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朗道阻尼

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朗道阻尼等离子体中由于粒子之间的共振导致的波阻尼,是一种无碰撞阻尼,最初是在1946年由苏联物理学家列夫·朗道提出的。人们一度认为物理上没有这种机制,这只是纯粹的数学结果。J.M.Dawson从波和粒子的能量交换的角度推导出朗道阻尼,1960年代又在实验上证实了这个现象[1]

在麦克斯韦速度分布中,速度略小于的粒子总比略大于的粒子数目多

朗道阻尼的起因是波和粒子之间的相互作用而导致的能量交换。相速度为的波能够与速度近似为的粒子发生强烈的相互作用,其结果是速度略微大于的粒子减速,失去能量,速度略微小于的粒子加速,得到能量。考虑在一个具有麦克斯韦速度分布的无碰撞等离子体中,速度略微小于的粒子总是比速度略微大于的粒子数目稍微多一点,其结果是得到能量的粒子比失去能量的粒子越多,粒子的总能量增加,则波的总能量减少,这样就表现为波的一种阻尼效应。如果波和粒子的速度相差很远,比如电磁波光速传播,远大于电子、离子的热运动速度,则不会有朗道阻尼。

朗道阻尼也可以用一种直观但并不严格的物理情景解释,如右图所示。将朗缪尔波想像成海洋上的波浪,粒子如同漂浮在上面的船。如果船运动的速度略微小于波浪传播的速度,在与波浪相对静止的参考系看来,粒子被波浪推动;反之如果船的运动速度略微大于波速,粒子则推动波浪。

朗道阻尼通常可以分为线性朗道阻尼和非线性朗道阻尼两种。朗道阻尼在短波情况下表现得很显著,在长波情况下则可以忽略。这就是为什么实验上通常只能观察到长波的等离子体波,而难以观察到短波的等离子体波。

参考文献

  1. ^ Malmberg, J.H., Wharton, C.B., 1964, Physical Review Letters, 13, 184. DOI:10.1103/PhysRevLett.13.184