Физика полностью ионизованного газа - Спитцер Л.
Скачать (прямая ссылка):
О бурном росте количества исследований по плазме за последние годы свидетельствует большое число опубликованных работ, которые следовало бы включить в полную библиографию. Хотя количество приведенных ссылок увеличилось вдвое по сравнению с первым изданием, мы никоим образом не пытались дать полную библиографию; ссылки делаются в основном- на работы, хорошо знакомые автору, причем эти работы не обязательно являются самыми ранними или самыми полными исследованиями по каждому вопросу. Поэтому цитируемые статьи, естественно, связаны в основном с работами, проводимыми в США, и в особенности с исследованиями в Лаборатории физики плазмы.
С удовольствием выражаю признательность многим ученым, которые внесли предложения по улучшению и исправлению содержания книги, в частности Т. Нортропу за ценные замечания к гл. 1 и 2, С. Буксбауму, А. Каксу и М. Ротману за многочисленные предложения, относящиеся к изложению гл. 3,
A. Кауфману и X. Драйсеру за замечания к гл. 5,
B. Медору за замечания к приложению, а также
A. Балосу, А. Бишопу, Дж. Даусону, М. Готтлибу и
B. Ньюкомбу за большое число полезных советов. Особую благодарность приношу А. Саймону и Т. Стиксу за критические замечания при просмотре рукописи.
Лайман Спитцер
Лаборатория физики плазмы Принстонский университет Принстон, Нью-Джерси Октябрь, 1961
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
И в газовой электронике, и в теоретической астрофизике растет интерес к газам, характеризующимся почти полной ионизацией. Хотя ионизация, конечно, никогда не бывает полной, в определенных условиях доля присутствующих нейтральных частиц может быть меньше нескольких процентов, и поэтому при исследовании большинства физических процессов их влиянием можно пренебречь. Более того, в случае водорода, представляющего собой, несомненно, самый распространенный элемент в звездах и в межзвездном пространстве, ионизованные атомы лишены электронов. Гелий, следующий элемент по распространенности, лишен двух электронов в области внутри Солнца и в солнечной короне. Даже в лабораторном ионизованном газе некоторые наблюдаемые явления, такие, как колебания плазмы, не зависят ни от присутствия нейтральных частиц, ни от наличия связанных электронов в ионизованных атомах. Таким образом, для многих целей полезно теоретическое исследование поведения газа, состоящего лишь из электронов и голых ядер.
Преимущество такого газа в некоторых отношениях заключается в простоте исследования. Большинство квантовомеханических эффектов здесь можно обычно не учитывать, за исключением относительно слабого взаимодействия с полем излучения. Большинство явлений, важных в обычной газовой электронике, исчезает; захват электронов, рекомбинация, возбуждение и излучение атомов и молекул, электрический пробой и т. д. не происходят в ионизованном газе. Так как поверхность твердого тела уменьшает
10
Предисловие автора к первому изданию
степень ионизации, то следует предположить, что любая такая поверхность находится далеко от исследуемой области, и не рассматривать происходящие вблизи нее сложные процессы. Подобным же образом значительно упрощается учет столкновений между заряженными частицами, так как при силах взаимодействия, обратно пропорциональных квадрату расстояния, расчет более точен, чем в случае сложных взаимодействий систем, содержащих связанные электроны.
В исследовании полностью ионизованного газа встречаются проблемы нескольких видов. Хотя основные физические процессы проще, чем в обычном газе, движения частиц сложнее, поскольку они связаны с электромагнитным полем. При наличии сильного магнитного поля эта связь между динамикой и электромагнитным полем приводит к новым явлениям, которые впервые исследовал Альфвен; они объединены под общим названием «магнитная гидродинамика». Даже в отсутствие магнитного поля электрические свойства полностью ионизованного газа обусловливают сложные движения, которые включают в себя возвращающие электростатические силы и не имеют аналога в обычных газах. Наконец, теория столкновений частиц, определяющая коэффициенты переноса (электропроводность, теплопроводность, вязкость и т. д.) и время релаксации (время, в течение которого устанавливается равновесное распределение по скоростям), может рассматриваться с новой точки зрения вследствие дальнодействующего характера существующих сил, обратно пропорциональных квадрату расстояния.
Значительный прогресс в этой области за последние годы был достигнут в основном благодаря работам Альфвена, Каулинга и Шлютера. Еще нет общего и простого обзора этих проблем, и желающие ознакомиться с этими вопросами вынуждены обращаться главным образом к оригинальным статьям в различных журналах. Цель настоящей книги — дать ввод-
Предисловие автора к первому изданию
И
ный обзор, предназначенный для студентов старших курсов.
Материал книги ограничен вопросами, нужными для теоретического понимания предмета. Экспериментальные факты, относящиеся к разбираемым в книге вопросам, например те, которые связаны с электромагнитными и электростатическими волнами в плазме, здесь не излагаются. Добавить подробное сравнение с экспериментом значило бы сильно увеличить объем книги.
