现在人们认为，宇宙是由69%的暗能量、27%的暗物质和 1%的普通物质等所组成。我们所能看到的天空中的所有物质都仅是普通物质的一部分，这种普通物质处于等离子体状态，并且能够发出辐射。物理学中的等离子体(plasma)，不能将其误解为血浆(blood plasma)，它是一种“电离”的气体，其中至少有一个电子已经脱离原子，留下被称为离子的带正电的核。等离子体有时还被称为“物质第四态”。当固体被加热，会变成液体；当液体被加热，会变成气体；进一步加热，气体会被电离成等离子体。由于等离子体由带电的离子和电子组成，电场无处不在，所以粒子间的“碰撞”不仅仅发生在它们相遇时，即使它们相距很远，只要能“感受”到电场的存在，也可以发生“碰撞”。流体动力学被用于描述水管中或比赛中快艇周围的水流、飞机机翼周围的气流，它已经足够复杂了。相比而言，增加了电场作用的等离子体大幅扩展了运动情况的范围，更不用说同时存在磁场的情况，描述起来更加复杂。
等离子体是带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的准中性气体。
等离子体通常仅能在真空中存在，这主要是因为空气会冷却等离子体，导致离子和电子复合成为普通中性原子。在实验室中，需要从真空室抽出空气来维持真空；而在太空的真空中，大部分气体处于等离子体态，可以被我们观察到。恒星内部及其大气层、气体星云甚至整个银河系能被我们观察到，就是因为它们处于等离子体态。然而在地球上，大气层环境使得我们能体验到的等离子体为数不多，如闪电的闪光、北极光(aurora borealis)的柔光、荧光灯管和等离子体电视像素单元的发光。我们所生活的环境只是宇宙很小的一部分，其中等离子体无法天然存在；否则，我们将无法生存。
等离子体技术是推动高技术发展和传统工业升级改造甚至改变世界的动力源泉之一。《等离子体物理学导论》（原书第三版）围绕等离子体技术的聚变应用，介绍了等离子体基本概念、微观的单粒子运动基础理论、宏观的流体力学基础理论、波动与输运现象、平衡与稳定性现象、动理学理论与阻尼现象，以及鞘层等其他非线性现象。为了拓宽读者视野，本书还介绍了非中性等离子体、固态等离子体、尘埃等离子体、空间等离子体、大气压等离子体等重要的特殊等离子体类型，并给出了等离子体在聚变、半导体刻蚀、航天器推进等领域的应用实例。
译者序
由陈凤翔(Francis F. Chen)先生著、林光海先生译、人民教育出版社于 1980年出版的《等离子体物理学导论》(原书第一版译著)是四十余年来国内许多大学生、研究生和从事等离子体科学与技术工作的学者的重要入门教材和参考书，堪称经典之作，在国内影响深远。2016 年，译者林光海先生之夫人何木芝女士为纪念林光海先生，通过科学出版社修订出版了该译著。同年，陈凤翔先生在八十五岁高龄之际出版了本书原著第三版，更新和增加了等离子体物理学的最新领域和进展，令我钦佩万分。作为在国内长期为大学生和研究生讲授等离子体物理学课程的教师，我长期参考第一版译著，深感有必要翻译第三版，使之泽被后世。
李永东
2021年 8 月于西安交通大学
作者的话
从第二版出版至今已经过去 30 年了，等离子体物理学取得了很多进步，诱使我将所有新进展都写进本教材，但我并未这么做，毕竟这是一本为等离子体物理学初学者而写的书，可以忽略一些细枝末叶。等离子体物理学的基本原理并未发生改变，但出现了新领域，如尘埃等离子体和等离子体加速器，有必要将这些主题加进来。半导体工业自 20 世纪 80 年代萌芽以来，影响着我们所有人的生活。计算机芯片的制造离不开等离子体，但它们是新的部分电离的射频等离子体。我花了 25 年的时间，力图使工业等离子体成为一门受人关注的学科。更早以前之所以回避，是因为它过于凌乱。同时，阿尔 · 戈尔(Al Gore)警告我们要警惕全球变暖问题，因而氢核聚变理所当然成为该问题及能源短缺问题的最佳解决途径。随着国际热核聚变实验堆(ITER)项目在法国南部的顺利推进，我们可望在 2050 年准时达成核聚变反应堆的目标。在激光核聚变方面，劳伦斯 · 利弗莫尔国家实验室的国家点火装置(NIF)可以将全美的能源输出聚集到一个小点上，持续几分之一纳秒即可实现惯性聚变。这是一项无与伦比的技术成就，但到目前为止，我们还缺乏足够快的激光脉冲。《聚变等离子体物理学》将被列为本教材的第二卷，来回答诸多问题，但这仍是对未来的计划。
2015 年于加州洛杉矶
陈凤翔(Francis F. Chen)
原作者简介
陈凤翔（Francis F. Chen）先生是美国加州大学洛杉矶分校电气工程系的荣誉教授。他是一位在等离子体实验和理论两个方面深耕六十多年的资深物理学家，在磁约束聚变、激光约束聚变、等离子诊断学、基础等离子体物理和低温等离子体物理等各个分支领域都开展过十年左右的研究。大多数等离子体领域的学生都熟悉他编著的教科书《等离子体物理学导论》（国内译名）。
陈教授1929年出生于中国广州，分别于1950年、1953年、1954年获得美国哈佛大学的物理学学士、硕士和博士学位。毕业后先后在美国普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校任教。1968年当选美国物理学会会士，1995年获得美国物理学会的等离子体物理麦克斯韦奖。
译者简介
李永东，教授、博士生导师，西安交通大学电子与信息学部副主任（兼学部党委副书记），多功能结构与材料教育部重点实验室副主任，等离子体与微波电子学（创新）研究所副所长。从事微波功率传送相关的微波产生、传输与发射技术研究。主持完成国家自然科学基金重点项目、国家重大专项课题、973、863等科研项目课题近30项。研制微波与等离子体电子学领域工业应用软件UNIPIC、MSAT、SOS2d等。在国内外期刊上发表学术论文100 余篇，获省部级科技进步二等奖2项、软件著作权10余项、授权国家发明专利10余项。
编辑推荐
这是一本为等离子体物理学初学者写的书。相较于第二版，第三版增加了近30年来等离子体物理学取得了很多进步，比如尘埃等离子体和等离子体加速器、国际热核聚变实验堆(ITER)、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置(NIF)等的介绍。
目录速览
译者序
前言
第1章 绪论 1
1.1 等离子体在自然界的存在 1
1.2 等离子体的定义 2
1.3 温度的概念 3
1.4 德拜屏蔽 7
1.5 等离子体参量 9
1.6 等离子体判据 10
1.7 等离子体物理学的应用 11
1.7.1 气体放电(气体电子学) 11
1.7.2 受控热核聚变 12
1.7.3 空间物理学 12
1.7.4 现代天体物理学 13
1.7.5 MHD能量转换和离子推进 13
1.7.6 固态等离子体 14
1.7.7 气体激光器 14
1.7.8 粒子加速器 15
1.7.9 工业等离子体 15
1.7.10 大气压等离子体 15
第2章 单粒子运动 17
2.1 引言 17
2.2 均匀E场和B场 17
2.2.1 E=0 17
2.2.2 有限E场 19
2.2.3 重力场 21
2.3 非均匀B场 23
2.3.1 B：B梯度漂移 23
2.3.2 弯曲B场：曲率漂移 24
2.3.3 B：磁镜 25
2.4 非均匀E场 30
2.5 随时间变化的E场 32
2.6 随时间变化的B场 34
2.7 导向中心漂移总结 35
2.8 绝热不变量 36
2.8.1 第一个绝热不变量? 36
2.8.2 第二个绝热不变量J 37
2.8.3 第三个绝热不变量? 40
第3章 作为流体的等离子体 43
3.1 引言 43
3.2 等离子体物理学与普通电磁学的关系 43
3.2.1 麦克斯韦方程组 43
3.2.2 磁性材料的经典处理 44
3.2.3 电介质的经典处理 45
3.2.4 等离子体的介电常数 46
3.3 流体运动方程 47
3.3.1 随体导数 47
3.3.2 压力张量 49
3.3.3 碰撞 52
3.3.4 和普通流体动力学的比较 52
3.3.5 连续性方程 53
3.3.6 状态方程 53
3.3.7 完整的流体方程组 54
3.4 垂直于B的流体漂移 55
3.5 平行于B的流体漂移 60
3.6 等离子体近似 61
第4章 等离子体中的波 63
4.1 波的表示法 63
4.2 群速度 64
4.3 等离子体振荡 65
4.4 电子等离子体波 69
4.5 声波 75
4.6 离子波 76
4.7 等离子体近似的有效性 77
4.8 离子波和电子波的比较 78
4.9 垂直于B的静电电子振荡 80
4.10 垂直于B的静电离子波 85
4.11 低混杂频率 88
4.12 B0=0的电磁波 89
4.13 实验应用 91
4.14 垂直于B0的电磁波 95
4.14.1 寻常波，E1||B0 95
4.14.2 非寻常波，E1B0 96
4.15 截止和共振 98
4.16 平行于B0的电磁波 100
4.17 实验结果 102
4.17.1 哨声模 102
4.17.2 法拉第旋转 103
4.18 磁流体波 106
4.19 磁声波 110
4.20 基本等离子体波小结 112
4.21 CMA图 113
第5章 扩散和电阻率 121
5.1 弱电离气体中的扩散和迁移 121
5.1.1 碰撞参数 121
5.1.2 扩散参数 122
5.2 扩散引起的等离子体衰减 123
5.2.1 双极扩散 123
5.2.2 平板中的扩散 125
5.2.3 柱体中的扩散 127
5.3 稳态解 128
5.3.1 恒定电离函数 128
5.3.2 平面源 129
5.3.3 线源 129
5.4 复合 129
5.5 横越磁场的扩散 131
5.5.1 横越B的双极扩散 133
5.5.2 实验检验 134
5.6 全电离等离子体中的碰撞 136
5.6.1 等离子体电阻率 137
5.6.2 库仑碰撞的机理 138
5.6.3 的物理意义 140
5.6.4的值 141
5.6.5 脉冲电流 142
5.7 单流体MHD方程 142
5.8 全电离等离子体的扩散 144
5.9 扩散方程的解 146
5.9.1 时间依赖关系 146
5.9.2 与时间无关的解 146
5.10 玻姆扩散和新经典扩散 147
第6章 平衡和稳定性 154
6.1 引言 154
6.2 磁流体平衡 155
6.3 β的概念 156
6.4 磁场向等离子体中的扩散 158
6.5 不稳定性的分类 161
6.5.1 流动不稳定性 161
6.5.2 瑞利-泰勒不稳定性 161
6.5.3 普适不稳定性 162
6.5.4 动理学不稳定性 162
6.6 双流不稳定性 162
6.7 “重力”不稳定性 166
6.8 阻性漂移波 169
6.9 威布尔不稳定性 172
第7章 动理学理论 174
7.1 f(v)的含义 174
7.2 动理学方程 178
7.3 流体方程的推导 182
7.4 等离子体振荡和朗道阻尼 184
7.5 朗道阻尼的含义 188
7.5.1 电子束动能 191
7.5.2 初始条件的影响 194
7.6 朗道阻尼的物理推导 195
7.6.1 共振粒子 199
7.6.2 两个“悖论”的消除 200
7.7 BGK模和范·坎彭模 200
7.8 实验验证 201
7.9 离子朗道阻尼 204
7.9.1 等离子体色散函数 205
7.9.2 离子波及其阻尼 206
7.10 磁场的动理学效应 210
7.10.1 热等离子体介电张量 211
7.10.2 回旋阻尼 212
7.10.3 伯恩斯坦波 213
第8章 非线性效应 219
8.1 引言 219
8.2 鞘层 221
8.2.1 鞘层的必然性 221
8.2.2 平面鞘层方程 221
8.2.3 玻姆鞘层判据 223
8.2.4 蔡尔德-朗缪尔定律 224
8.2.5 静电探针 225
8.3 离子声激波 227
8.3.1 萨格捷夫势 227
8.3.2 临界马赫数 230
8.3.3 波陡化 231
8.3.4 实验观测 232
8.3.5 电双层 233
8.4 有质动力 233
8.5 参量不稳定性 236
8.5.1 耦合振荡器 236
8.5.2 频率匹配 237
8.5.3 不稳定性阈值 240
8.5.4 物理机理 241
8.5.5 振荡双流不稳定性 243
8.5.6 参量衰减不稳定性 245
8.6 等离子体回波 248
8.7 非线性朗道阻尼 251
8.8 非线性等离子体物理学方程 253
8.8.1 KdV方程 253
8.8.2 非线性薛定谔方程 257
8.9 重联 266
8.10 湍流 268
8.11 鞘层边界 272
第9章 特殊等离子体 274
9.1 非中性等离子体 274
9.1.1 纯电子等离子体 274
9.1.2 实验 275
9.2 固态超冷等离子体 276
9.3 离子对等离子体 277
9.4 尘埃等离子体 279
9.4.1 尘埃声波 282
9.4.2 尘埃离子声波 284
9.5 螺旋波等离子体 285
9.6 空间等离子体 288
9.7 大气压等离子体 289
9.7.1 介质阻挡放电 290
9.7.2 射频铅笔型放电 290
第10章 等离子体的应用 292
10.1 引言 292
10.2 聚变能 293
10.2.1 箍缩和脉冲功率 295
10.2.2 磁镜 300
10.2.3 反场位形 304
10.2.4 仿星器 305
10.2.5 托卡马克 308
10.2.6 球马克和球形托卡马克 318
10.3 等离子体加速器 321
10.4 惯性聚变 326
10.4.1 玻璃激光器 326
10.4.2 氟化氪激光器 330
10.5 半导体刻蚀 331
10.6 航天器推进 336
10.6.1 一般原理 336
10.6.2 推进器类型 337
10.7 日常生活中的等离子体 340
附录A 单位、常量、公式与矢量关系 341
附录B 均匀冷等离子体波理论 345
附录C 3小时期末测试样例 350
附录D 部分习题答案 355
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