等離子體物理學 plasma physics
研究等離子體形態和集體運動規律、等離子體與電磁場及其他形態物質相互作用的學科。物理學新興的分支。
1.發展簡史
人類對於等離子體的認識，始於19世紀70年代對氣體放電管中電離氣體的研究。20世紀70年代建立了等離子體的基本概念和時空的特徵尺度。30～50年代初，在借鑒其他學科研究方法的基礎上，創立了等離子體物理基本理論框架和描述方法，同時把研究範圍從實驗室的電離氣體擴展到電離層和某些天體的電離氣體。
自50年代起，在受控熱核聚變研究和空間技術的推動下，等離子體物理得到了充分的發展，成為物理學的獨立分支學科。在此期間，以氣體放電和電弧技術為基礎發展了低溫等離子體物理和工藝。
20世紀末，在基礎工業、國防工業以及高技術領域中，低溫等離子體得到廣泛應用，推動了等離子體物理和其他物理學科及技術科學的相互滲透。
隨著等離子體物理研究的深入，研究領域逐漸擴展：從傳統的電中性等離子體擴展到非電中性等離子體物理，從弱耦合的等離子體伸展到強耦合等離子體；從純等離子體拓展到塵埃等離子體，從線性現象發展到非線性現象。
此外，激光技術的新進展，推動了超短脈衝強激光與等離子體相互作用的研究。這些領域的研究給等離子體研究增添了新的活力。
2.研究方法
有實驗研究、理論研究和粒子模擬。
2.1.實驗研究
對於天然等離子體（天體、空間和地球大氣中存在的等離子體）的實驗研究和探測，通常是在地球表面或在高空的飛行器和「空間試驗室」中進行，觀察和接收它們所發射的可見光、射電、X射線以及其他輻射。
將這些測量結果和已有的數據和理論進行分析比較，從而認識這些天然等離子體的現象、本質、運動、機構和演化規律。
對於人為產生的等離子體（實驗室等離子體）的實驗研究，只能利用已有的技術產生所要求的等離子體，然後測出等離子體的各種參量。
把這些測量結果與已有的理論進行綜合分析後，推斷出等離子體的行為和性質，或建立新的理論。
2.2.理論研究
有以下幾種理論描述法：
① 單粒子軌道描述法。它是描述等離子體中單個帶電粒子，在外加的電場或磁場作用下運動軌道的變化。
單粒子的軌道可簡單地用牛頓定律和粒子的初始條件（空間位置和速度）完全確定。
在無碰撞等離子體（如空間等離子體）中，碰撞的平均自由程大大超過等離子體本身的空間尺度，粒子間碰撞對等離子體行為幾乎沒有影響，這時單粒子的軌道描述常常能對一些觀測結果給出定性的描述。
但軌道描述的目的大都不是為了給出等離子體的行為，而是作為進一步討論粒子間相互作用對等離子體行為影響時的零級近似，也即作為理論分析和討論實際問題的出發點。
單粒子軌道描述法能給出很直觀的物理圖像，對磁約束聚變研究概念的提出及發展起過重要作用。
② 磁流體描述法。將等離子體看成是導電的流體，而不考慮其中不同粒子間運動的差異，其行為用流體力學方程和電磁學方程進行描述。
磁流體描述法可用來描述等離子體的宏觀行為，如等離子體的集體振蕩、宏觀平衡、宏觀不穩定性以及各種波動現象。
③ 統計描述法。等離子體是由大量粒子組成的體系，用統計物理學的方法可深刻揭示其運動規律，包括描述無碰撞等離子體中波和粒子相互作用的弗拉索夫波動理論，和碰撞等離子體中碰撞過程的動理學理論。
單粒子軌道描述法和磁流體描述法由於都是近似描述法，前者不考慮不同粒子間運動的差異，後者忽略了粒子間的相互作用，因而它們既不能用來研究有關波與粒子相互作用的現象，也不能揭示由於粒子體系分布函數在速度空間中偏離平衡態而引起的不穩定性。
統計描述法能嚴格描述波與粒子的相互作用及一些微觀現象。統計描述法雖然嚴格，但數學處理複雜，物理圖像缺少直觀性。
2.3.粒子模擬
此法是跟蹤幾千個甚至百萬個粒子的運動軌道來描述等離子體體系的行為，能同時給出眾多有關波和粒子的物理量以及其間的關聯函數的時間演變。
但典型的實驗室等離子體（聚變裝置中的等離子體）中粒子密度約為/立方米，空間等離子體的密度雖然很稀，但體積巨大（尺度大於或等於幾千千米），以密度/立方千米來計粒子數也是很大的。
對這些粒子的軌道如果都加以考慮，現代計算機的容量是遠遠不夠的。
若僅限於研究某類等離子體的某些行為，則只需考察一個相對小的模擬體系，其尺度和粒子數只要足以描述所要研究的等離子體現象即可，這樣就能用粒子模擬法來描述等離子體的行為。
3.研究內容
等離子體物理研究的基本內容大致可分為單個帶電粒子在電磁場中的行為、等離子體平衡、波動和不穩定性、弛豫和輸運、電磁輻射等幾個方面。
3.1.單個帶電粒子在電磁場中的行為
帶電粒子在磁力線的垂直方向上迴繞磁力線做圓運動（稱為迴旋運動或拉摩運動），而沿磁力線方向帶電粒子也作自由運動，因而粒子的合成運動是以磁力線為軸沿著磁力線做螺旋運動。
如果帶電粒子還受到其他外力的作用，則粒子還要在垂直於磁力線和該力這兩者的方向上運動。這種由外力引起的運動稱為漂移運動。
外力如果是電場力、重力、由磁場梯度或磁場曲率引起的力或廣義力，則由它們引起的漂移運動便分別稱為電漂移、重力漂移、梯度漂移和曲率漂移。
磁場若隨空間和時間緩慢變化，則粒子在垂直於磁力線方向上的動能和磁場強度的比（稱為磁矩）是一個不變數。
以上這些簡單物理圖像，對於受控熱核聚變中磁約束途徑的探索、天體等離子體的行為、對磁控濺射原理的理解具有重要意義。
3.2.等離子體平衡
等離子體在一定條件下的宏觀形態會受其內部熱壓力、外加電磁場及重力產生的力的影響。這些力達到平衡時，等離子體的宏觀形態及其各參量的數值和空間分布都不再隨時間改變。平衡時的等離子體形態及其參數和空間分布是討論等離子體行為的基礎。
3.3.波動和不穩定性
處於平衡狀態的等離子體受到某種擾動時，等離子休內部會產生相應的集體運動，使這種擾動傳播到等離子體的其他區域。這種傳播的擾動稱為等離子體波。
如果擾動的振幅在傳播過程中不隨時間改變，則這種波稱為穩定的等離子體波，否則是阻尼波或不穩定波。
如果在傳播過程中，擾動幅度隨時間越來越大，最終可將等離子體的平衡形態破壞，則這種擾動簡稱為不穩定。
擾動方式的不同，波動的類型及屬性也不同。
等離子體內部熱壓力的擾動產生聲波。
空間電荷分離產生靜電波。
電磁感應引起電磁波。
等離子體溫度和密度空間不均勻性造成粒子漂移運動進而激發各種漂移波。
等離子體中磁力線的擾動與等離子體的凍結效應可產生各種磁流體波；磁力線的彎曲和分布不均勻性也會激發各種漂移波。
而且波與波之間又會耦合成更為複雜的混合波。
等離子體不穩定性類型繁多，大致分為宏觀不穩定性和微觀不穩定性兩大類。
等離子體宏觀參量（密度、溫度、壓強等）的不均勻以及磁力線的曲率等引起的自由能，可產生宏觀不穩定性，通常用流體方程處理，故稱磁流體力學不穩定性。
等離子體速度空間中速度分布的各向異性、偏離麥克斯韋速度分布律等引起的自由能，會產生微觀不穩定性（又稱速度空間不穩定性），通常用動力學方程處理，故稱動力學不穩定性。
3.4.電磁輻射
等離子體發出的電磁波可分為自發輻射和受激輻射兩大類。
自發輻射包括黑體輻射、線輻射、複合輻射、軔致輻射、迴旋輻射（又稱磁軔致輻射）、同步輻射等。
大多數的實驗等離子體發出的是自發輻射，等離子體激光物質產生的激光、在地球及若干行星的磁層中觀測到的一些電磁輻射則為受激輻射。
探測等離子體的輻射可得到等離子體的一些參量。
3.5.弛豫與輸運
等離子體從非平衡狀態趨向平衡狀態的過程稱為弛豫過程。
不均勻等離子體中，帶電粒子從高密度區域向低密度區域擴散，熱量從高溫區向低溫區傳導，動量從大區域向小區域轉移（即黏滯現象），統稱為輸運過程。
傳統理論認為，弛豫和輸運是由粒子間的庫侖彈性碰撞引起的，通常用碰撞的動理論處理，所得出的特徵弛豫時間（慢化時間、擴散時間等）和各種輸運係數（擴散係數、導熱係數、黏滯係數、電導係數等）稱為經典的。
如果考慮了環形磁場對相碰粒子軌道運動的幾何效應，則相應的弛豫和輸運稱為新經典的。各種新經典值比經典值大一個數量級。
此外，在許多等離子體（包括空間等離子體、磁約束等離子體）中輸運係數比新經典的要高2～4個數量級，稱為反常輸運，這可能和等離子體中非線性的集體運動有關。
4.分支領域
等離子體物理學已形成了以下一些彼此相關又有相對獨立研究方向的分支領域。
4.1.受控熱核聚變等離子體物理學
受控熱核聚變是指在被控制條件下將兩個輕核（常用的是氘和氚）在高溫（幾億度）條件下結合成重核的反應。
受控熱核聚變等離子體物理就是研究實現這種熱核聚變反應的實驗裝置，以及未來的核聚變反應堆中的等離子體（又稱高溫等離子體）所涉及的各種物理問題。
概括地說，受控熱核聚變等離子體物理的研究課題主要集中在，如何將燃料等離子體加熱到幾億度的反應溫度，以及如何將密度足夠高的高溫等離子體約束足夠長的時間，使其進行充分的核反應等方面。
受控熱核聚變研究開始於20世紀中葉。20世紀後期直到21世紀初受控熱核聚變研究，主要集中在利用磁場來約束等離子體（磁約束）的托長馬克，和利用等離子體粒子慣性來約束其自身（慣性約束）的激光核聚變方面。
其中所涉及的等離子體物理問題，自然就是受控熱核聚變等離子體物理的主要研究內容。
4.2.空間等離子體物理學和等離子體天體物理學
日地空間是由太陽大氣、太陽風、地球磁層和電離層組成並相互關聯的等離子體系統。
空間等離子體物理學就是研究此系統所發生的等離子體物理過程的分支學科，它是由太陽大氣、日層及行星際、行星磁層和行星電離層等離子體物理等子學科組成的，因而它是等離子體物理學、空間物理和太陽物理的交叉學科。
近年來空間等離子體物理學迅速發展。
在日地空間物理前沿領域（日地系統能量傳輸和耦合機制）研究中所涉及的等離子體物理的基本問題是磁力線重聯、波-粒子相互作用和反常輸運、無碰撞激波、等離子體加熱和高能粒子加速、空間等離子體湍流、大尺度等離子體流分別和磁場及中性氣體的相互作用方面。
空間等離子體物理對於航天安全和空間應用、環境監測和預報、無線電通信、了解太陽活動引起地球生態環境的變化、預測大氣的長期變化，以及對於研究等離子體的各種非線性現象具有十分重要的意義。
等離子體天體物理學是天體物理學和等離子體物理學相互結合的交叉學科。
天體等離子體物理始於20世紀前半葉，主要研究內容集中在宇宙粒子的加速、天體等離子體的輻射機制，及不穩定性和有關的爆發圖像等方面。
自80年代以來，該學科則主要研究天體等離子體諸多的非線性現象方面、輻射與等離子體的相互作用、天體等離子體中的原子和分子過程、粒子加速機制等。
4.3.低溫等離子體物理
低溫等離子體是指在實驗室和工業設備中，通過氣體放電或高溫燒產生的溫度低於幾十萬度的部分電離氣體。
按其物理性質，低溫等離子體可分為熱等離子體（近局域熱力學平衡等離子體）、冷等離子體（非平衡等離子體）和燃燒等離子體三大類。
熱等離子體和冷等離子體在工業中已被廣泛應用，故統稱為工業等離子體。低溫等離子體物理就是研究部分電離氣體的產生、性質與運動規律的科學。
低溫等離子體中粒子的組分，除電子和離子（密度在/立方厘米）外，還有大量的中性粒子（原子、分子、自由基）。
粒子的組分及其間的相互作用（包括各種多體碰撞與光子參與的過程）均隨產生等離子體的方法及條件而改變。
這些情況使得低溫等離子體物理遠比完全電離的高溫等離子體物理的研究困難得多。
低溫等離子體涉及大規模集成電路的製造、材料表面的處理、改性和薄膜沉積，包括超細粉和超純材料製備在內的化工生產、氣體放電光源（高、低氣壓照明燈）、氣體激光器、等離子體顯示器、磁流體發電等許多應用方面，故其研究有著十分重要的實際意義。
5.前沿發展領域
有受控熱核聚變、空間和天體等離子體、低溫等離子體的應用等方面。在研究推動下，以下一些新領域成為等離子體物理研究的前沿和熱點。
5.1.非中性等離子體物理
非中性等離子體是指由單種荷電粒子（電子、離子）和中性粒子組成的，整體呈非電中性的等離子體。
非中性等離子體物理就是研究非中性等離子體的理論和實驗技術的分支學科，現已滲透到原子和分子物理、凝聚態物理、新型加速器物理、自由電子激光物理、高功率微波物理等許多領域。
其研究的主要內容是：純電子或純離子組成的等離子體中的各種宏觀和微觀不穩定性及其非線性過程，強流束的傳播及其粒子的約束和輸運，製冷方法，由氣態向液態和固態的相變（強耦合相互作用）等。
5.2.強耦合等離子體物理
強耦合（關聯）等離子體是指粒子間的平均相互作用能（位能）與粒子動能之比（稱為耦合係數）大於1的等離子體系統。常見的等離子體的耦合係數小於1，因而是弱耦合的。
以激光為驅動器的慣性約束等離子體、由激光爆轟物質產生的等離子體、高度演化的天體內部的物質狀態、電子溫度降到很低時的純電子等離子體、離子溫度降到很低時的純離子等離子體、塵埃粒子帶有足夠電量的塵埃等離子體，均為強耦合的等離子體。
強耦合體系是複雜的多粒子系統，用兩體關聯函數不足以研究其某些特性，需要關於多體關聯函數的知識。描述這種體系的動力學相關特性的理論有待建立，強耦合等離子體物理正處在發展階段。
5.3.非線性等離子體物理
等離子體系統本質上是非線勝的。備受注意的兩個非線性研究領域是非相干的非線性現象（湍流現象）和相干的非線性結構。
等離子體湍流是由大量彼此相互作用的等離子體本徵模組成的無明顯位相特徵的集體運動狀態，它可能是產生反常電阻、反常擴散和反常熱導的機制。相干非線性現象指的是相位信息密切相關的一些非線性過程。
弱非線性的相干現象出現在三波、四波相互作用和等離子體回聲等過程中。強非線性相干行為往往呈現出長壽命的空間有序結構，如孤子、腔子和渦旋等。這種相干結構對等離子體輸運性質的影響以及與等離子體湍流之間的關係，是非線性等離子體物理研究的重要內容。
5.4.激光等離子體物理
研究激光與等離子體相互作用的科學，是激光核聚變與核武器物理、X射線激光、激光碟機動粒子加速器等重大應用的學科基礎。
主要研究方面有：
① 激光與聚變等離子體的相互作用，激光與冕區等離子體相互作用中出現的各種激光等離子體不穩定性及其對激光與聚變靶耦合作用的影響。
② 激光碟機動高能粒子加速器物理。激光加速器以等離子體為介質，加速電場可達伏/米，甚至更高，比直線加速器的極限加速電場（伏/米）高几個數量級，可將粒子加速到太電子伏（1太電子伏=1萬億電子伏）量級的超高能量。
主要圍繞在加速電場的產生機制、波-波及波-粒子相互作用過程、各種不穩定性對相干加速過程的影響等方面。
③ 超短脈衝強激光與等離子體的相互作用。這是20世紀末開始研究的重要領域。
激光技術的發展，使得獲得脈寬為50～1000飛秒（1秒=1千萬億飛秒）、聚焦功率密度為/平方厘米的超短脈衝強激光成為可能，從而開創出一個全新的前沿研究領域。
因為這樣強的光使場強超過原子內部的庫侖場，所以這一研究領域又稱為強場物理。
④ 天體物理過程的實驗模擬。由激光與靶相互作用產生的激光等離子體與天體等離子體有著相互的對應關係。
如輻照在靶上的激光使靶物質蒸發、離化與膨脹而產生的燃燒等離子體，對應於具有較高擴張速度的星風和超新星爆發；激光等離子體中靶內形成的朝激光方向擴展的衝擊波，對應於超新星爆發噴流驅動的衝擊波；激光輻照玻璃板上的金屬薄靶產生的強耦合等離子體，對應於太陽內部、白矮星、巨行星內部的強耦合物質等。
激光等離子體物理或激光聚變的原理與天體物理規律雖可相互對應，但兩者過程的時間和空間尺度極不相同。只要把兩者相對應的物理量的尺度進行成比例地變換（這種變換稱為標度變換），就可由激光等離子體物理過程來模擬相應的天體物理過程。
20世紀末建立的強激光等離子體相互作用的流體動力學與超新星、超新星遺迹的動力學之間的標度變換是成功的典範。
5.5.高能組分等離子體物
理隨著空間探測技術的發展，除在太陽風中外，還在太陽射電爆發、弓形激波、地球極區輻射、電雙層、地磁脈動、磁暴等物理過程中觀測到高能粒子的存在。在聚變等離子體中，則存在反應產生的高能α粒子。
這些高能粒子與背景等離子體相互作用，可改變原有波模的穩定建或激發一些新的不穩定模式，影響等離子體的約束和輸運對具有高能組分等離子體物理的深入研究，發展成為一個重要領域。
主要內容是高能粒子在背景等離子體中的弛豫、加速、加熱和輻射、對背景等離子體平衡、穩定等的影響。
5.6.塵埃等離子體物理
混入等離子體中的電中性固體微粒、可因電子和離子熱運動速度的差別而荷負電，或因受強紫外線、外部激光等的輻照引起光電子發射而荷正電。當這些帶電塵埃粒子的數量足夠多時，等離子體原有的集體效應會發生改變，這時的等離子體待稱為塵埃等離子體。
塵埃粒子在實驗室等離子體和天體等離子體中普遍存在。實驗室等離子體中因器壁、電極或基片受到高能粒子轟擊濺射出的微粒、兩種工作氣體在等離子體狀態下發生反應的生成物逐漸長大而成的固體微粒等，都是實驗室等離子休中的塵埃粒子源。
天體間物質的碎片、隕石微粒、月球的拋射物、人類對空間的「污染」物等形成了天體等離子體中的塵埃粒子源。
微電子工業（如等離子體刻蝕、射鍍膜等工藝）中，塵埃粒子對產品的影響是很嚴重的。半導體材料生產中50％的損失是由於製作過程中塵埃粒子的污染造成的。
實驗室塵埃等離子體中觀察到了塵埃粒子的自組織現象，形成了塵埃等離子體晶體，粒子間呈現出強耦合（關聯）作用現象。
宇宙飛船對木星和火星的探證實了它們的光環是由尺度從10納米～1米的各種大小的塵埃粒子組成的。
太陽系的黃道光山分布在太陽周圍3～19個地球半徑處的，尺度為2～10微米的塵埃粒子對太陽輻射的散射或吸收後的熱輻射所造成。
人們對塵埃粒子在實驗室等離子體和天體等離子體中的奇特用越來越重視，塵埃等離子體物理已成為當前等離子體物理學中一個很活躍的研究領域。
6.展望
等離子體物理學自1879年英國科學家W.克魯克斯提出物質第四態這一概念以來，已發展成為物理學的重要分支。
從學科整體研究狀況來看，對核聚變等離子體（高溫等離子體）物理和天體等離子體物理的研究相對來講較為成熟，但對低溫等離子體物理還缺少研究，而且一些新的研究領域還在不斷地湧現出來，因此仍待進一步發展。等離子體物理在能源、國防、通信、材料科學、生物學、醫學等領域不斷獲得廣泛的應用。
推薦書目
國家自然科學基金委員會．自然科學學科發展戰略調研報告：等離子體物理學. 北京：科學出版社，1994．
摘自：《中國大百科全書（第2版）》第4冊，中國大百科全書出版社，2009年
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