论等离子体对电磁波的作用.docVIP

论等离子体对电磁波的作用 摘要：本文综述了等离子体的震荡特性，并讨论了电磁波在等离子体内传播的特性和等离子体对电磁波的折射作用 关键词：等离子体 频率 电磁波 色散 等离子体是一种大部分原子被电离的气体，其中电子和离子是独立自由的。等离子体是一种集体效应比碰撞效应占优势的电离气体。 当温度足够高时气体会发生电离。 碰撞中电离和复合之间的平衡如下图： 、 原子发生电离需要达到一个阀值能量，而复合则不需要，但是复合比电离发生的可能性要小得多。这个阀值为电离能量（13.6eV）。 等离子体是“物质的第四态”，它是由许多可流动的带电粒子组成的体系。 在自然界中99%的物质是以等离子体状态存在的。地球就是被一弱电离的等离子体（即电离层）所包围。太空中的一些星体及星系就是由等离子体构成的，如太阳就是一氢等离子体球。也可以在实验室中采用放电方法使不同的气体产生等离子体。用于材料表面改性或合成新材料的等离子体，一般都是由低气压放电产生的。等离子体的实例有： ①气体放电：荧光，火花间隙，电弧，焊接，光源，受控核聚变。 ②电离层：地球周围的电离带。 ③行星际介质：行星和恒星的磁圈，太阳风。 ④恒星物理学：恒星，脉冲星，辐射过程。 ⑤气体激光器：等离子放电泵浦激光：CO2，He，Ne，HCN。 一、等离子体特性 等离子体的状态主要取决于它的化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学参量，其中粒子的密度和温度是等离子体的两个最基本的参量。对于实验室中采用气体放电方式产生的等离子体主要是由电子、离子、中性粒子或粒子团组成的。因此，描述等离子体的密度参数和温度参数主要有：电子的密度n和温度T、离子的密度n和温度T以及中性粒子的密度n和温度T。在一般情况下，为了保证等离子体的宏观电中性，要求等离子体处在平衡状态时，电子密度近似地等于离子密度n( n= n。可以用参量“电离度” 来描述等离子体的电离程度。低气压放电产生的等离子体是一个弱电离的等离子体（1 ）。当时，为完全电离等离子体。对于实验室中采用低气压放电产生的等离子体，电子的温度T约为1(10eV ( 1eV=11600K ),远大于离子的温度T(只有数百K，基本上等于中性粒子的温度)。有时称这种等离子体为冷等离子体（Cold Plasma）。 等离子体在宏观上是呈电中性的。但如果受到某种扰动，其内部将会出现局域电荷空间分离，产生电场。如在等离子体中放入一带正电量q的小球，由于该电荷的静电场的作用，它将对等离子体中的电子进行吸引，而对离子进行排斥。这样，在它的周围将形成一个带负电的球状“电子云”。这时，带电小球在等离子体中产生的静电势不再是一简单的裸库仑势，而是一屏蔽的库仑势，如： 其中 为德拜屏蔽长度（Debye Shielding Length）.可见电子云对带电小球产生的库仑势（或场）起着屏蔽作用，这种现象被称为等离子体的德拜屏蔽。德拜屏蔽长度是等离子体的一个重要物理参量。为了保证一个带电粒子系统是一个等离子体，通常要求其空间尺度L要远大于德拜屏蔽长度，即： L. 对于典型的辉光放电等离子体，有，这样 。 等离子体另一个特性是其振荡性。一般地，处于平衡状态的等离子体在宏观上其密度分布是均匀的，但从微观上看，其密度分布是有涨落的，且这种密度涨落具有振荡性。为了说明等离子体密度涨落的振荡性，不妨可以假设等离子体是仅由电子和离子组成的。由于离子的质量较重，可以看成离子是不动的，构成一均匀分布的正电荷的本底。如果在某点电子的密度突然受到扰动，相对正电荷的离子本底有一个移动，造成电荷空间分离。但这种电荷空间分离不能继续进行下去，因为库仑力的作用将试图把电子拉回到其原来的平衡位置，以保持等离子体的电中性。然而，由于电子具有惯性，它们到达平衡位置时并不能停止下来，而是朝另一个方向继续运动，造成新的电荷空间分离。这样一来，库仑力又要试图把它们拉回到平衡位置，依此下去。这种现象即称为等离子体的振荡 ( Plasma Oscillation )。由于离子的质量远大于电子的质量，因此离子的振荡频率相对很小。所以，通常讲等离子体的振荡实际上就是指电子的振荡。假设离子本底静止，通过使电子偏移一段距离 来扰动等离子体平板（见下图）。 则单位面积上所建立的电荷为，为等离子体自由电子密度，为电子电量，。因此产生的电场强度为 为真空介电常数，为电子质量，电子的运动方程为 既 解方程得等离子体电子做简谐振荡频率为 ，取正数 称为等离子体频率plasma frequency），又称朗缪尔频率（Langmuir frequency）。在可以忽略电子热运动的冷等离子体中，这种振荡不向外传播，不会形成波动。但是在热等离子体中，即电子热运动的影响不可忽略时，这种振荡会形成纵