等离子体是物质的第四态，虽遍及宇宙空间，在地面上却不能自然存在。人类在对太空的不懈的探索，寄厚望于受控热核聚变以解化石能源枯竭之困，这一切都有赖于等离子体物理学的进展。
本课程是天体物理、空间物理、等离子体物理以及核物理与技术专业研究生的基础课，同时也可作宇航科学与工程、电子与通讯、材料科学与技术等专业研究生的选修课。
 本课程采用国际著名教科书为教材，讲解等离子体物理学的基本概念、基本原理和描述问题和分析问题的基本方法；强调物理概念和物理原理，也做必要的数学描述和基本推导，为学生的进一步的自主学习勾勒一副知识地图。

普通物理学，高等数学

教材： 1. Bellan, Paul M., Fundamentals of Plasma Physics, Cambridge University Press, 2004. 2. .Piel, A., Plasma Physics: Laboratory Space Fusion Plasmas, Springer, 2010. 3. Boyd, T. J. M. and Sanderson, J.J., The Physics of Plasmas, Cambridge University Press, 2003. 4. . Davidson, P. A.， An Introduction to Magnetohydrodynamics, Cambridge University Press , 2001

一、	等离子体的基本性质
了解课程的基本内容和教学安排；理解研究等离子体物理的意义和目的；建立等离 子体的准中性和集体运动的概念，了解等离子体的基本分类
1.1	等离子体
物质第四态，温度的概念，经典等离子体
1.2	基本尺度
Debye长度，等离子振荡，等离子体判据
1.3	主要领域
天体空间物理，受控热核聚变，MHD 能量变换和离子推进
习题 1
附录 A：聚变等离子体
附录 B：夸克-胶子等离子体（ QGP）
参考文献：
.Bonitz, M. et al. (eds.), Introduction to Complex Plasmas, Springer，2010.
二、	电磁场中的带电粒子
等离于体的行为有时像流体，有时又像个别粒子的集合．在外部电场和磁场场中单个粒子的运动具有代表性，详细了解单个粒子运动的规律，可以对等离子体的整体行为得出一些重要结论．
2.1均匀电场和磁场
零电场 有限电场 导心漂移
2.2 非恒定电场
空间非均匀电场，时间变化电场，高频电场与有质动力
2.3非均匀磁场
梯度漂移与曲率漂移，磁镜，导心近似理论
习题2
附录：赵九章先生
参考文献：
1. Chen , Francis F., Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion , 2ed , Springer, 2006. 
2. 朗道,Л.Д.,栗弗席兹，E.A.,力学，第5版，高等教育出版社，2008.

三、	绝热不变量与磁约束
从分析力学角度进一步学习电磁场中带电粒子的运动特征，几个重要的完全可积的情形，成为理解等离子体的一个重要基础。以Tokamak装置中带电粒子的运动为例，加深理解三个绝热不变量的意义。
3.1	Lorentz-Einstein摆:
最小作用量原理，绝热不变量，正则变换与正则变量
3.2	三个不变量:
μ-不变量，纵向不变量，磁通量不变
3.3	 环型磁场中的带电粒子:
磁面与粒子轨道，导心的漂移，香蕉粒子
习题3	
附录：孤独的Nobel 奖得主Hannes  Alfvén
参考文献：
1.	朗道,Л.Д., 栗弗席兹,E.A., 力学，第5版，高等教育出版社，2008.
2.	Friedberg Jeffrey, P., Plasma Physics and Fusion Energy, Cambridge University Press, 2007.
3.	Miyamoto, K., Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion, Springer,2005.

四、	动理学理论与MHD方程
学习从动理学方程建立等离子体宏观模型的方法，建立粒子轨道与等离子体整体行为之间的联系，熟悉双流体模型的基本特征，输运BGK模型，从等离子体的广义Ohm定律初识磁化等离子体的各向异性．建立单一流体的MHD方程组．
3.1	分布函数
Liouville定理，普遍动理学方程，两体相互作用
3.2	 矩方程:
续性方程，动量守恒方程，能量方程
3.3	 磁流体力学方程:
磁流体模型，BGK方程，广义Ohm定律
习题4	
注记：关于Maxwell分布	

参考文献
1.	Somov, B. V., Plasma Astrophysics, Part I, Fundamentals and Practice, Springer, 2006.
2.	Ichimaru, S., Statistical Plasma Physics, Vol. I: Basic Principles, Addison-Wesley Pub. Comp., 1992.
3.	Fitzpatrick, Richard,  Introduction to Plasma Physics, The University of Texas at Austin, 2011.

五、	MHD近似与MHD平衡
建立等离子体的磁流体模型，在拟稳态近似下，建立磁流体动力学方程。依据磁Reynolds数，掌握理想MHD的磁冻结定理和拓扑不变量；无力平衡和有力平衡。
5.1 MHD方程
 MHD近似，磁应力张量，导心理论引出
5.2  电磁感应方程
磁冻结定理， 拓扑不变量，Wöltjer-Taylor弛豫
5.3 MHD平衡
维里定理，无力平衡，太阳风Parker模型
习题5
注记：拓扑流体力学的几个结果
参考文献：
1.	Arnold, V. I. and Khsin, B. A., Topological Methods in Hydrodynamics, Springer-Verlag, New York, 1998.
2.	D.D. Schnack, Lectures in Magnetohydrodynamics, Springer-Verlag, 2009

六、	磁约束与稳定性
以磁流体为模型，研究作为受控核聚变基础的等离子体约束的稳定性问题，建立了描述理想磁流体稳定性的力算子及其能量原理，示意性地建立了压强驱动的交换不稳定和电流驱动的圆柱扭曲不稳定性的基本图景。
6.1 磁约束平衡
径向压力平衡，环向力平衡，Grad－Shafranov方程
6.2线性稳定性方程
力方程，能量原理	，简正模分析
6.3 理想MHD稳定性
θ箍缩稳定性， Z箍缩稳定性，交换不稳定性
习题6
附录：连续介质: 随体导数，变形张量，应力张量
参考文献：
1.	Schnack, Lectures in Magnetohydrodynamics, Springer-Verlag, 2009
2.	Freidberg, J. P., Ideal Magnetohydrodynamics. New York: Plenum Press, 1987. 
3.	Miyamoto, K. Plasma Physics for Nuclear Fusion. Revised ed. MIT Press, 1989.
4.	庄礼贤等，流体力学（第2版），中国科学技术大学出版社，2010

七、	发电机与磁重联
磁流体的有限电阻，使磁场扩散和磁场拓扑不变性失效，磁重联发生，使得等离子体处于能量更低的状态。维持等离子体中的磁场，需要发电机过程运行。
7.1 发电机理论
Cowling定理，Ponomarenko发电机， 平均场发电机
7.2 二维磁重联
 类比模式，驱动重联，撕裂膜不稳定	
7.3磁拓扑
普遍磁重联，中性点重联，磁拓扑守恒
附录: 中国地球空间探测双星计划
参考书目：
1.		Moffatt, H.K., Magnetic Field Generation in Electrically Conducting Fluids, Cambridge University Press, 1978.
2.	Pontin, D.I., Three-dimensional magnetic reconnection regimes: A review, Advances in Space Research, 47: 1508–1522, 2011.
3.	Priest, E. R. and Forbes, T. G. , Magnetic Reconnection: MHD Theory and Applications. Cambridge University Press, 2000. 

八、	冷等子离体波动
等离子体中的波动现象要比普通介质中的丰富得多．忽略热压力不计，冷等离子体中存在静电波和电磁波及其耦合波．由于电子和离子的质量相差悬殊，对于各种扰动的响应不一，外磁场的普遍存在更使得等离子体波动现象具有新的特点．
8.1 静电波
等离子体振荡，负能波，混杂振荡	
8.2色散关系	15
等离子体中的电磁波，经典Alfvén波，压缩Alfvén波
8.3 电磁波动方程
等离子体介电张量，垂向电磁波	，平行电磁波
习题8
附录A：中国电离层物理学家
附录B：Alfvén 波的发现
参考书目：
.Swanson, D. G., Plasma wave, 2ed, IoP, 2003.

九、	温等离子体波动
系统研究磁流体Alfvén波理论，考察带电粒子的热运动是等离体动力学的重要影响，导出在等离体湍流研究中基础意义的Hasegawa-Mima 方程，展示碰撞的作用不但引起耗散，也能导致漂移波不稳定。
9.1 Alfvén波
磁声波，低频场向电场，双流体Alfven波	
9.2 普遍色散关系
 静电波，普遍色散关系，能量守恒
9.3漂移波
Hasegawa-Mima 方程，有碰撞漂移波	，不稳定性
习题9
附录：有耗损声波
参考文献：
Swanson, D. G., Plasma wave, 2ed Edition, Institute of Physics, 2003.

十、	非磁化热等离体波
运用线性化Vlasov方程考察非磁化热等离子体中的波动，着重研究Landau阻尼的动理学推导，物理含义以及物理推导，认识波与粒子的相互作用可以在无碰撞等离子体中引起耗散。
10.1 Landau方法
粒子束流， Vlasov解， Landau方法
10.2 Landau阻尼
电子波的Landau阻尼，波－粒传输	，离子声波Landau阻尼
10.3 动理学稳定性
Gardner定理， Penrose判据，尾峰不稳定性
习题10
附录A：Laplace变换
附录B：等离子体色散函数
附录C：Plemelj公式
附录D：伟大的朗道
参考文献：
1.	栗弗席兹，E.A., 皮塔耶夫斯基，Л.Д., 物理动理学，第2版，高等教育出版社，2008.
2.	Ichimaru, S., Statistical Plasma Physics, Vol. I: Basic Principles, Addison-Wiley Pub. Comp., 1992.

十一、磁化热等离子体波
运用线性化Vlasov方程考察磁化热等离子体中的小振幅波动，零阶磁场引入大量的新现象。带电粒子主要是围绕磁力线的回旋运动，发生波－粒共振相互作用。在热等离子体中，带电粒子感受到热运动引起的Doppler漂移。
11.1 介电张量
分布函数的演化，普遍速度分布， 回旋条件
11.2 静电波
色散关系， Bernstein模，有限k∥色散：线性模转换
11.3 动理学稳定性
Weibel不稳定性， 电流驱动不稳定，漂移波
附录A：相位历史积分
附录B：Harris色散关系
附录C：夸父计划
参考文献：
1.	栗弗席兹,Е.М., 皮塔耶夫斯基,Л.Д.,物理动理学（第二版），高等教育出版社，2007. 
2.	Gurnett, D. A., Bhattacharjee, A., Introduction to Plasma Physics with Space and Laboratory Application, Cambridge University Press, 2005.
3.	Krall, N. A., and A. W. Trivelpiece, Principles of Plasma Physics, Berkeley, CA: San Francisco Press, 1986.
4.	胡希伟，等离子体理论基础，北京大学出版社，2006. 

十二、 碰撞算子与BBGKY理论
等离子体性质是大量带电粒子同时相互作用的外在表现。动理学方程的碰撞算子存在集中简化的模型，适用于完全电离等离子体的Fokker－Planck微分碰撞算子，适用于弱电离等离子体的Boltzmann积分碰撞算子及Landau碰撞算子，BBGKY理论则提供了解决问题的数学理论框架。
12.1. Landau方程
Coulomb碰撞，小角度碰撞，Landau方程
12.2 Fokker-Planck方程
Fokker-Planck方程，试探粒子的慢化	，等离子体电导率
12.3 BBGKY理论
BBGKY级次方程组，单粒子和两粒子	，无磁场的Landau方程
附录A：两体碰撞问题
附录B：Boltzmann算子
附录C：蔡诗东先生
参考文献：
1.	栗弗席兹, Е. М., 皮塔耶夫斯基, Л.Д.,物理动理学（第二版），高等教育出版社，2007. 
2.	Ichimaru, S., Statistical Plasma Physics, Vol. I: Basic Principles, Addison-Wesley Pub. Comp., 1992.
3.	胡希伟，等离子体理论基础，北京大学出版社，2006.

十三、 有界等离子体系统
有界等离子体系统，是基本等离子体研究，等离子体技术和聚变研究的基础．等离子体由金属面或介电面分离，形成等离子体鞘层，介绍了最经典的Langmuir探针原理．经典Pierce二极放电系统是最简单的有界等离子体系统；粒子捕集技术需要研究非中性等离子体行为，磁控管的基本原理．
13.1 Langmuir探针
等离子体鞘层， Lagnmiur探针，电双层
13.2 Pierce二极放电系统
Pierce 不稳定性，Pierce模型，二极管电流
13.3 Diocotron不稳定性
Brillouin 流动，Diocotron波动方程	， 能量分析
参考文献
1.	M.A. Lieberman, A.J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, John Wiley & Sons, Inc., 2005 (等离子体放电原理与材料处理，科学出版社，2007.)
2.	Francls F. Chen, , Jane P. Chang, Principles of Plasma Processing, Kluwer Academic/Plenum Pub., 2003
3.	I. H. Hutchinson, Principles of Plasma Diagnostics, 2ed edition, Cambridge University Press, 2002.
4.	A. A. Ovsyannikov , M. F. Zhukov (ed.), Plasma Diagnostics, Cambridge Int. Sci. Pub., 2005.

十四、尘埃等离子体
由强烈相互作用的电子，离子，中子和微粒组成的复杂等离子体，集中探讨携带大量基本电荷的尘埃粒子引入的新物理，研究尘埃等离子体的特定方法，从尘埃等离子体加深对经典等离子体理解。

14.1 尘埃充电
汤川屏蔽势，OML理论，尘埃密度的影响	
14.2 作用力
抬升与约束，离子曳力，汤川球
14. 3尘埃等离子体波
一维晶格波，二维晶格波，尘埃密度波
附录：汤川秀树
参考文献
1.	Ichimaru, S., Statistical Plasma Physics, Vol. I: Basic Principles, Addison-Wesley Pub. Comp., 1992.
2.	Vladimirov, S.V., et al., Physics and Applications of Complex Plasmas, Imperial College Press,2005.
3.	Lieberman, M. A., Lichtenberg, A. J., Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, John Wiley & Sons, Inc., 2005; 等离子体放电原理与材料处理，科学出版社，2007.
4.	Tsytovich, V. N., et al., Elementary Physics of Complex Plasmas, Springer, 2008. 
5.	Bonitz, M. , et al. (eds.), Introduction to Complex Plasmas, Springer, 2010.

十五、量子等离子体
当带电粒子热de Broglie波长变得能够与等离子体系统的空间尺度相当时，量子效应在等离子体动力学中有重要的作用。在室温和标准的金属密度下，金属中电子气可以组成一个真正的量子等离子体。量子效应在电子元件的行为中起到关键作用，在一些天体物体的极端条件下中存在，温度即使达到聚变等离子体的温度，但是仍然保持量子行为。
15.1经典与量子
量子效应， 特征尺度， 能量耦合参数
15.2 Wigner–Poisson 系统
Wigner函数， Hartree平均场近似，静电量子等离子体
15.3 QHD方程
量子Dawson模式，QHD方程，简并等离子体
附录：量子概念
参考文献：
1.	Л. Д. 朗道，E. A. 栗弗席兹，量子力学(非相对论理论)，第6版，高等教育出版社，2008.
2.	P. K. Shukla, B. Eliasson, Nonlinear aspects of quantum plasma physics, Physics – Uspekhi, 53: 51 -76 , 2010. 
3.	F. Haas, Quantum Plasmas: An Hydrodynamic Approach, Springer, 2011.	
4.	Ichimaru, S. Statistical Plasma Physics, vol.II: Condensed Plasma, Westview Press, 2004.

十六、MHD湍流
湍流在自然界的发生如同生命一样丰富多彩，是空间扩展非线性耗散系统中许多尺度同时激发并强烈耦合的范例。湍流在MHD中扮演着重要的角色，湍流研究发展比电磁学定律晚得多，反映克服处理非线性和随机过程内在的困难多么不易。
16．1 均匀各向同性湍流
关联函数，Kolmogorov湍流，两点闭合：QNA近似
16.2低维MHD湍流
1维MHD湍流，正向与反向串级，自相似谱
16.3不可压缩 MHD湍流
绝对平衡分布，速度与磁场的动力校准， MHD湍流的各向异性
附录：周培源 先生
参考文献
1.	P. H. Diamond, S.-I. Itoh and K. Itoh, Modern Plasma Physics Vol.1: Physical Kinetics of Turbulent Plasmas, Cambridge University Press, 2010.
2.	D. Biskamp, Magnetohydrodynamical Turbulence, Cambridge University Press, 2003. 
3.	S. B .Pope, , Turbulent Flows, Cambridge University Press , 2000.
4.	M. Lesieur, Turbulence in Fluids: Fourth Revised and Enlarged Edition, Springer, 2008.
5.	A. S. Monin and A. M. Yaglom, Statistical Fluid Mechanics: Mechanics of Turbulence, vol. 1 & 2, Dover Publications, 2007

十七、Langmuir波湍流
等离子体中非线性现象可以分成本质非线性化问题，波－粒相互作用和波－波相互作用三种主要类型。多成分多尺度使得等离子体中的波湍流独具特色，Langmuir波与离子声波的相互作用代表等离子体湍流典型特征。
17.1 拟线性理论
拟线性方程，Landau阻尼，粒子的俘获
17.2  参量不稳定
 耦合振子， 两类基本机制，波相互作用类型
17.3 Langmuir弱湍流
非线性波动耦合方程，波动动理学方程，准粒子动理学
附录：等离体子Plasmon
参考文献：
1.	Krall, N. A., and A. W. Trivelpiece, Principles of Plasma Physics, Berkeley, CA: San Francisco Press, 1986.
2.	Kono, M., Skoric, M. M., Nonlinear Physics of Plasmas, Springer, 2010.
3.	Diamond, P. H., Itoch, S.-I., Itoh, K., Physical Kinetics of Turbulent Plasma, Modern Plasma Physics, vol.1, Cambridge University Press, 2010.
4.	Swanson, D. G., Plasma Waves, 2ed Ed. Institute of Physics Publishing, Bristol, 2003. 
5.	Nazarenko, S., Wave Turbulence, Springer-Verlag, 2011.

十八、 涡旋，孤波与坍缩
等离子体中非线性作用引起孤波。Zakharov方程捕捉住离子声波与Langmuir波相互作用的显著特征，自聚焦与绕射作用导致NLS孤波，在三维空间中发生坍缩。
18.1 涡旋与坍缩
驱动涡旋运动的漂移，单极涡旋的自组织，点涡旋描写
18.2 离子声孤波
孤立波，离子束孤子激发，Fermi–Pasta–Ulam 问题
18.3 Langmuir孤波
Zakharov方程，自聚焦， 孤波稳定性
附录：Vladimir Evgen’evich Zakharov
参考文献：
1.	Kono, M., Skoric, M. M., Nonlinear Physics of Plasmas, Springer, 2010.
2.	Diamond, P.H., Itoch, S.-I., Itoh, K., Physical Kinetics of Turbulent Plasma, Modern Plasma Physics, vol.1, Cambridge University Press, 2010.
3.	Swanson, D. G., Plasma Waves, 2ed Ed. Institute of Physics Publishing, Bristol, 2003. 
4.	Boyd, R.W. et al. , Self-focusing: Past and Present, Springer, 2009.
5.	Nazarenko, S., Wave Turbulence, Springer, 2011.
6.	Chorin, A. J., Vorticity and Turbulence, Springer, 1994. 

教学手段与方法：
课堂讲授18讲，每讲2学时；4次习题课，每次2学时；阅读报告交流4学时。
考核方式：平时作业（40%）＋ 笔试（60%，开卷）

参考文献：如上分列。