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等离子体物理的发展史

2013-03-22

 19世纪以来对气体放电的研究;19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究;1950年前后开始对受控热核聚变的研究;以及低温等离子体技术应用的研究,从四个方面推动了这门学科的发展。

  19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象,这实际上是等离子体实验研究的起步时期。1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词,等离子体物理学才正式问世。1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波(即朗缪尔波)。

  对空间等离子体的探索,也在20世纪初开始。1902年英国的O.亥维赛等为了解释无线电波可以远距离传播的现象,推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。这个假说为英国的E.V.阿普顿用实验证实。英国的D.R.哈特里(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式,并得到磁化等离子体的色散方程。1941年英国的S.查普曼和V.C.A.费拉罗认为太阳会发射出高速带电粒子流,粒子流会把地磁场包围,并使它受压缩而变形。

  从20世纪30年代起,磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。等离子体的速度分布函数服从福克-普朗克方程。苏联的Л.Д.朗道在1936年给出方程中由于等离子体中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。1938年苏联的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程,即弃去碰撞项的无碰撞方程。朗道碰撞积分和符拉索夫方程的提出,标志着动力论的发端。

  1942年瑞典的H.阿尔文指出,当理想导电流体处在磁场中,会产生沿磁力线传播的横波(即阿尔文波)。印度的S.钱德拉塞卡在1942年提出用试探粒子模型来研究弛豫过程。1946年朗道证明当朗缪尔波传播时,共振电子会吸收波的能量造成波衰减,这称为朗道阻尼。朗道的这个理论,开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究领域。

  从1935年延续至1952年,苏联的H.H.博戈留博夫、英国的M.玻恩等从刘维定理出发,得到了不封闭的方程组系列,名为BBGKY链。由它可导出符拉索夫方程等,这给等离子体动力论奠定了理论基础。

  1950年以后,因为英、美、苏等国开始大力研究受控热核反应,促使等离子体物理蓬勃发展。热核反应的概念最早出现于1929年,当时英国的R.de阿特金森和奥地利的F.G.豪特曼斯提出设想,太阳内部轻元素的核之间的热核反应所释放的能量是太阳能的来源,这是天然的自控热核反应。1957年英国的J.D.劳孙提出受控热核反应实现能量增益的条件,即劳孙判据。

  50年代以来已建成了一批受控聚变的实验装置,如美国的仿星器和磁镜以及苏联的托卡马克,这三种是磁约束热核聚变实验装置。60年代后又建立一批惯性约束聚变实验装置。

  环状磁约束等离子体的平衡问题由苏联的V.D.沙弗拉诺夫等解决。美国的M.克鲁斯卡和沙弗拉诺夫导出了最重要的一种等离子体不稳定性,即扭曲不稳定性的判据。1958年美国的I.B.伯恩斯坦等提出分析宏观不稳定性的能量原理。处在环状磁场中的等离子体的输运系数首先由联邦德国的D.普菲尔施等作了研究(1962),他们给出在密度较大区的扩散系数,苏联的A.A.加列耶夫等给出了密度较小区的扩散系散(1967),这一理论适用于托卡马克这类环状磁约束等离子体中的输运过程被命名为新经典理论。

  自从苏联在1957年发射了第一颗人造卫星以后,很多国家陆续发射了科学卫星和空间实验室,获得很多观测和实验数据,这极大地推动天体和空间等离子体物理学的发展。1959年美国的J.A.范艾伦预言地球上空存在着强辐射带,这一预言为日后的实验证实,即称为范艾伦带。1958年美国的E.N.帕克提出了太阳风模型。1974年美国的D.A.格内特根据卫星资料,证认出地球是一颗辐射星体,辐射千米波。

  在此期间,一些低温等离子体技术也在以往气体放电和电弧技术的基础上,进一步得到应用与推广,如等离子体切割、焊接、喷镀、磁流体发电,等离子体化工,等离子体冶金,以及火箭的离子推进等,都推动了对非完全电离的低温等离子体性质的研究。

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