等离子体物理学讲义
No. 12
马 石 庄
2011．04．13．北京
等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。据估计，宇宙中物质的99％以等离子体状态存在，也就是以带电气体的形式存在、它们的原子离解成正离子和负电子。
一方面，只要一离开地球的大气，就遇到了构成Van Allen辐射带和太阳风的等离子体。另一方面，日常生活中所遇到的等离子体却只限于几个实例：闪电、极光的柔和辉光、荧光管或霓虹灯内的导电气体、火箭尾气内的少量电离。在人类生活的1％宇宙中，这里等离于体并不天然地存在
范·艾伦辐射带（Van Allen radiation belts）
地球是个大磁体，两极处磁场强，赤道处磁场弱，构成一个天然的磁镜。它约束着宇宙线中的大量带电粒子，使之沿着地磁场的磁力线方向作螺旋运动，形成几个环绕地球的辐射带。这种辐射带叫做范·艾伦（James Alfred Van Allen）辐射带。
1.1 物质第四态
严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，藉由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。一个有用的定义是，等离于体是带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行
为的一种准中性气体。必须确定“准中性（quasi neutral）”和 “集体行为（collective behavior）”的物理含义．
等离子体态的最特殊的性质，即长程Coulomb力使得带电粒子宏观出一种集体的性质，早已为人们所知，1906年Lord Rayleigh分析原子的汤姆逊模型中的电子振荡时，大概首次描述了这种性质。集体行为的含义如下：考虑作用在一个分子上的力，由于分子是中性的、在分子上不再在净电磁力，而重力是可以忽略的．在这个分子与另一个分子碰撞前，它不受扰动地运动，这些碰撞支配了粒子的运动．作用在中性气体上的宏观力通过碰撞传给单个原子．在有带电粒子的等离子体中，情形就完全不同．当这些电荷到处运动时，它们能引起正电荷或负电荷的局部集中，就产生了场场．电荷的运动也引起电流，因而产生磁场．这些场影响了远处其他带电柱子的运动
趋于顺从外界的影响，
而常常表现出好象有自己的秉性．
等离子体是
由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系：
z
非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”
，等离子体的基本
粒子是正负荷电的粒子（电子、离子）
，而不是其结合体；
z
粒子与电磁场的不可分割性：
等离子体中粒子的运动与电磁场
（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割；
z
集体效应起主导作用：
等离子体中相互作用的电磁力是长程的
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