ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.10.2024
Просмотров: 187
Скачиваний: 0
THEORY
OF
FULLY IONIZED
PLASMAS
GUNTER ecker
Professor of Physics
Institut fiir theoretische Physik
Ruhr-Universitat
Bochum, BRD
1972
ACADEMIC PRESS New York and London
Г. ЭККЕР
ТЕОРИЯ
ПОЛНОСТЬЮ ИОНИЗОВАННОЙ
ПЛАЗМЫ
Перевод с английского Л. С. Богданкевич и И. С. Данилкина
Под редакцией д-ра физ.-мат. наук, проф. А. А. Рухадзе
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О
«М ИР»
Г. Эккер — известный западногерманский физик-теоретик. Его книга «Теория полностью ионизованной плазмы»— учебный курс, в котором глубоко и систематически излагаются теоретические аспекты физики плазмы (в отсутствие внешних полей). Часть I посвящена обоснованию статистической механики для систем заря женных частиц с кулоновским взаимодействием. В этой части рассматриваются все существующие статистические методы решения данной проблемы и проводится их сравнительный анализ. В части II исследуются вопросы использования общих уравнений при решении задачи о взаимодействии электромагнитного излучения
сплазмой.
'Книга может служить учебным пособием для студентов старших курсов и аспирантов, специализирующихся в области газовой элек троники, физики плазмы и статистической физики; она полезна
также научным работникам, занимающимся соответствующими про блемами.
Редакция литературы по физике
20409-070 Э 041 (01)—74 70—74 (£) Перевод на русский язык, «Мир», 1974
Предисловие редактора перевода
Модель газа, состоящего из заряженных частиц с куло новским взаимодействием, или, как принято говорить, модель полностью ионизованной плазмы, — одна из мате матически строго обоснованных и завершенных моделей статистической механики сплошных сред. Формулировка этой модели и ее обоснование были даны в классических работах А. А. Власова, Л. Д. Ландау, Н. Н. Боголюбова, Ю. Л. Климонтовича, В. П. Силина, А. Ленарда и Р. Балеску. Особая роль в создании и развитии статистической физики плазмы принадлежит советским ученым, что должным образом отражено в предлагаемой русскому читателю книге известного западногерманского физикатеоретика Г. Эккера «Теория полностью ионизованной плазмы».
Книга Г. Эккера содержит последовательное изложе ние теории полностью ионизованной плазмы на основе динамического уравнения Климонтовича для плотности микроскопического распределения частиц. Исходя из это го уравнения выводятся все основные уравнения (уравне ния Власова, Ландау и Ленарда — Балеску) газовой плазмы в условиях, когда энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их средней кинетической энергией. Такой метод позволил автору совместить достаточно высо кую степень математической строгости с физически ясным
инаглядным изложением теории газовой плазмы. Следует отметить, что теория плазмы на основе дина
мического уравнения для плотности микрораспределения частиц уже излагалась в монографии 10. Л. Климонтовича «Статистическая теория неравновесных процессов», вы шедшей небольшим тиражом в 1963 г. в Издательстве
6 |
Предисловие редактора перевода |
МГУ. С тех пор в этой области был достигнут значительный прогресс, и этот прогресс хорошо отражен в книге Г. Эк кера.
Нет сомнения, что книга Г. Эккера окажется весьма полезной для специалистов, занимающихся теорией плаз мы и статистической физикой, и в особенности для сту дентов старших курсов и аспирантов, изучающих эти области физической науки.
А. А, Рухадве
Предисловие автора к русскому изданию
В последнее время на книжном рынке появился ряд полезных и содержательных книг, посвященных частично или полностью ионизованному газовому состоянию. Одна
ко мне кажется, что они имеют два существенных не достатка.
Первый из них состоит в том, что нет строгого теорети ческого анализа таких обычных газовых разрядов, как дуговой, тлеющий, коронирующий и искровой разряды, которыми в течение некоторого времени почти не занима лись, но которые в последнее время представляют значи тельный интерес в связи с их практическим применением.
Второй недостаток заключается в некоторой непосле довательности вывода основных законов для наиболее простого плазменного состояния — полностью ионизован ной системы — из фундаментальных принципов статисти ческой механики и электродинамики.
Работа над учебником по газовому разряду может оказаться трудной и неблагодарной задачей. Теорети ческие представления в этой области еще недостаточно ясны, и имеется заметное число разногласий. Наоборот, решая вторую задачу, можно достичь известной степени завершенности, определенности и последовательности. Поэтому меня привлекла возможность попробовать свои силы во второй задаче, хотя и к первой я отношусь
сбольшим интересом.
Янадеюсь, что настоящая книга может дать аспиран там и научным сотрудникам, работающим в области физи ки плазмы, астрофизики и смежных областях, ту глубину понимания, которая не только приводит к удовлетворен ности в работе и уверенности в себе, но и создает надеж ный фундамент для научно-исследовательской работы.
8Предисловие автора к русскому изданию
Ярад, что моя книга йереведена на русский язык. Беглый взгляд на имена авторов библиографического
списка |
показывает, что основная часть исследований |
в этой |
области выполнена в СССР. Такие ученые, как |
Н. Н. Боголюбов, Л. Д. Ландау, Ю. Л. Климонтович,— вот лишь некоторые из имен, — внесли решающий вклад в основы данного раздела науки. Более того, в настоящее время физика плазмы успешно и глубоко изучается в СССР
многими широко образованными и блестящими учеными. Я надеюсь, что мои советские коллеги сочтут эту книгу
полезной для себя.
Предисловие автора к английскому изданию
Необычная сложность экспериментальных работ
вобласти газовой электроники, с которыми я был знаком
всилу прежних связей с некоторыми пионерами в данной области, всегда привлекала мое внимание. Мой интерес был направлен на анализ этих физических явлений, которые, как я вскоре осознал, требуют более глубокого понимания основных особенностей физики плазмы. На этой основе возник курс лекций, который я читал в тече ние многих лет главным образом в университетах Бонна
иБохума, а также в университетах Америки, которые мне иногда удавалось посещать.
По мере того как совершенствовался курс лекций, меня все более и более стала интересовать математическая строгость и четкость формулировок основных концепций физики полностью ионизованной системы. Поэтому посте
пенно основной акцент в моих лекциях переместился с газовой электроники на обсуждение полностью ионизо ванной плазмы.
В настоящее время имеются работы, в которых рас смотрены многие вопросы, относящиеся к полностью ионизованной системе при различных частных условиях. Но содержание любой из этих работ очень трудно предста вить в систематической и полной форме так, чтобы изло жение основных теоретических способов описания равно весных и неравновесных состояний исходило из перво начальных принципов. Цель данной книги заключается в стремлении дать именно такое изложение.
Само собой разумеется, что, когда стремишься развить такой общий подход, соблюдая известную строгость, необ
ходимо |
использовать единую простую модель. Поэтому |
в книге |
не рассматривались ни эффекты, вызываемые |
10 Предисловие автора к английскому изданию
внешними полями, ни вопросы приложения к конкретным задачам.
Книга предназначена для аспирантов и научных сотруд ников, работающих в области физики плазмы, астрофизи ки или в смежных с ними областях. Читатель должен быть знаком с основными понятиями классической теорети ческой физики.
Я обязан многим людям. Это прежде всего авторы ори гинальных работ, цитировавшихся или изложенных в кни ге. Я хотел бы особо отметить таких выдающихся ученых в области физики плазмы, как М. Розенблют, А. Кауфман, В. Кункель и П. Стэррок, которые прослушали мои лек ции и участвовали в дискуссиях, принесших книге значи тельную пользу. Я также признателен за бесчисленные обсуждения моим сотрудникам. За критику, постоянную помощь и содействие я приношу особую благодарность К. Фишеру, Г. Фрёмлингу, К. Риману и К. Шпачеку.
Оглядываясь назад и перелистывая страницы, я чувствую, что в содержании книги есть много мест, которые можно расширить и улучшить. Но здесь, как и все другие, я вижу, насколько справедливо изречение Гёте: «Такую работу в сущности никогда нельзя завер шить; ее можно лишь объявить завершенной, если с учетом времени и обстоятельств сделано все возможное».
Список обозначений
Общие замечания
1- В настоящей книге используется огромное коли чество функций. Имеющихся в распоряжении обозначений не хватает для того, чтобы различить их. Поэтому одно и то же обозначение функции, отличающейся аргументом, может характеризовать разные функциональные зави симости.
2.В данный список не включены обозначения, исполь зуемые для сокращений в очень небольшой части текста.
3.Переменные ц-пространства имеют индексы слева вверху в отличие от переменных Г-пространства, у которых
индексы располагаются справа внизу.
4. В нескольких случаях различные величины, смысл которых ясен из контекста, обозначаются одинаково.
Обозначения общего характера
У — фурье-образ функции у
у— образ функции?/ в преобразовании Лапласа
у— вектор
| у | = у — модуль вектора
у — единичный |
вектор |
|
у — тензор п-то |
ранга {п — 2, . . .) |
|
П |
|
|
у)(у — диада |
|
|
у |
— оператор |
|
{х, у} |
— скобки Пуассона |
|
у |
— набор величин |
|
(у) |
— среднее значение |
|
|
Обозначения латинскими буквами |
а — внешний термодинамический параметр А — обобщенная сила
12 |
Список обозначений |
А— векторный потенциал
Ъ— прицельный параметр
bi — групповой интеграл порядка I bVil — коэффициент Трэда
В — вектор магнитной индукции Ва — спектральная плотность излучения черного
тела
(1 — N) B N —N -й вириальный коэффициент
Вjk — коэффициент прямой передачи тепла двум компонентам
с— скорость света
С— постоянная Эйлера Cv — теплоемкость
D — вектор электрической индукции De — электрический дипольный момент Dm — магнитный дипольный момент
D° — область столкновений
D (к, р) — диэлектрическая проницаемость
е — элементарный заряд ze, е+ — заряд ионов
—е, е_ — заряд электронов
Е— полная энергия
Е—вектор электрического поля % — энергия электрона
%у |
— плотность |
энергии |
в |
единице |
объема |
|||
|
в вакууме, приходящаяся на единичный |
|||||||
|
интервал угловой частоты |
объема |
||||||
|
— плотность |
энергии |
в |
единице |
||||
|
в плазме, приходящаяся на единичный |
|||||||
|
интервал угловой частоты |
|
|
|||||
f N — функция распределения |
в Г-пространстве |
|||||||
Tn |
— равновесная |
функция |
распределения |
в |
||||
fs |
Г-пространстве |
|
|
|
|
|
||
— частная функция распределения порядка s |
||||||||
/ (8) |
— общая |
функция |
распределения порядка s |
|||||
/v ’ |
— общая |
функция |
распределения |
для |
v-й |
компоненты
/vl> ~ fv — общая одночастичная функция распределе ния