖力是恢復力，由此產生了朗繆爾波；磁力線的彎曲，其張力是恢復力，由此產生了阿爾文波；電漿中各種梯度，如密度梯度、溫度梯度等，會引起漂移運動，漂移可以和波的模式耦合，由此產生了漂移波。
波可以粗分為冷電漿波與熱電漿波。
當粒子的熱速遠小于波速，以及迴旋半徑（對磁化電漿來說）遠小于波長時，這時是冷電漿，其波動現象採用磁流體力學方法來研究。
非磁化冷電漿中的波有光波，波速比真空光速с大。對於磁化冷電漿，它是各向異性的,介電常數成為張量。如同其他各向異性介質中會有兩支波一樣,磁化冷電漿中也有兩支波：尋常波與非常波。
當電漿的折射率 n=0時，波被截止而反射，當n→∞時，波與共振粒子作用而被粒子吸收。例如,當波矢k與外磁場平行時，頻率為ω=ω
的非常波會與繞磁場迴旋的電子共振，ω＝ω
的尋常波則會與迴旋離子共振，ω和ω分別是電子及離子的迴旋頻率,此時，波的能量被吸收，形成迴旋阻尼。對於熱電漿，粒子的熱運動以及有限迴旋半徑引進了一些新的模式和新的效應。
非磁化熱電漿中的波除光波外，還有電子朗繆爾波及離子聲波。朗繆爾波會與速度相近的電子共振而形成朗道阻尼。
磁化熱電漿中波的一個特點是，由於都卜勒效應等原因,頻率為ω＝lωce(l=0，1，2，…)的非常波會與迴旋電子共振,ω＝lωcil=0，1，2，…)的尋常波會與迴旋離子共振，形成切倫科夫阻尼及迴旋阻尼。
在非均勻電漿中，除了會產生漂移波外，在一定條件下，不同模式的波可以互相轉化，例如非常波可轉化為尋常波或縱波。 非線性波有激波、無碰撞激波、孤立波等。如考慮到非線性效應，則不同模式的波既可互相轉化，也可互相激發，如橫波可以激發縱波。
波動理論不僅研究色散關係，也研究電漿中波和波相互作用、電漿中波和粒子相互作用等。
平衡 平衡問題是位形平衡問題的簡稱，它研究在一定的約束條件下，電漿如何才能在力學上處於靜止狀態。對於磁場約束的電漿，平衡問題就是用磁壓力來平衡電漿壓力。
從磁流體力學，可以得到磁約束的平衡方程組（採用高斯單位制）
通常是引入一個磁面函式，則平衡方程組轉為一個磁面方程，這樣，平衡問題變成在適當邊界條件下求解磁面方程。
不穩定性 電漿不穩定性大體上分為巨觀不穩定性及微觀不穩定性兩類。凡是發展的區域遠大於粒子的迴旋半徑和德拜長度等微觀尺度的不穩定性，統稱為巨觀不穩定性；而僅在微觀尺度上發展的不穩定性則稱為微觀不穩定性。
巨觀不穩定性會造成電漿大範圍的擾動，對平衡具有嚴重破壞作用。它的起因主要是電漿中儲藏了過剩的與磁場相結合的能量，此外，如電漿的抗磁性等，也會引起巨觀不穩定性。對於受控熱核聚變裝置中的約束電漿來說，這是一個十分緊要的問題。
巨觀不穩定性種類很多。除扭曲不穩定性外，比較重要的有交換不穩定性，即電漿與約束磁揚的位置發生交換；撕裂模，即電漿被磁場撕裂成細束，等等。
巨觀不穩定性通常都採用磁流體力學來研究。其中能量原理是一種很有效的方法，也就是根據偏離平衡的小位移引起系統的勢能變化，來確定平衡是否穩定。這種方法特別適用於幾何形狀複雜的磁場。除能量原理外，簡正模法也是常用的一種分析方法。它假設擾動量的形式為
。解出的ω一般是複數:ω=ωr+iωi如果ωi>0,則擾動量的振幅會隨t增長，也就是不穩定，反之如ωi<0，系統是穩定的。微觀不穩定性的起因有多種。一種來自空間的非均勻性，例如密度、溫度、磁場的梯度等，這會引起漂移，有可能激發起不穩定性。另一種來自速度空間的不均勻性，如速度、溫度、壓力的各向異性。另外，如波和波相互作用等，也可能引起微觀不穩定性。總之，偏離熱平衡態的電漿具有多餘的自由能，必然要把它釋放出來以趨向平衡態。自由能的釋放就有可能驅動微觀不穩定性。
有微觀不穩定性的電漿的特徵是出現不斷增長的漲落現象。這往往導致湍流的產生和形成反常輸運現象。
微觀不穩定性的種類極多。重要的有：二流不穩定性，這是由兩束相對流動的粒子所引起；漂移不穩定性，由各種梯度造成的漂移運動所引起;損失錐不穩定性,由速度分布的各向異性所引起；以及由波和波相互作用引起的參量不穩定性等。微觀不穩定性的理論建立在動力論上，也就是從符拉索夫方程出發來研究的。
通常在研究不穩定性時用的是線性理論，它只能判斷系統穩定與否，有些情況下它能給出初始時刻的不穩定性增長率。當擾動振幅增大後以及在適當情況下趨向飽和的演化問題，需要用非線性理論來研究。
弛豫和輸運 非熱平衡電漿中向平衡態過渡出現的過程可分為弛豫和輸運兩類。前者是從非熱平衡速度分布向熱平衡麥克斯韋分布過渡的過程，後者是描寫穩定的非熱平衡態有物質、動量、能量等在空間流動時的過程。
弛豫過程一般通過各種弛豫時間來描述。這裡最基本的是帶電粒子間的碰撞過程。
帶電粒子間的作用力是長程庫侖力，一個粒子可以同時和德拜長度範圍內的多個粒子發生作用，它們之間可以產生近碰撞（兩個粒子近距離碰撞）和遠碰撞（一個粒子和距離較遠的多個粒子碰撞）。遠碰撞的作用大大超過近碰撞，這是電漿中帶電粒子碰撞的一個特點。碰撞時間和平均自由程 l都主要由遠碰撞決定。它們是（採用高斯單位制）
式中T為溫度，單位為電子伏,m、n為粒子質量及數密度，e為電子電荷,lnΛ為庫侖對數，它反映遠碰撞的效應。
對於高溫電漿,有三個比較重要的弛豫時間:縱向減速時間τ〃，橫向偏轉時間τ寑,能量均化時間τE。電子和離子的弛豫時間並不相同。一個初始為非熱平衡的電漿，經過碰撞，電子會首先達到熱平衡，爾後離子達到熱平衡，最後達到電子和離子之間的熱平衡。
電漿中的輸運過程 包括電導、擴散、粘性和熱導等，它們具有某些特點。特點之一是雙極擴散。例如電子擴散時，電子和離子間的靜電力會使離子跟著一起擴散，結果電子的擴散減慢了,離子的擴散加快了,最後這二者是以相同的速率擴散，這稱為雙極擴散。另一個特點是處在磁場中的電漿，沿磁場的輸運基本上不受磁場的影響，但橫越磁場的輸運卻受到磁場的阻擋。
處於環形磁場中的高溫稀薄電漿，磁場梯度引起的漂移會改變約束粒子的軌道，從而加大了遷移自由程，這就大大提高輸運係數。分析這種磁場位形所得到的輸運理論名為新經典理論，它仍然是一種碰撞理論。在受控熱核聚變的研究中，這種理論很重要，它在一定程度上解釋了環形裝置中觀察到的較大的離子熱導等輸運係數。
根據目前托卡馬克等的實驗結果，某些輸運係數如電子熱導等有時明顯大於新經典理論的結果。在慣性約束聚變及其他某些實驗中，發現輸運係數明顯小於經典理論的結果。凡是碰撞理論無法解釋的輸運現象就稱為反常輸運。目前流行的觀點是，反常輸運是由湍流等非線性過程所引起。反常輸運已成為當前聚變理論研究中的一個重大課題，因為它關係到能否有效地約束住電漿的粒子和能量。
輻射 對電漿輻射的研究的意義在於，一方面，這是電漿能量耗散的一個重要途徑，另外，對輻射的研究也是通過電漿光譜等方面的細緻分析，來認識電漿運動的必要基礎。這對於天體物理和空間物理尤其重要，因為對遙遠的電漿的了解，幾乎完全是通過對輻射的研究而獲得的。
電漿的輻射，有軔致輻射、迴旋輻射、黑體輻射、切倫科夫輻射，以及原子、分子或離子躍遷過程中的線輻射等。
軔致輻射是自由電子與離子碰撞，也就是電子在離子的庫侖場中變速時產生的連續輻射。電子－電子碰撞不改變電子的總動量，所以不產生軔致輻射。
在電漿中，軔致輻射主要來自遠碰撞，波長一般分布在紫外線到X射線範圍。對於高溫電漿,這是一項很重要的輻射損失。
迴旋輻射或稱回旋加速器輻射，是帶電粒子（主要是電子）繞磁力線作迴旋運動時產生的輻射。非相對論性電子的輻射稱為迴旋輻射，它的單色性強，在電子迴旋頻率處以譜線形式出現，電子能量較高時，除基頻外，還以諧頻發出輻射。這種輻射接近各向同性，功率較弱。在電漿中，由於碰撞等原因，譜線會加寬，當電漿密度加大時，譜線頻率會向高頻方向移動。
相對論性電子的迴旋輻射稱為同步加速器輻射或同步輻射，輻射功率大，方向性弱，集中在一個小區域內，是連續譜。
展望
自20世紀20年代特別是50年代以來，電漿物理學已發展成為物理學的一個十分活躍的分支。在實驗上，已經建成了包括一批聚變實驗裝置在內的很多裝置，發射了不少科學衛星和空間實驗室，從而取得大量的實驗數據和觀測資料。在理論上，利用粒子軌道理論、磁流體力學和動力論已經闡明電漿的很多性質和運動規律，還發展了數值實驗方法。最近半個多世紀來的巨大成就，使人們對電漿的認識大大深化；但是一些已提出多年的問題，特別是一些非線性問題如反常輸運等尚未得到完善解決，而對天體和空間的觀測的進一步開展，以及受控熱核聚變和低溫電漿套用研究的發展，又必定會帶來更多新的問題。今後一個相當長的時期內，電漿物理學將繼續取得多方面的進展。
電漿物理學是研究電漿性質的物理學分支。電漿是物質的第四態，是由電子、離子等帶電粒子及中性粒子組成的混合氣體，巨觀上表現出準中性，即正負離子的數目基本相等，整體上呈現電中性，但在小尺度上具有明顯的電磁性質。電漿還具有明顯的集體效應，帶點粒子之間的相互作用是長程庫侖作用，單個帶點粒子的運動狀態受到其它許多帶電粒子的影響，又可以產生電磁場，影響其它粒子的運動。電漿物理學目的是研究發生在電漿中的一些基本過程，包括電漿的運動、電漿中的波動現象、電漿的平衡和穩定性、碰撞與輸運過程等等。電漿物理學具有廣闊的套用前景，包括受控核聚變、空間電漿、電漿天體物理、低溫電漿等等。
電漿物理學的研究方法
電漿物理學常用的有單粒子軌道理論、磁流體力學、動理學理論三種研究方法。單粒子軌道理論不考慮帶電粒子對電磁場的作用以及粒子之間的相互作用。磁流體力學將電漿作為導電流體處理，使用流體力學和麥克斯韋方程組描述。這種方法只關注流體元的平均效果，因此是一種近似方法。動理學理論使用統計物理學的方法，考慮粒子的速度分布函式。
