等離子體物理學基礎

《21世紀理論物理及其交叉學科前沿叢書》出版前言
自序 十年磨一劍
前言 課程大圖景
第1章 等離子體基本性質(zhì)與概念 1
1.1 等離子體的“電性”與集體行為 2
1.2 集體行為的幾種表現(xiàn)與等離子體判據(jù) 3
1.2.1 等離子體振蕩 3
1.2.2 德拜屏蔽 4
1.2.3 等離子體的準中性與響應時間 6
1.2.4 等離子體判據(jù) 7
1.3 庫侖碰撞（經(jīng)典庫侖相互作用） 8
1.4 等離子體中的輔射 10
1.5 數(shù)學描述方法 12
1.5.1 單粒子軌道理論 13
1.5.2 粒子模擬 13
1.5.3 磁流體力學 14
1.5.4 動理學描述 15
書面作業(yè) 16
思考與論述 16
第2章 單粒子軌道理論 18
2.1 均恒外場中的單粒子運動 18
2.1.1 均恒磁場中的粒子回旋運動 18
2.1.2 均恒電場引起的引導中心漂移運動：電場漂移 21
2.1.3 重力場與任意外加力場中的導心漂移 23
2.2 弱變化磁場中粒子的運動 23
2.2.1 弱不均勻磁場下的梯度漂移 25
2.2.2 磁場曲率漂移 26
2.2.3 橫向不變量與磁鏡效應 28
2.2.4 縱向不變量、Fermi加速與磁通不變量 31
2.3 弱不均勻、慢變化電場中粒子的運動 35
2.3.1 空間弱不均勻電場效應 35
2.3.2 隨時間漸變電場的影響：極化漂移 36
書面作業(yè) 38
思考與論述 39
第3章 磁流體力學 41
3.1 流體力學 41
3.1.1 定義、概念、屬性 41
3.1.2 兩種數(shù)學描述方法：拉氏描述和歐拉描述 42
3.1.3 流體力學方程組 43
3.2 MHD適用條件 45
3.3 MHD方程組 46
3.3.1 質(zhì)量方程和動量方程、安培定律和歐姆定律 47
3.3.2 磁感應方程 53
3.3.3 能量密度方程 54
3.4 磁靜平衡態(tài) 55
3.4.1 無重力情況與等離子體β 56
3.4.2 無力場與勢場 58
3.4.3 磁壓力與磁張力 60
3.4.4 2.5維坐標系統(tǒng)與GS重構(gòu) 62
3.4.5 重力分層大氣的標髙 64
3.5 磁凍結(jié)與擴散、磁螺度 65
3.5.1 Alfven磁凍結(jié)定理 66
3.5.2 磁擴散 72
3.6 磁場重聯(lián) 73
3.7 理想MHD紛性波模 77
3.7.1 流體力學聲波與真空電磁橫波色散關(guān)系推導 78
3.7.2 關(guān)于波動的幾點說明 79
3.7.3 剪切Alfven波 80
3.7.4 MHD可壓縮線性波模 87
3.8 MHD激波 92
3.8.1 簡單介紹 92
3.8.2 流體力學激波Rankine-Hugoniot跳變關(guān)系 95
3.8.3 磁流體力學激波 97
3.8.4 激波與粒子加速、DeHoffmann-Teller坐標 100
3.8.5 日地空間中的激波示例 102
書面作業(yè) 104
思考與論述 104
第4章 雙元流體描述下的等離子體波動現(xiàn)象 106
4.1 概述 106
4.2 多元冷等離子體色散關(guān)系的一般形式 108
4.2.1 電介質(zhì)色散關(guān)系的一般形式 108
4.2.2 冷等離子體近似下的電導率張量與介電張量 109
4.3 非磁化等離子體波動模式 112
4.3.1 非磁化等離子體靜電模式 113
4.3.2 非磁化等離子體電磁模式 116
4.4 磁化等離子體靜電模式 118
4.4.1 髙頻模式——電子Langmuir波與髙雜波 118
4.4.2 低頻近似——低雜靜電波與靜電離子回旋波 119
4.5 磁化等離子體電磁模式 121
4.5.1 平行傳播：左旋與右旋圓偏振電磁模式 121
4.5.2 垂直傳播：X、O、HH(Z)、LH模式 129
4.5.3 傾斜傳播：X、O、Z、E、I模式 131
書面作業(yè) 134
思考與論述 135
第5章 等離子體不穩(wěn)定性簡介 136
5.1 基本概念與研究方法簡介 136
5.2 磁約束等離子體柱的臘腸與扭曲模不穩(wěn)定性 138
5.3 Rayleigh-Taylor和Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性 138
5.3.1 HD與MHD中的Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性 138
5.3.2 HD與MHD中的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性 141
5.4 撕裂模不穩(wěn)定性——磁島形成圖景 143
5.5 束流不穩(wěn)定性 148
書面作業(yè) 150
思考與論述 151
第6章 等離子體動理論初步 152
6.1 簡單回顧 152
6.2 流體力學方程組的推導 155
6.2.1 質(zhì)量守恒方程 156
6.2.2 動量方程 156
6.2.3 能量方程與MHD截斷 157
6.3 動理論初步——Landau阻尼 157
6.3.1 Fourier變換及積分的奇點問題 157
6.3.2 Laplace變換——Landau的求解過程 159
書面作業(yè) 167
思考與論述 167
參考文獻 168
附錄 171
附錄1 弱不均勻磁場下的引導中心近似有關(guān)公式推導等 171
附錄2 縱向不變量的證明 175
附錄3 理想MHD磁凍結(jié)定理與磁螺度守恒證明(摘自胡友秋教授手稿）176
附錄4 Laplace變換及復變函數(shù)有關(guān)定理簡單介紹 178
附錄5 矢量恒等式 180
附錄6 陳耀科研報告與科普短文節(jié)選目錄 180
《21世紀理論物理及其交叉學科前沿叢書》已出版書目 182