Плазма. Основные понятия. Классификация плазмы

Лекция 1

Основные понятия. Классификация плазмы.

Плазмой называют частично или полностью ионизованный газ. Плазменное состояние вещества иногда относят к особому агрегатному состоянию вещества и называют его четвертым в отличие от газообразного, жидкого или твердого. Во многих отношениях она ведет себя как газ, а плотная плазма больше похожа на жидкость. Она проявляет и некоторые свойства упорядоченности своей структуры. Так, при рассеянии света в плотной плазме наблюдаются дифракционные явления. Что сближает плазму с кристаллами.

В зависимости от физических условий плазма бывает полностью или частично ионизованной, высокотемпературной и низкотемпературной, идеальной и неидеальной, классической и квантовой, термодинамически равновесной, равновесной, неравновесной или находящейся в состоянии локального термодинамического равновесия.

Полностью ионизованная плазма представляет собой систему многих частиц с кулоновским взаимодействием.

Частично ионизованная плазма – среда, в которой помимо кулоновского взаимодействия необходимо рассматривать взаимодействие заряд – атом, атом – атом, внутриплазменные микрополя, излучение.

Низкотемпературной называют плазму с температурой Т, такой что

                                                                                            (1.1)

где - потенциал ионизации атомов. Для большинства элементов   и температуры  относятся к области низкотемпературной плазмы в отличие от высокотемпературной, или термоядерной, плазмы с температурой порядка несколько миллионов градусов.

Идеальной плазмой в термодинамическом смысле называют плазму, в которой можно пренебречь энергией взаимодействия между частицами по сравнению с их кинетической энергией. Для  полностью ионизованной плазмы это можно записать как

.                                                                                (1.2)

Здесь  - среднее расстояние между частицами с зарядами  и определяется из соотношения

                                                                                                        (1.3)

Выражение (1.2) известно как неравенство Кирквуда – Онсагера и имеет другой ясный физический смысл: оно выражает малость амплитуды рассеяния  по сравнению со средним расстоянием между частицами  т.е.

                                                                                                 (1.4)

Условия идеальности (1.2) и (1.4) сохраняют свой смысл в частично ионизованной плазмы, если только относительная концентрация заряженных частиц в плазме не слишком мала. Из за дальнодействующего характера кулоновских сил плазма с небольшой концентрацией электронов и ионов в некотором смысле кулоновская. Очевидно, что кулоновское взаимодействие преобладает над остальными видами взаимодействия в частично ионизованной плазме если

                                                                                         (1.5)

где  - заряд иона; - дипольный момент атома (молекулы);  - средняя напряженность электрического поля, действующая на атом (молекулу) со стороны иона. Энергию  заряд – дипольного взаимодействия можно оценить по формуле

                                                               (1.6)

где  - боровский радиус,  - среднее расстояние между ионом  и атомом. Таким образом, для слабоионизованной плазмы вместо соотношения (1.2) будем иметь неравенство

          .                                                                                (1.7)

          Слабоионизованная плазма еще идеальна при существенно более высоких плотностях частиц по сравнению с полностью ионизованной плазмой, для которой кулоновское взаимодействие является определяющим.

Поскольку взаимодействие между атомами является короткодействующим (силы Ван-дер- Ваальса ), то нейтральная компонента плазмы остается идеальной при еще более высоких плотностях частиц. Таким образом классическая плазма тем более идеальна, чем меньше ее плотность и чем выше температура.

 Если дебройлевская длина волны частиц мала по сравнению с характерным масштабом задачи то свойства системы близки к классическим. В классической плазме дебройлевская длина волны  достаточна мала и не определяет свойств системы (характеристики классической системы не должны содержать постоянную Планка ). Условие квазиклассичности системы частиц с кулоновским взаимодействием имеет вид

,                                                                                                    (1.8)

где  - минимальный радиус сближения кулоновских частиц, или минимальный прицельный параметр, определяемый из условия

.                                                                                        (1.9)

Из соотношений (1.8) и (1.9)  получаем условие квазиклассичности полностью ионизованной плазмы:

          .                                                                                    (1.10)

          Классичность системы предполагает также, что система не вырождена, т.е. она подчиняется статистике Больцмана. Это означает, что число возможных состоянии системы, т.е. «число вакантных мест», должно быть много больше числа частиц в заданном объеме V. Поскольку частицы обладают энергией  и импульсом , то число возможных состояний в фазовом пространстве по порядку величины есть , а условие применимости статистики Больцмана имеет вид

          .                                                                           (1.11)

Очевидно, что с увеличением   усиливается «классичность» системы. Поэтому возможен такой случай, когда плазма является классической для ионов и квантовой для электронов при заданных температуре и плотности.

          В дальнейшем  мы будем рассматривать только классическую плазму.

Квазинейтральность и разделение зарядов