Л. Спитцер "ФИЗИКА ПОЛНОСТЬЮ ИОНИЗОВАННОГО ГАЗА "

Под редакцией Р. А. ДЕМИРХАНОВА

ИЗДАТЕЛЬСТВО ИНОСТРАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Москва, 1957

Предисловие редактора перевода
Предисловие автора
Условные обозначения
Глава 1. Движение заряженной частицы
§ 1. Уравнения движения
§ 2. Дрейф заряженных частиц
§ 3. Магнитный момент
§ 4. Ускорение частиц
Литература
Глава 2. Макроскопическое движение. Основные понятия
§ 1. Электрическая нейтральность
§ 2. Основные уравнения
§ 3. Решение задач стационарного состояния
§ 4. Зависимость между макроскопической и микроскопической скоростями
Литература
Глава 3. Макроскопическое движение. Основные задачи
§ 1. Электрические токи
§ 2. Движение вещества поперек силовых линий
§ 3. Пинч-эффект (сжатие)
Литература
Глава 4. Волны в плазме
§ 1. Электромагнитные волны
§ 2. Магнитно-гидродинамические волны
§ 3. Электростатические волны
Литература
Глава 5. Столкновения заряженных частиц
§ 1. Далекие столкновения
§ 2. Диффузионные коэффициенты
§ 3. Время релаксации
§ 4. Электрическое сопротивление
§ 5. Теплопроводность
§ 6. Излучение
Литература
Приложение. Уравнение Больцмана
Литература

При теоретическом и экспериментальном изучении газового разряда, а также в теоретической астрофизике интересуются все больше и больше вопросами, связанными с почти полностью ионизованными газами. Хотя, несомненно, эта ионизация никогда не бывает совершенно полной, тем не менее при некоторых условиях доля нейтральных атомов может быть меньше нескольких процентов и при рассмотрении большинства физических свойств газа такими атомами можно пренебречь. Более того, в случае водорода, являющегося наиболее распространенным элементом в звездах и межзвездном пространстве, ионизованные атомы лишены электронов. Атомы гелия — элемента, следующего по распространенности в недрах солнца и солнечной короне, в основном также лишены двух орбитальных электронов. Даже в лабораторных условиях некоторые явления, наблюдаемые в ионизованном газе, как например колебания плазмы, не зависят ни от присутствия нейтральных частиц, ни от наличия связанных электронов в ионизованных атомах. Следовательно, для многих целей полезно теоретически рассмотреть поведение газа, целиком состоящего из электронов и голых ядер.

Анализ такого газа в определенном смысле обладает значительной простотой. При изучении полностью ионизованного газа можно пренебречь большинством квантовомеханиче- ских эффектов за исключением относительно слабого взаимодействия с полем излучения. Многие явления, существенные для обычной газовой электроники ^^ исчезают; захват электронов, диссоциация ионов, возбуждение и излучение атомов и молекул, электрический пробой и т. д. не имеют места в полностью ионизованном газе. Поскольку у поверхности твердого тела степень ионизации понижается, можно пренебречь сложными процессами, происходящими в непосредственной близости от этой поверхности, считая, что она расположена далеко от рассматриваемой области. В принципе упрощается учет столкновений между заряженными частицами, так как силы взаимодействия обратно пропорциональны квадрату расстояния и могут быть более точно вычислены, чем в случае сложных взаимодействий систем, содержащих связанные электроны.

Задачи, встречающиеся при изучении полностью ионизованного газа, могут быть нескольких типов. Хотя основные физические процессы проще, чем в обычном газе, все же движения частиц более сложны, поскольку они связаны с электромагнитным полем. При наличии сильного магнитного поля эта связь между динамикой частиц и электромагнитным нолем приводит к новым явлениям, впервые исследованным Альфвеном. Эти явления объединяют под общим названием магнитной гидродинамики. В полностью ионизованных газах, даже при отсутствии магнитного поля, происходят сложные движения, связанные с электростатическими силами и не имеющие аналогов в обычных газах. Наконец, теория столкновения частиц, поскольку она определяет коэффициенты переноса (электрической и тепловой проводимости, вязкости и т. д.) и время релаксации (время, необходимое для установления равновесного распределения скоростей), может быть рассмотрена с новой точки зрения вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил.

За последние несколько лет в этой области были достигнуты значительные успехи, особенно благодаря работам Альфвена, Коулинга и Шлютера. Однако обобщающего и вместе с тем простого обзора этой области еще нет и желающие познакомиться с этими вопросами должны обращаться в основном к оригинальным статьям в различных журналах. Целью этой книги является дать такой обзор, доступный для студентов—физиков старших курсов.

Содержание книги ограничено вопросами, необходимыми для теоретического понимания предмета. В настоящее время имеются экспериментальные данные по некоторым вопросам, затронутым в этой книге, например об электромагнитных и электростатических волнах в плазме. Тем не менее эти экспериментальные данные здесь не рассматриваются, так как для этого пришлось бы значительно увеличить объем книги.

Книга предназначена для тех, кто прошел вводный курс теоретической физики, но не знаком детально с кинетической теорией газов. Предполагается знание уравнений Максвелла, а также знакомство с элементами векторного анализа. Библиографию нельзя считать полной, но она включает некоторые из основных работ по каждой теме. Можно надеяться, что те, кому придется работать с полностью ионизованными газами, найдут приведенные здесь ссылки полезным введением в эту новую и быстро развивающуюся область физики.

Автор выражает глубокую благодарность М. Саведову, М. Шварцшильду, А. Симону, Т. Стиксу и Л. Тонксу за внимательный просмотр рукописи и ряд ценных замечаний.