目 录
一、引言 ........................................................................................ 1 二、认识等离子体 ........................................................................ 1 三、单粒子轨道运动 .................................................................... 5 3.1带电粒子在均匀电场中的运动学特性 .......................... 5
?? 3.1.1v0与E垂直或平行时带电粒子的运动轨迹 ........... 5
?? 3.1.2v0与E成任一夹角时带电粒子的运动轨迹 ........... 5
3.2带电粒子在均匀磁场中的运动学特性 .......................... 6 3.2.1洛伦兹力 ................................................................. 6
?? 3.2.2粒子的初速度v0垂直于B ...................................... 7 ?? 3.2.3粒子的初速度v0与B成任一夹角时 ...................... 8
3.3带电粒子在均匀电磁场中的运动学特性 .................... 10
??? 3.3.1v0、E和B两两相互垂直 ..................................... 10
??? 3.3.2v0与E成任一夹角，B垂直它们构成的平面 ..... 12
四、小结 ...................................................................................... 16 参考文献 ...................................................................................... 16
I
等离子体的单粒子轨道运动
——带电粒子在均匀电磁场中的运动
摘要：等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子（原子、分子、微粒
等）组成的。只讨论单个粒子在外加电磁场中的运动，忽略粒子间的相互作用，即单粒子轨道运动，它是描述等离子体运动状态的三种方法之一。这种方法能给出带电粒子运动的直观物理图像，是进一步了解复杂运动的基础。粒子轨道理论的基本方法是求解粒子的运动方程。本文中，我们着重介绍带电粒子在均匀电磁场中的运动特性。
关键词：等离子体；带电粒子；电磁场；轨迹
Abstract: A plasma is an ionised gas, consisting of free electrons, ions and atoms or
molecules. It is discussed that a single particle moves in an external electromagnetic field, which is one of methods described the plasma motion. This method can give a concise physical picture about the charged particles. The solution of particles motion is the basic method of particle orbit theory. In this thesis, I highlight the motion characteristics of the charged particle in even electrical and magnetic field.
Key words: Plasma; charged particles; electromagnetic field; track
II
一、引言
物质的三态（固态、液态和气态）人们早已司空见惯，可是被称为物质第四态的等离子体，尽管占宇宙中可见物质的99%，可是我们对它的认识依然很少。实际上，认识等离子体的运动规律是人类认识自然界，认识地球空间环境，进而冲出地球，走向太空的必要条件。看似神秘的等离子体其实广泛存在于我们的这个世界，从炽热的恒星、灿烂的气态星云、浩瀚的星际间物质，到多变的电离层和高速的太阳风，都是等离子体的天下。21世纪人们已经掌握和利用电场和磁场产生来控制等离子体。最常见的等离子体是高温电离气体，如电弧、霓虹灯和日光灯中的发光气体，又如闪电、极光等。金属中的电子气和半导体中的载流子以及电解质溶液也可以看作是等离子体。在地球上，等离子体物质远比固体、液体、气体物质少。在宇宙中，等离子体是物质存在的主要形式，占宇宙中物质总量的99%以上，如恒星(包括太阳)、星际物质以及地球周围的电离层等，都是等离子体。
简单的将等离子体分类，可以认为等离子体是由电子、离子以及未电离的中性粒子组成，宏观上呈现准中性。单粒子轨道运动作为描述等离子体运动状态中最简单的一种，即在给定的电磁场中的运动，我们只考虑单个粒子在场中的运动，而忽略离子间的相互作用以及粒子对场的反作用。粒子轨道理论适用于稀薄等离子体，对于稠密等离子体也可以提供某些描述，但由于没有考虑集体效应，局限性很大。粒子轨道理论基本方法是求解粒子的运动方程。利用粒子轨道运动来描述等离子体的行为的前提是假定磁场和电场是预先确定的，不会受到带电粒子运动的影响。
二、认识等离子体
大家早已熟知物质的固体、液体和气体三态。将固体加热到熔点时，粒子的平均动能超过晶格的结合能，固体会变成液体；将液体加热到沸点时，粒子的动能会超过粒子之间的结合能，液体会变成气体。如果将气体进一步加热，气体则会部分电离或完全电离，即原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子，
1
而失去外层电子的原子变成带电的离子。当带电粒子的比例超过一定程度时，电离气体凸显出明显的电磁性质，而其中正离子和负离子（电子）的数目相等，因此被称为等离子体（plasma），又被称为物质的第四态。
“plasma”一词最早在生物学名词原生质中出现。1839年，捷克生物学家浦基尼最先将“原生质”的名词引入科学词汇。它表示一种在其内部散布许多粒子的胶状物质，是组成细胞体的一部分，也称为“血浆”。1929年，郎缪尔和托克斯在研究气体放电时首次将“plasma”一词用于物理学领域，用来表示所观察到的放电物质，该词来源为古希腊语??????，即为可塑物质或浆状物质之意，我国大陆学者将之翻译成“等离子体”，而台湾学者翻译成“电浆”。
根据印度天体物理学家沙哈的计算，宇宙中的99%的可见物质都处于等离子体状态。从炽热的恒星、灿烂的气态星云、浩瀚的星际见物质，到多变的电离层和高速的太阳风，都是等离子体的天下。地球上的生物生活在另外的1%中，人们最早见到的等离子体是火焰、闪电和极光。但当今人类接触到越来越多的等离子体，如荧光灯和霓虹灯里炫目的电弧。等离子体显示屏中彩色的放电、聚变装置中燃烧的等离子体，尽管它们大多是由人工产生的。
固、液、起三态仅仅存在于低温高密度的参数区域，而等离子体存在的参数空间非常宽广。从星际空间的稀薄等离子体到太阳核心的致密等离子体，粒子数密度n从103m?3到1033m?3，跨越了30个量级（采用国际单位制）；从火焰的低温等离子体到聚变实验的高温等离子体，温度T从10?1eV到106eV跨越了7个量级（采用电子伏特为单位）。
等离子体————物质第四态
T/K
2
n/cm图1 等离子体存在的参量空间
图2 常见的等离子体形态包括
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地球上的太空和天体物理中的等离子体 等离子体
太阳和其他恒星（其中等离子
荧光灯、霓虹灯灯管中的电离气体
火焰（上体由于热核聚变供给能量产部的高温生）
核聚变实验中的高温电离气体
部分）
太阳风
电焊时产生的高温电弧，电弧灯中的电弧
闪电
行星际物质（存在于行星之间）
火箭喷出的气体
球状闪电
星际物质（存在于恒星之间）
等离子显示器和电视
大气层中
星系际物质（存在于星系之间）
太空飞船重返地球时在飞船的热屏蔽层前的电离层 端产生的等离子体
木卫一与木星之间的流量管 极光
人造等离子体
在生产集成电路用来蚀刻电介质层的等离
中高层大吸积盘
子体
气闪电
星际星云
等离子球
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