等离子体物理学基础

《等离子体物理学基础》结合太阳和空间物理学研究前沿和进展，用平实易懂的语言讲述等离子体物理基础知识，包括等离子体物理基本概念、给定外场中带电粒子的回旋运动和导心漂移、磁流体力学有关概念与过程、双元流体描述下的等离子体波动现象、等离子体不稳定性、等离子体动理论初步等。

《21世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书》出版前言
自序 十年磨一剑
前言 课程大图景
第1章 等离子体基本性质与概念 1
1.1 等离子体的“电性”与集体行为 2
1.2 集体行为的几种表现与等离子体判据 3
1.2.1 等离子体振荡 3
1.2.2 德拜屏蔽 4
1.2.3 等离子体的准中性与响应时间 6
1.2.4 等离子体判据 7
1.3 库仑碰撞（经典库仑相互作用） 8
1.4 等离子体中的辅射 10
1.5 数学描述方法 12
1.5.1 单粒子轨道理论 13
1.5.2 粒子模拟 13
1.5.3 磁流体力学 14
1.5.4 动理学描述 15
书面作业 16
思考与论述 16
第2章 单粒子轨道理论 18
2.1 均恒外场中的单粒子运动 18
2.1.1 均恒磁场中的粒子回旋运动 18
2.1.2 均恒电场引起的引导中心漂移运动：电场漂移 21
2.1.3 重力场与任意外加力场中的导心漂移 23
2.2 弱变化磁场中粒子的运动 23
2.2.1 弱不均匀磁场下的梯度漂移 25
2.2.2 磁场曲率漂移 26
2.2.3 横向不变量与磁镜效应 28
2.2.4 纵向不变量、Fermi加速与磁通不变量 31
2.3 弱不均匀、慢变化电场中粒子的运动 35
2.3.1 空间弱不均匀电场效应 35
2.3.2 随时间渐变电场的影响：极化漂移 36
书面作业 38
思考与论述 39
第3章 磁流体力学 41
3.1 流体力学 41
3.1.1 定义、概念、属性 41
3.1.2 两种数学描述方法：拉氏描述和欧拉描述 42
3.1.3 流体力学方程组 43
3.2 MHD适用条件 45
3.3 MHD方程组 46
3.3.1 质量方程和动量方程、安培定律和欧姆定律 47
3.3.2 磁感应方程 53
3.3.3 能量密度方程 54
3.4 磁静平衡态 55
3.4.1 无重力情况与等离子体β 56
3.4.2 无力场与势场 58
3.4.3 磁压力与磁张力 60
3.4.4 2.5维坐标系统与GS重构 62
3.4.5 重力分层大气的标髙 64
3.5 磁冻结与扩散、磁螺度 65
3.5.1 Alfven磁冻结定理 66
3.5.2 磁扩散 72
3.6 磁场重联 73
3.7 理想MHD纷性波模 77
3.7.1 流体力学声波与真空电磁横波色散关系推导 78
3.7.2 关于波动的几点说明 79
3.7.3 剪切Alfven波 80
3.7.4 MHD可压缩线性波模 87
3.8 MHD激波 92
3.8.1 简单介绍 92
3.8.2 流体力学激波Rankine-Hugoniot跳变关系 95
3.8.3 磁流体力学激波 97
3.8.4 激波与粒子加速、DeHoffmann-Teller坐标 100
3.8.5 日地空间中的激波示例 102
书面作业 104
思考与论述 104
第4章 双元流体描述下的等离子体波动现象 106
4.1 概述 106
4.2 多元冷等离子体色散关系的一般形式 108
4.2.1 电介质色散关系的一般形式 108
4.2.2 冷等离子体近似下的电导率张量与介电张量 109
4.3 非磁化等离子体波动模式 112
4.3.1 非磁化等离子体静电模式 113
4.3.2 非磁化等离子体电磁模式 116
4.4 磁化等离子体静电模式 118
4.4.1 髙频模式——电子Langmuir波与髙杂波 118
4.4.2 低频近似——低杂静电波与静电离子回旋波 119
4.5 磁化等离子体电磁模式 121
4.5.1 平行传播：左旋与右旋圆偏振电磁模式 121
4.5.2 垂直传播：X、O、HH(Z)、LH模式 129
4.5.3 倾斜传播：X、O、Z、E、I模式 131
书面作业 134
思考与论述 135
第5章 等离子体不稳定性简介 136
5.1 基本概念与研究方法简介 136
5.2 磁约束等离子体柱的腊肠与扭曲模不稳定性 138
5.3 Rayleigh-Taylor和Kelvin-Helmholtz不稳定性 138
5.3.1 HD与MHD中的Rayleigh-Taylor不稳定性 138
5.3.2 HD与MHD中的Kelvin-Helmholtz不稳定性 141
5.4 撕裂模不稳定性——磁岛形成图景 143
5.5 束流不稳定性 148
书面作业 150
思考与论述 151
第6章 等离子体动理论初步 152
6.1 简单回顾 152
6.2 流体力学方程组的推导 155
6.2.1 质量守恒方程 156
6.2.2 动量方程 156
6.2.3 能量方程与MHD截断 157
6.3 动理论初步——Landau阻尼 157
6.3.1 Fourier变换及积分的奇点问题 157
6.3.2 Laplace变换——Landau的求解过程 159
书面作业 167
思考与论述 167
参考文献 168
附录 171
附录1 弱不均勻磁场下的引导中心近似有关公式推导等 171
附录2 纵向不变量的证明 175
附录3 理想MHD磁冻结定理与磁螺度守恒证明(摘自胡友秋教授手稿）176
附录4 Laplace变换及复变函数有关定理简单介绍 178
附录5 矢量恒等式 180
附录6 陈耀科研报告与科普短文节选目录 180
《21世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书》已出版书目 182