Броуновское движение неупругой частицы в идеальном газе.

XXVIII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 19-23 февраля 2001 г.
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ НЕУПРУГОЙ ЧАСТИЦЫ В ИДЕАЛЬНОМ ГАЗЕ
А.М. Игнатов, С.А. Майоров, *С. А. Тригер, **П.П.Дж.М. Шрам
Институт общей физики РАН, г. Москва, Россия
*
Институт высоких температур РАН, г. Москва, Россия
**
Технический университет, г. Эйндховен, Нидерланды
В пылевой плазме обычно полагается, что макрочастица находится в равновесии с
атомами газа, плотность которого значительно выше плотности заряженных частиц. Как
показали результаты моделирования броуновского движения в плазме [1], средняя
кинетическая энергия броуновского движения имеет порядок электронной температуры, а
при наличии ионного потока может происходить раскачка частицы [2]. В настоящей работе
на основе численного моделирования методом молекулярной динамики исследуются
кинетические характеристики броуновского движения неупругой частицы в идеальном газе.
Ранее расматривался случай одномерного движения [3], здесь рассматривается случай
трехмерного движения при различных граничных условиях, описывающих взаимодействие
атомов с броуновской частицей. Результаты численного моделирования показывают, что
неупругая броуновская частица, находящаяся в равновесном идеальном газе, имеет
максвелловское (равновесное) распределение по энергии поступательного движения, но с
температурой, отличающейся от температуры газа. Показано, что используемые при
построении кинетических теорий допущения [4] не оправданы, так как приводят к
существенно другому результату (см. [5]). Рассмотрены новые граничные условия,
адекватные физической ситуации.
Выполнены расчеты функций скоростей массивной М=100 частицы, сталкивающейся с
500 атомами массы m=1, помещенными в куб с зеркальными или термостатирующими
стенками при Т=1. Для различных граничных условиях, описывающих соударение атома с
поверхностью броуновской частицы, получены следующие результаты:
1) если столкновения с атомами упругие и броуновская частица свободно перемещается
внутри куба, то функция распределения частицы по энергиям практически совпадает
с равновесной при Т=1;
2) то же самое, но частица находится в параболической потенциальной яме - функция
распределения частицы по энергиям также практически совпадает с равновесной при
Т=1;
3) масса броуновской частицы при неупругом столкновении с атомами увеличивалась
(модель липкой частицы), частица свободно перемещается внутри куба, тогда
функция распределения получается максвелловской с Т=0.7544, которая ниже
значения Т=4/5 [5];
4) то же самое, но в параболическом потенциале глубины 100. Получено значение
Т=0.787, что практически совпадает с теоретическим Т=4/5 [5];
5) если столкновения частицы с атомами неупругие (модель мягкой частицы), при
которых масса увеличивается на единицу, а затем теряется без изменения скорости,
то функция распределения практически совпадает с равновесной при Т=1/2 ;
6) если столкновения частицы с атомами неупругое, при котором пренебрегается
ростом массы при вычислении скорости частица после столкновения, то функция
распределения практически совпадает с равновесной при Т=2, что согласуется с
результатом работы [4].
Работа выполнена при финансовой поддержке N.W.O. (Нидерланды).
XXVIII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 19-23 февраля 2001 г.
[1].
[2].
[3].
[4].
[5].
Игнатов А.М., Майоров С.A., Тригер С.А., Шрам П.П.Дж. //КСФ ФИАН, 2000, №7, с.7.
Владимиров С.В., Крамер Н, Майоров С.A. // Кр. сообщ. по физике ФИАН, 2000, №10.
Майоров С.A. // Краткие сообщения по физике ФИАН, 2001.
Zagorodny A., Schram P.P.J.M., Trigger S.A. // Phys. Rev. Lett., 84, No. 16, 3594(2000).
Ignatov A.M., Trigger S.A. //URL address: arxiv.org/abs/physics/0006072.