TEUBNER-TEXTE zur Phisik — Band 25 Herausgeber/Editors: Werner Ebeling, Berlin Wolfgang Meiling, Dresden Armin Uhlmann, Leipzig Bernd Wilhelmi, Jena Werner Ebeling Andreas F¨ orster Vladimir E. Fortov Viktor K. <...> Teubner Verlagsgesellschaft Stuttgart Leipzip 1991 Редакторы: Вернер Эбелинг, Берлинг Вольфганг Мэйлинг, Дрезден Армин Ульманн, Лепциг Бернд Вильхельми, Иена Вернер Эбелинг, Андреас Ф¨ Фортов, Виктор Грязнов, Александр Полищук ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ерстер, Владимир СВОЙСТВА ГОРЯЧЕЙ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ Перевод с английского Ю.В.Колесниченко Москва Ижевск 2007 УДК 533.9 ББК 22.333 Т 343 Интернет-магазин http://shop.rcd.ru • физика • ма т ема тика • биол о гия • нефт е г а з о вые т е х но ло гии Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту №05-02-30033. <...> Затронуты вопросы кинетических свойств неидеальной плазмы, а также проблемы, связанные с поглощением лазерного излучения и торможением пучков тяжелых ионов в плазме с сильным межчастичным взаимодействием. <...> Сдвиги энергетических уровней и ионизационная щель . <...> Сравнение химической модели и модели среднего атома . <...> Ионизационное равновесие и неравновесные свойства металлической плазмы . <...> Уравнение состояния при высокой плотности на основе метода исключенного объема . <...> Переходы за счет давления, изоэнтропы и ударные адиабаты для плотного водорода и дейтерия . <...> Плотная горячая плазма является наиболее распространенным состоянием вещества во Вселенной — на ее долю приходится более 95% видимой нами материи, находящейся в звездах, планетах и экзопланетах. <...> Иным примером практического применения плотной плазмы могут служить явления вблизи электродов в дугах, мощные импульсные разряды и, плазма, создаваемая за фронтом ударных волн, лазерами или мощными пучками заряженных частиц. <...> На Земле плотная плазма встречается достаточно редко; ее примерами могут служить явления вблизи электродов в дугах, импульсные мощные разряды и, плазма, созданная за фронтом ударных волн, лазерами или мощными пучками частиц. <...> Первым результатом этих <...>
Теплофизические_свойства_горячей_плотной_плазмы.pdf
УДК 533.9
ББК 22.333
Т 343
Интернет-магазин
http://shop.rcd.ru
• физика
• ма т ема тика
• биол о гия
• нефт е г а з о вые
т е х но ло гии
Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского
фонда фундаментальных исследований по проекту
№05-02-30033.
Эбелинг В., Ф¨
ерстер А., Фортов В., Грязнов В., Полищук А.
Теплофизические свойства горячей плотной плазмы. — М.-Ижевск: НИЦ
«Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований,
2007. — 400 с.
Предлагаемая книга посвящена плазме высокой плотности, где энергия взаимодействия
частиц сопоставима с кинетической энергией их теплового движения.
Основное внимание уделено методам вычисления термодинамических функций равновесных
систем. Затронуты вопросы кинетических свойств неидеальной плазмы,
а также проблемы, связанные с поглощением лазерного излучения и торможением
пучков тяжелых ионов в плазме с сильным межчастичным взаимодействием.
Обсуждаются теоретические методы и модели для описания плотной плазмы, приводится
сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.
ISBN 978-5-93972-646-7
-НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2007
-В.Эбелинг, А.Ф¨
c
c
http://shop.rcd.ru
http://ics.org.ru
ерстер, В.Фортов, В.Грязнов, А.Полищук, 2007
ББК 22.333
Стр.4
Оглавление
Предисловие к русскому изданию . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
ГЛАВА 1. Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
ГЛАВА 2. Физические свойства горячей плотной плазмы . . . . 12
2.1. Задача термодинамического описания горячей сжатой плазмы 12
2.2. Исторические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3. Безразмерные параметры плазмы . . . . . . . . . . . . . . . . 19
ГЛАВА 3. Общая термодинамика и кинетика переходов . . . . . 25
3.1. Обзор статистико-термодинамических результатов . . . . . . 25
3.2. Разложение при низких плотностях . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3. Аппроксимации Якоби–Паде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4. Средне-сферическое приближение . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5. Сдвиги энергетических уровней и ионизационная щель . . . 53
3.6. Кинетика процессов ионизации и переходов между уровнями 61
ГЛАВА 4. Термодинамические и кинетические свойства простой
плазмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1. Термодинамические соотношения . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2. Термодинамика водорода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3. Термодинамика гелия и водородно-гелиевых смесей . . . . . 86
4.4. Термодинамика плазмы других инертных газов . . . . . . . . 98
4.5. Сравнение химической модели и модели среднего атома . . . 108
4.6. Сдвиги энергетических уровней и спектральных линий для
водородоподобных связанных состояний . . . . . . . . . . . . 115
4.7. Кинетика ионизации водородоподобной плазмы . . . . . . . . 120
4.8. Фронты ионизации и явления нуклеации . . . . . . . . . . . . 126
4.9. Термодинамика необратимых процессов ионизации . . . . . . 138
Стр.5
6
ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 5. Уравнение состояния и состав многокомпонентных систем
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.1. Методы расчета состава и термодинамических свойств многокомпонентных
систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2. Модель ограниченного атома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.3. Некоторые результаты и их обсуждение . . . . . . . . . . . . . 169
ГЛАВА 6. Ионизационное равновесие и неравновесные свойства
металлической плазмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.1. Общий подход и модель Томаса–Ферми . . . . . . . . . . . . . 178
6.2. Приближенные расчеты спектров электронов в модели ограниченного
атома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.3. Модели, описывающие явление перехода диэлектрик-металл . 198
6.4. Обобщенная химическая модель . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.5. Полуэмпирический расчет электронных коэффициентов переноса
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
ГЛАВА 7. Поглощение лазерного излучения и торможение ионных
пучков в плазме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.1. Тормозное излучение и динамическая проводимость . . . . . 228
7.2. Теоретический подход к расчету непрозрачностей в плазме . 243
7.3. Непрозрачности плазмы. Полуэмпирический подход . . . . . 246
7.4. Теория пробегов быстрых ионов в плазме металлов . . . . . . 254
7.5. Полуэмпирическая модель тормозной способности плазмы . 258
ГЛАВА 8. Уравнение состояния плотной водородной плазмы и
плазмы инертных газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
8.1. Термодинамические свойства и энергетические уровни плотного
водорода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
8.2. Уравнение состояния при высокой плотности на основе подхода
с зависящими от плотности энергетическими уровнями . 281
8.3. Уравнение состояния при высокой плотности на основе метода
исключенного объема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
8.4. Переходы за счет давления, изоэнтропы и ударные адиабаты
для плотного водорода и дейтерия . . . . . . . . . . . . . . . . 297
8.5. Термодинамика ударно-сжатых газов мегабарного диапазона
давлений в рамках модели SAHA . . . . . . . . . . . . . . . . 308
8.5.1. Термодинамическая модель. Эффекты электронного
вырождения и межчастичного взаимодействия . . . . . 309
8.5.2. Короткодействующее отталкивание . . . . . . . . . . . 311
Стр.6
ОГЛАВЛЕНИЕ
7
8.5.3. Термодинамика ударно-сжатых инертных газов. Расчет
ударных адиабат и сравнение с экспериментом . . 314
8.5.4. Термодинамика ударно-сжатого водорода (дейтерия) . 320
ГЛАВА 9. Термодинамика ударно-сжатых пористых металлов . . 326
9.1. Термодинамическая модель. Эффекты вырождения электронов
и взаимодействия частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
9.1.1. Короткодействущее отталкивание атомов и ионов . . . 332
9.1.2. Дополнительное притяжение . . . . . . . . . . . . . . . 334
9.2. Сравнение экспериментальных и расчетных данных . . . . . 335
ГЛАВА 10. Таблицы термодинамических свойств . . . . . . . . . 342
10.1. Алюминий (Al) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
10.2. Железо (Fe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
10.3. Медь (Cu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
10.4. Золото (Au) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
10.5. Свинец (Pb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
10.6. Висмут (Bi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
10.7. Уран (U) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
ГЛАВА 11. Ссылки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
Стр.7