量子等离子体中电磁波和表面波传播特性的研究

摘要

在等离子体物理学中，当载流子的德布洛意波长可以和所研究的系统的尺度（例如粒子的平均间距）相比较时，量子效应将开始起作用。我们称这种等离子体为量子等离子体，它需要遵循一定的条件。据我们调研所知，目前有三种著名的模型来研究量子等离子体物理，它们分别是Wigner-Poisson(WP)模型（若存在磁场时，则称之为Wigner-Maxwell模型）、Schr(o)dinger-Poisson模型、量子流体力学（QHD）模型（若存在磁场时，称之为量子磁流体力学（QMHD）模型）。由于流体模型具有数学上的简洁性，它已经被广泛地用于研究量子等离子体中的输运、波动以及不稳定性。在我们下面的研究工作中，主要用到的也是量子流体模型。
　　在量子等离子体物理中，量子效应主要源于三个方面，那就是基于隧道效应的量子玻母势、基于量子统计分布的量子费米压强以及基于电子内秉属性的电子自旋-1/2效应。
　　我们利用QMHD模型，研究了量子效应（包括量子玻母势、量子费米压强以及电子自旋-1/2效应）对垂直于磁场传播的非寻常电磁波（X波）的影响。得到了一个新的描述磁化量子等离子体中椭圆极化的非寻常电磁波的色散关系。通过计算我们还发现，非寻常波的群速度受到量子效应的显著影响，并且电子自旋-1/2效应可以减低这样的量子等离子体体系中的能量传输。我们的这一研究工作对于研究致密空间等离子体物理以及凝聚态物理具有一定的意义。
　　此外，我们还从基本的单流体等离子体模型出发，利用QMHD模型，从理论上研究了在热的量子磁化等离子体中电磁表面波的色散方程。我们认为表面波在等离子体-真空边界传播，并在远离边界衰减。这里考虑的量子效应主要包括量子玻母势和量子费米压强。我们从电子所满足的基本的动力学方程以及麦克斯韦方程组出发，经解析推导得到了一个新的表面电磁波的色散方程。我们接着在考虑某些特殊情况时，对此色散关系进行了分析。研究发现，存在量子效应时，原本不能传播的表面等离子体振荡现在变的可以传播，并且量子玻母势效应在较大波数的情况下，可以明显地增大波的传播速度。不仅如此，我们还发现，外磁场对于表面波的色散方程有重要的影响。我们的研究工作，可以成为一种研究表面电磁波的性质以及研究边界量子等离子体物理性质的参考工具。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 经典等离子体简介

1．1．1 经典等离子体的定义及其参数空间

1．1．2 经典等离子体的描述方法

1．1．3 经典等离子体的主要特征参量

1．1．4 经典等离子体概念推广

1．2 量子等离子体简介

1．2．1 量子等离子体概念的提出及其存在的物理环境

1．2．2 描述量子等离子体的主要特征参量

1．2．3 等离子体中的量子效应

1．3 本论文主要研究内容和结构

第二章 量子等离子体的基本模型分析

2．1 Wigner-Poisson模型

2．1．1 Wigner函数

2．1．2 Wigner-Poisson模型

2．2 Schr?dinger-Poisson模型

2．3 量子流体力学模型

2．3．1 Wigner-Poisson近似

2．3．2 Schr?dinger-Poisson近似

2．4 本章小结

第三章 量子效应对电磁波传播特性的影响

3．1 引言

3．2 基本的假设和方程

3．3 分析和讨论

3．4 本章小结

第四章 量子效应对表面波传播特性的影响

4．1 表面波研究背景简介

4．2 等离子体中表面波的研究方法

4．3 经典等离子体中的表面波

4．3．1 非磁化等离子体中的表面波

4．3．2 磁化等离子体中的表面波

4．4 量子等离子体中的表面波

4．4．1 非磁化量子等离子体中的表面波

4．4．2 磁化量子等离子体中的表面波

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文的主要结论

5．2 未来工作展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果