等离子体物理导论

课程编码：070200M02027H 英文名称：Introduction to Plasma Physics 课时：40 学分：2.00 课程属性：一级学科普及课 主讲教师：马石庄

等离子体是物质的第四态, 虽遍及宇宙空间, 在地上却不能自然存在。人类在对太空的不懈的探索, 寄厚望于受控热核聚变以解化石能源枯竭之困, 这一切都有赖于等离子体物理学的进展。
本课程是凝聚态物理、粒子物理、天体物理、空间物理、等离子体物理、材料科学与技术、宇航科学与工程、电子与通讯、核物理与技术专业等专业研究生的基础课。
本课程采用国际著名教科书为教材, 讲解等离子体物理学的基本概念及其拓展、基本原理和描述问题和分析问题的基本方法；强调物理概念和原理, 也做必要的数学描述和推导, 为学生的进一步的自主学习勾勒一副知识地图。

普通物理学, 高等数学

第一章 等离子体的基本性质 2学时 马石庄
第1节 等离子体: 物质第四态, 温度的概念, 经典等离子体
第2节 基本尺度: Debye长度, 等离子振荡, 等离子体判据
第3节 回旋与漂移：无电场，有限电场 ，单色EM波
第二章 电磁场中的带电粒子 2学时 马石庄
第1节 非恒定电场：空间非均匀电场，时间变化电场，高频电场与有质动力
第2节 非均匀磁场：梯度漂移与曲率漂移，磁镜，导心近似理论
第3节 环型磁场中的带电粒子：磁面，导心的漂移，香蕉粒子
第三章 绝热不变量与相对论粒子 2学时 马石庄
第1节 Lorentz-Einstein摆: 最小作用量原理, 绝热不变量, 正则变换与正则变量
第2节 三个不变量: μ-不变量, 纵向不变量, 磁通量不变
第3节 相对论带电粒子：Lorentz方程，单色EM波电子漂移，均匀磁场中的自共振
第四章 动理学理论与MHD方程 2学时 马石庄
第1节 分布函数: Liouville定理, 普遍动理学方程, 两体相互作用
第2节 矩方程: 连续性方程, 动量守恒方程, 能量方程
第3节 磁流体力学方程: 磁流体模型, BGK方程, 广义Ohm定律
第五章 MHD近似与MHD平衡 2学时 马石庄
第1节 MHD方程: MHD近似, 磁应力张量, 导心理论引出
第2节 电磁感应方程: 磁冻结定理, 拓扑不变量, W?ltjer-Taylor弛豫
第3节 MHD平衡: 维里定理, 无力平衡, 太阳风Parker模型
第六章 磁约束与稳定性 2学时 马石庄
第1节 磁约束平衡: 径向压力平衡, 环向力平衡, Grad－Shafranov方程
第2节 线性稳定性方程: 力方程, 能量原理 , 简正模分析
第3节 理想MHD稳定性: θ箍缩, Z箍缩, 交换不稳定性
第七章 发电机与磁重联 2学时 马石庄
第1节 发电机理论: Cowling定理, Ponomarenko发电机, 平均场发电机
第2节 二维磁重联: 类比模式, 驱动重联, 撕裂膜不稳定
第3节 磁拓扑: 普遍磁重联, 中性点重联, 磁拓扑守恒
第八章 冷等子离体波动 2学时 马石庄
第1节 静电波: 等离子体振荡, 负能波, 混杂振荡
第2节 色散关系: 等离子体中的电磁波, 经典Alfvén波, 压缩Alfvén波
第3节 电磁波动方程: 等离子体介电张量, 垂向电磁波 , 平行电磁波
第九章 温等离子体波动 2学时 马石庄
第1节 Alfvén波: 磁声波, 低频场向电场, 双流体Alfven波
第2节 普遍色散关系: 静电波, 普遍色散关系, 能量守恒
第3节 漂移波: Hasegawa-Mima 方程, 有碰撞漂移波 , 不稳定性
第十章 非磁化热等离体波 2学时 马石庄
第1节 Landau方法: 粒子束流, Vlasov解, Landau方法
第2节 Landau阻尼: 电子波的Landau阻尼, 波－粒传输 , 离子声波Landau阻尼
第3节 动理学稳定性: Gardner定理, Penrose判据, 尾峰不稳定性
第十一章 磁化热等离子体波 2学时 马石庄
第1节 介电张量: 分布函数的演化, 普遍速度分布, 回旋条件
第2节 静电波: 色散关系, Bernstein模, 有限k∥色散: 线性模转换
第3节 动理学稳定性: Weibel不稳定性, 电流驱动不稳定, 漂移波
第十二章 碰撞算子与BBGKY理论 2学时 马石庄
第1节 Landau方程: Coulomb碰撞, 小角度碰撞, Landau方程
第2节 Fokker-Planck方程: Fokker-Planck方程, 试探粒子慢化 , 等离子体电导率
第3节 BBGKY理论: 级次方程组, 单粒子和两粒子 , 无磁场Landau方程
第十三章 等离子体-界面相互作用 2学时 马石庄
第1节 等离子体波导: 表面等离子激元，等离子体柱共振，空间电荷波
第2节 Langmuir探针: 鞘层， Lagnmiur探针，电双层
第3节 Pierce二极放电系统: Pierce 不稳定性，Pierce模型，二极管电流
第十四章 MHD湍流 2学时 马石庄
第1节 各向同性湍流: Kármán-Howarth方程， Kolmogorov模式，拟正态理论
第2节 低维湍流: 涡旋的作用, 二维湍流, 壳模型
第3节 不可压缩 MHD湍流: 3.1 Alfvén波湍流，绝对平衡分布，Kazantsev发电机
第十五章 弱湍流: 波-粒与波-波作用 2学时 马石庄
第1节 拟线性理论: 俘获粒子，精确BGK模解，拟线性方程
第2节 参量不稳定: 耦合振子，两类基本机制，波相互作用类型
第3节 动理学理论: 随机相位近似，相干波湍流，非相关波湍流
第十六章 强湍流: 孤波与坍缩 2学时 马石庄
第1节 孤波: Burgers-KdV方程，离子声孤波，离子束孤子激发
第2节 非线性波方程: 有限振幅演化方程，Schr?dinger方程，调制不稳定性
第3节 Langmuir孤波: Zakharov方程, 自聚焦, 孤波稳定性
第十七章 尘埃等离子体 2学时 马石庄
第1节 尘埃充电: OML理论, 充电过程，尘埃密度的影响
第2节 作用力: 抬升与约束, 离子曳力, 汤川球
第3节 尘埃等离子体波: 晶格波, 微粒层相变, 同号带电粒子间引力
第十八章 激光-等离子体 2学时 马石庄
第1节 相对论光学:
第2节 有质动力: 单个粒子，集体有质动力，自聚焦和成丝
第3节 激光等离子体: 碰撞电离，辐射阻尼
第十九章 量子等离子体 2学时 马石庄
第1节 经典与量子: 量子效应, 特征尺度, 能量耦合参数
第2节 Wigner–Poisson 系统: Wigner函数, Hartree平均场近似, 静电量子等离子体
第3节 QHD方程: 量子Dawson模式, QHD方程, 简并等离子体
第二十章 等离子体辐射 2学时 马石庄
第1节 自由电子: 辐射场，回旋辐射，辐射传输
第2节 辐射过程: 同步辐射，韧致辐射，量子力学修正
第3节 散射过程: 散射截面,非相干散射,相干散射

马石庄，理学博士，教授，博士生导师; 1999年底执教中国科学院研究生院，2000年至今，先后主讲“地球流体力学”，“地球科学反演理论与实践”，“应用偏微分方程与科学计算”和“等离子体物理学”等十余门课程; 获得首届“我最喜爱的研究生课程主讲教师”和“导师培训优秀授课教师”称号。