Plazmová oscilace - Plasma oscillation
Plazmové oscilace, také známý jako Langmuirovy vlny (po Irving Langmuir ), jsou rychlé oscilace elektronová hustota při vedení médií jako např plazmy nebo kovy v ultrafialový kraj. Oscilace lze popsat jako nestabilitu v dielektrická funkce volného elektronového plynu. Frekvence závisí jen slabě na vlnové délce oscilace. The kvazičástice vyplývající z kvantování z těchto oscilací je plasmon.
Langmuirovy vlny byly objeveny Američany fyzici Irving Langmuir a Lewi Tonksová ve 20. letech 20. století.[1] Jsou ve formě paralelní s Nestabilita džínů vlny, které jsou způsobeny gravitační nestabilitou ve statickém médiu.
Mechanismus
Vezměme si v rovnováze elektricky neutrální plazmu skládající se z plynu s kladným nábojem ionty a záporně účtováno elektrony. Pokud jeden přemístí o malé množství elektron nebo skupinu elektronů vzhledem k iontům, Coulombova síla táhne elektrony zpět a působí jako obnovovací síla.
„Studené“ elektrony
Pokud je tepelný pohyb elektronů ignorován, je možné ukázat, že hustota náboje osciluje na frekvence plazmy
- (SI jednotky ),
- (cgs jednotky ),
kde je hustota čísel elektronů, je elektrický náboj, je efektivní hmotnost elektronu a je permitivita volného prostoru. Všimněte si, že výše vzorec je odvozen od přiblížení že iontová hmota je nekonečná. To je obecně dobrá aproximace, protože elektrony jsou mnohem lehčí než ionty.
Vzhledem k rovnici kontinuity:
Gaussův zákon
a vodivost
zůstává:
což je vždy pravda, pouze pokud
Ale toto je také dielektrická konstanta (viz Drude Model )a podmínka transparentnosti (tj. z určité frekvence plazmy a výše), stejná podmínka zde platí také pro umožnění šíření vln hustoty v hustotě náboje.
Tento výraz musí být upraven v případě elektronovéhopozitron plazma, často se vyskytující v astrofyzika.[2] Protože frekvence je nezávislý na vlnová délka, tyto oscilace mít nekonečný fázová rychlost a nula skupinová rychlost.
Všimněte si, že když , frekvence plazmy, , záleží jen na fyzikální konstanty a elektronová hustota . Číselný výraz pro úhlovou plazmovou frekvenci je
Kovy jsou průhledné pouze pro světlo s frekvencí vyšší než je plazmatická frekvence kovu. U typických kovů, jako je hliník nebo stříbro, je přibližně 1023 cm−3, který přináší plazmovou frekvenci do ultrafialové oblasti. To je důvod, proč většina kovů odráží viditelné světlo a vypadá leskle.
„Teplé“ elektrony
Když účinky elektron tepelná rychlost jsou brány v úvahu, tlak elektronů působí jako obnovovací síla, stejně jako elektrické pole a oscilace se šíří s frekvencí a vlnové číslo související s podélným Langmuirem[3] mávat:
- ,
volal Bohm –Hrubý disperzní vztah. Pokud je prostorové měřítko ve srovnání s Délka debye, oscilace jsou pouze slabě modifikovány tlak termín, ale v malém měřítku dominuje tlakový člen a vlny se stanou disperzními s rychlostí . U takových vln je však tepelná rychlost elektronů srovnatelná s fázová rychlost, tj.,
takže plazmové vlny mohou urychlit elektrony, které se pohybují rychlostí téměř rovnou fázové rychlosti vlny. Tento proces často vede k formě bezkolizního tlumení, tzv Tlumení Landau. V důsledku tohok část v disperzní vztah je obtížné pozorovat a málokdy následek.
V ohraničený plazma, proužková elektrická pole mohou mít za následek šíření plazmatických kmitů, i když jsou elektrony studené.
V kov nebo polovodič, účinek ionty „je třeba vzít v úvahu periodický potenciál. To se obvykle provádí pomocí elektronů efektivní hmotnost namísto m.
Viz také
- Elektronové probuzení
- Seznam článků o fyzice plazmatu
- Plasmon
- Relativistická kvantová chemie
- Povrchová plazmonová rezonance
- Horní hybridní oscilace, zejména pro diskusi o modifikaci režimu v úhlech šíření šikmých k magnetickému poli
- Vlny v plazmě
Reference
- ^ Tonksová, Lewi; Langmuir, Irving (1929). „Oscilace v ionizovaných plynech“ (PDF). Fyzický přehled. 33 (8): 195–210. Bibcode:1929PhRv ... 33..195T. doi:10.1103 / PhysRev.33.195.
- ^ Fu, Ying (2011). Optické vlastnosti nanostruktur. Pan Stanford. p. 201.
- ^ *Andreev, A. A. (2000), Úvod do fyziky horkého laserového plazmatu, Huntington, New York: Nova Science Publishers, Inc., ISBN 978-1-56072-803-0
- ^ Ashcroft & Mermin 1976, s. 19
Další čtení
- Longair, Malcolm S. (1998), Formace galaxií, Berlín: Springer, ISBN 978-3-540-63785-1