Langmuir-hullámok

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A Langmuir hullámok vagy más néven plazmaoszcilláció, elektromosan vezető közegben, például plazmában vagy fémekben, az elektronok sűrűségében bekövetkező gyors változásokat jelentik. A rezgéseket a szabad elektronok instabilitásaként is lehet jellemezni.

A Langmuir hullámokat elsőként Irving Langmuir amerikai fizikus és Lewi Tonks írta le az 1920-as években.

Keletkezésük[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Tételezzük fel, hogy egy elektromosan semleges plazmában, melyet pozitív töltésű ionokból és negatív töltésű elektronokból álló gáz alkot, egyensúlyi állapot van. Ha parányi mértékkel megnöveljük az elektronok számát az ionokhoz viszonyítva, a Coulomb erő az elektronokat visszahúzza.

Hideg elektronok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ha az elektronok termikus mozgását elhanyagoljuk, a töltések plazmafrekvenciával rezegnek:

\omega_{pe} = \sqrt{\frac{n_e e^{2}}{m^*\varepsilon_0}}, \left[rad/s\right]
 \omega_{pe} = \sqrt{\frac{4 \pi n_e e^{2}}{m^*}},

ahol

n_e : elektronsűrűség

e: elektromos töltés

m*: az elektronok hatásos tömege

\varepsilon_0: a vákuum permittivitása

Megjegyzés: a fenti képlet csak akkor érvényes, ha az ionok tömegét végtelennek tekintjük. Ez jó közelítést ad, mivel az elektronok sokkal könnyebbek, mint az ionok.

A képletet módosítani kell elektron-pozitron párt tartalmazó plazma esetén, ami gyakran előfordul az asztrofizikában.[1]

Megjegyzendő, hogy ha m^* az elektrontömeg, az \omega_{pe} plazmafrekvencia csak az elektronok koncentrációjától (n_e) és a fizikai állandóktól függ.

Az

f_{pe}=\omega_{pe}/2\pi

plazmafrekvencia számszerű értéke:

f_{pe} \approx 8980 \sqrt{n_e} Hz,

ahol n_e az elektronok száma 1 cm−3-ben.

Meleg elektronok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ha az elektronok termikus sebességének (v_{e,th} = \sqrt{\frac{k_B T_{\mathrm{e}}}{m_e}}) hatását is számításba vesszük, az elektronnyomás és az elektromos tér visszaállító erőként működik.[2]


\omega^2 =\omega_{pe}^2 +\frac{3k_BT_{\mathrm{e}}}{m_e}k^2=\omega_{pe}^2 + 3 k^2 v_{\mathrm{e,th}}^2

Ezt Bohm-Gross diszperziós egyenletnek nevezik.

Ha a térbeli kiterjedés nagy a Debye-hosszhoz képest, a rezgéseket csak gyengén befolyásolja a nyomás; azonban kis méretekben a nyomás dominál, és a hullámok sebessége \sqrt{3} \cdot v_{e,th} lesz.

Ilyen hullámok esetén az elektronok termikus sebessége nagyságrendileg a fázissebesség tartományába esik, így


v \sim v_{ph} \ \stackrel{\mathrm{def}}{=}\   \frac{\omega}{k},

így a plazmahullámok elektronokat gyorsíthatnak fel, amik nagyjából a hullámok fázissebességével mozognak.

Fémben vagy félvezetőben az ionok potenciálját is figyelembe kell venni.

Érdekességek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • 2006-ban a Texasi Egyetem plazmafizikusai le tudták fényképezni a Langmuir hullámokat, amiket egy 30 TW-os lézer állított elő.[3]

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Fu, Ying. Optical properties of nanostructures. Pan Stanford, 201. o (2011) 
  2. * Andreev, A. A. (2000), An Introduction to Hot Laser Plasma Physics, Huntington, New York: Nova Science Publishers, Inc., ISBN 1-56072-803-5
  3. Fastest waves ever photographed

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Longair, Malcolm S. (1998), Galaxy Formation, Berlin: Springer, ISBN 3-540-63785-0

Andreev, A. A. (2000), An Introduction to Hot Laser Plasma Physics, Huntington, New York: Nova Science Publishers, Inc., ISBN 1-56072-803-5

Fordítás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Ez a szócikk részben vagy egészben a Plasma oscillation című angol Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel.