Вещество в сильном световом поле

Программа
ВЕЩЕСТВО В СИЛЬНОМ СВЕТОВОМ ПОЛЕ (7 семестр, 36 часов) 1. Введение. Принципиальные особенности вложения энергии в вещество с помощью лазерного излучения: концентрация световой энергии в малых объемах (порядка l3) и в малые промежутки времени (вплоть до фемтосекунд).
2. Лазерный разогрев свободных зарядов. Разогрев в поле лазерного излучения. Квантовая и классическая трактовка. Ограничения, связанные с законами сохранения. Рассеяние электромагнитных волн электроном, эффект отдачи. Роль дефазирующих столкновений – механизм обратного тормозного поглощения (классическая модель).
3. Излучение и вещество в тепловом равновесии. Основные законы теплового излучения. Формула Планка. Статистика Бозе-Эйнштейна. Объемно-спектральная плотность осцилляторов. Формула Планка в космологии. «Стандартная модель» взрыва Вселенной (теория Большого Взрыва). Реликтовое излучение как проявление закона Планка в масштабе всей Вселенной. Интенсивность излучения и температура нагрева. Закон Стефана-Больцмана. Эквивалентная температура лазерного излучения (оценка по формуле Планка). Предельная температура нагрева (оценка по закону Стефана-Больцмана). Закон смещения Вина. Максимумы распределения объемно-спектральной плотности излучения (шкала частот, шкала длин волн).
4. Основные свойства вещества в плазменном состоянии. Коллективные свойства плазмы, квазинейтральность и плазменные (лэнгмюровские) колебания. Степень ионизации (формула Саха). Классификация видов плазмы по температуре и концентрации электронов. Ионосфера, газовые лазеры, плазма металлов, технологическая плазма, плазма для управляемого термоядерного синтеза: токамаки, лазерный термоядерный синтез. Вырожденная плазма. Объемная плотность состояний. Энергия Ферми, ее связь с концентрацией электронов. Потенциал ионизации, работа выхода. Температура вырождения. Всестороннее сжатие (имплозия) как способ получения вырожденной плазмы. 'Металлический водород'.
5. Столкновение частиц в плазме. Среднее время между столкновениями. Функция распределения для вероятности столкновений. Длина свободного пробега. Газокинетическое сечение столкновений. Соотношение между сечением, длиной свободного пробега и концентрацией частиц. Столкновение заряженных частиц. Частота столкновений электрона с нейтральными частицами. Зависимость мечения упругого рассеяния от энергии электронов при столкновениях с атомами (эффект Рамзауэра). Столкновение электрона с одиночным ионом. Прицельный параметр. Движение заряженных частиц в поле многих заряженных центров. Кулоновский логарифм. Электронная и ионная температура.
6. Явления переноса в плазме. Электропроводность как перенос заряда из-за градиента вещества. Стационарная и нестационарная электропроводности. Немагнитная индуктивность свободных электронов. Электрический ток в плазме. Подвижность носителей зарядов, среднее время между столкновениями электронов, удельная электропроводность, их зависимость от электронной температуры. Проводимость плазмы. Диффузия как перенос вещества из-за градиента концентрации. Законы диффузии. Соотношения между коэффициентом диффузии, подвижностью частиц и температурой. Теплопроводность как перенос энергии из-за градиента температуры. Коэффициент теплопроводности и коэффициент температуропроводности. Связь между коэффициентов диффузии, коэффициентом теплопроводности и коэффициентом температуропроводности. Вязкость (внутренне трение) как перенос импульса из-за поперечного градиента скорости.
7. Плазма в электромагнитном поле. Система уравнений Максвелла (в системе СИ) и следствия из них. Волновое уравнение. Объемная плотность энергии электрического и магнитного полей. Интенсивность электромагнитного излучения и его связь с электрическим и магнитным полями (формулы для практических оценок). Поле поляризационных (смещенных) зарядов. Общие формулы для диэлектрической проницаемости и коэффициента преломления. Прохождение электромагнитных волн через плазму. Плазма в переменном электрическом поле. Критическая (плазменная) частота. Явления в подкритическом диапазоне частот. Высокочастотный скин-эффект. Отражение электромагнитной волны от границы подкритической области. Явления в надкритическом диапазоне частот. Особенности смещения зарядов в плазме. Немагнитная индуктивность. Электрическое поле в плазме. Особенности относительной диэлектрической проницаемости, коэффициент преломления. Фазовая и групповая скорости света в плазме, дисперсия. Поглощение электромагнитной волны на свободных электронах из-за их столкновений. Прохождение электромагнитной волны через плазму.
8. Механическое (пондеромоторное) действие лазерного света на вещество. Передача импульса при взаимодействии света с веществом. Давление лазерного излучения на газ свободных электронов. Свободные заряды в стоячей электромагнитной волне. Градиентное высокочастотное давление. Электромагнитные (лазерные и СВЧ) ловушки ионов и электронов. Лазерное управление движением атомов и ионов. Давление лазерного излучения на макроскопические тела. Оптическая левитация. Светоиндуцированный дрейф частиц в газе.
9. Оптический пробой прозрачных диэлектриков. Ударная ионизация атомов. Лазерно-индуцированная электронная лавина в газе. Скорость ионизации атомов в газе в условиях электронной лавины. Зависимость порога пробоя от давления газа. Распространение оптических зарядов в газе. Эрозионная лазерная плазма. Роль неоднородностей и поглощающих включений при оптическом пробое прозрачных твердых тел.
Оптическая стойкость материалов, генерация мощных акустических волн при лазерном пробое. Генерация рентгеновского излучения при действии лазерного излучения на твердые мишени.
10. Ионизация атомов лазерным излучением. Туннельный эффект в постоянном электрическом поле. Туннельный эффект и многофотонная ионизация в поле световой волны: теория Л.В.Келдыша. водородоподобный атом во внешнем поле. Потенциальный барьер. Ширина барьера и его высота в зависимости от внешнего поля. Условие квазистатичности. Туннельный эффект как случай относительно высоких частот и низких интенсивностей (по отношению к туннельному эффекту. Закон сохранения энергии для начального и конечного состояний квантовой системы. Ступенчатое поглощение, его отличие от многофотонного. Вероятность многофотонного поглощения, зависимость от интенсивности света.
11. Лазерный термоядерный синтез с инерциальным удержанием плазмы. Термоядерные реакции. Кулоновский потенциальный барьер. Роль туннельного эффекта. Вероятность реакции ядерного синтеза при столкновении. Сечение столкновения и сечение термоядерной реакции. Управляемый термоядерный синтез. Самоподдерживающиеся термоядерные реакции. Критерий Лоусона. Сжатие сферической мишени. Схема процессов, приводящих к сжатию мишени. Неустойчивости в ЛТС-плазме и способы их подавления (ВКР - 'размножение' световых частот). Перспективы практического осуществления УТС.
12. Вещество в сверхсильных оптических полях. Характерные интенсивности лазерного излучения в атомной и электронной физике сверхсильных полей: 'атомная', релятивистская, туннельная, критическая для физического пробоя вакуума. Лазерные системы, генерирующие сверхсильные оптические поля.

& Литература
1. Коротеев Н.И., Шумай И.Л. Физика мощного лазерного излучения. М. - Наука, 1991, гл.2.
2. ЛандауЛ.Д., Лифшиц И.М. Электродинамика сплошных сред. М.- Наука, 1980, гл.1.
3. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.- Наука, 1987.
4. Дюдерштадт Дж., Мозес Г. Инерциальный термоядерный синтез. М. - Энергоиздат, 1984, гл. 5
5. Ашкин А. Давление лазерного света. //УФН, 1973, т.110, ?1, с.101-114.
6. Летохов В.С., Миногин В.Г. Давление лазерного света на атомы. М.- Наука, 1986.
7. Елютин П.В. Теоретические основы квантовой радиофизики. М.- МГУ, 1982, гл.5,6.
8. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М.- Атомиздат, 1979.
9. Виноградова М.В., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. М.- Наука, 1979.
10. Делоне Н.Б., Крайнов В.П. Атом в сильном поле. М.- Атомиздат, 1978.
11. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М.- Наука, 1990.
12. Чен Ф. Введение в физику плазмы. М.- Мир, 1987.
13. Летохов В.С. Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах. М.- Наука, 1983, гл.1,2,3,5,7.
14. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.- Наука, 1990.
15. Поль Р.В. Оптика и атомная физика. М.- Наука, 1966.


Программу составили:
профессор Н.И. Коротеев
профессор А.З. Грасюк
доцент А.Б. Федотов