等離子體物理學

等離子體內部存在着很多種運動形式，並且相互轉化着，高温等離子體還有多種不穩定性。因此等離子體研究是個非常複雜的問題。雖然知道了描述等離子體的基本數學方程，但這組方程非常難解，目前還很難用以準確預言等離子體的性質和行為。等離子體的實驗研究，因為因素複雜多變，所以難度也很大，目前精確度還不高。現在正在大力進行這方面的研究，以期能夠發展出一套方法，使等離子體的温度升高到一億度以上，並能控制它的不穩定性，在足夠長的時間內，將它約束住，使熱核反應得以比較充分地進行下去。

從1928年I.朗繆爾首先引入等離子體的名詞以來，伴隨着氣體放電、天體物理和空間物理、受控熱核聚變以及低温等離子體技術應用（如磁流體發電、等離子體冶煉、等離子體化工、氣體放電型的電子器件以及火箭推進劑等）的研究，作為它們的實驗和理論基礎的等離子體物理學迅速發展，逐漸成為一個獨立的學科。由於等離子體種類繁多，現象複雜，應用廣泛，等離子體物理學正從實驗研究、理論研究、數值計算三個方面，互相結合地向深度和廣度發展。對於天體、空間和地球上的各種天然等離子體，主要通過包括高空飛行器和人造衞星在內的各種觀測手段，接收它們發射的各種輻射和粒子進行研究。根據大量觀測結果，結合天體物理、空間物理和等離子體物理的理論研究，進行分析綜合，逐步深入地瞭解天然等離子體的現象、性質、結構、運動以及演化規律。在受控熱核聚變中，研究的目的是利用處於等離子體狀態的輕核，實現聚變反應，以獲取大量的能量。

等離子體物理學的理論研究包括粒子軌道理論，磁流體力學和等離子體動理論3個方面，前兩者是近似方法，後者是嚴格的統計方法。

把等離子體看成由大量獨立的帶電粒子組成的集體，只討論單個帶電粒子在外加電磁場中的運動，而忽略粒子間的相互作用。粒子軌道理論適用於稀薄等離子體，對於稠密等離子體也可提供某些描述，但由於沒有考慮重要的集體效應，侷限性很大。粒子軌道理論的基該方法是求解粒子的運動方程。在均勻恆定磁場條件下，帶電粒子受洛倫茲力作用，沿着以磁力線為軸的螺旋線運動（見帶電粒子的迴旋運動）。如果還有靜電力或重力，或磁場非均勻，則帶電粒子除了以磁力線為軸的螺旋線運動外，還有垂直於磁力線的運動——漂移。漂移是粒子軌道理論的重要內容，如由靜電力引起的電漂移、由磁場梯度和磁場曲率引起的梯度漂移和曲率漂移等都是。粒子軌道理論的另一個重要內容是浸漸不變量（曾稱絕熱不變量）。當帶電粒子在隨空間或時間緩慢變化的磁場中運動時，在一級近似理論中，存在着可視為常量的浸漸不變量。比較重要的一個浸漸不變量是帶電粒子迴旋運動的磁矩，等離子體的磁約束以及地磁場約束帶電粒子形成的地球輻射帶即範艾倫帶等，都可以利用磁矩的浸漸不變性來解釋。

把等離子體當作導電的流體來處理，它是等離子體的宏觀理論。導電流體除了具有一般流體的重力、壓強、粘滯力外，還有電磁力。當導電流體在磁場中運動時，流體內部感生的電流要產生附加的磁場，同時電流在磁場中流動導致的機械力又會改變流體的運動。因此，導電流體的運動比通常的流體複雜得多，磁流體力學的方程組是流體力學方程（包括電磁作用項）和麥克斯韋方程的聯立。磁流體力學適宜於研究稠密等離子體的宏觀性質如平衡、宏觀穩定性以及冷等離子體中的波動問題（所謂冷等離子體是指等離子體的温度較低，熱壓強可以忽略）。平衡問題研究磁約束等離子體的壓強被磁力平衡的條件以及可能的平衡位形。宏觀不穩定性對平衡具有嚴重的破壞作用，它的種類很多，有扭曲不穩定性、交換不穩定性、撕裂模不穩定性等，這些問題的研究對受控熱核聚變裝置中磁約束的等離子體來説，是十分重要的（見等離子體不穩定性）。等離子體中的波是等離子體的基本運動形態，波的研究意義重大，磁流體力學可研究冷等離子體中的波，如尋常波和非常波，迴旋波，剪切阿爾文波，哨聲等。但由於磁流體力學不考慮粒子的速度空間分佈函數，無法揭示波和粒子的相互作用以及微觀不穩定性等一系列重要性質。磁流體力學適用於緩慢變化的等離子體現象，在這種情形，等離子體近似地處於局域的熱平衡狀態，才可以用宏觀參量來描述等離子體的宏觀運動。

等離子體動力論是等離子體非平衡態的統計理論，即等離子體的微觀理論，這是嚴格的理論。與氣體不同，由於等離子體包含大量帶電粒子，其間的主要作用是長程的集體庫侖作用，因此需要重新建立粒子分佈函數隨時間的演化方程，它是等離子體動力論的出發點。已經建立的在不同條件下適用的等離子體動力論方程有弗拉索夫方程，福克爾-普朗克方程 ，朗道方程等。等離子體動力論適宜於研究等離子體中的弛豫過程和輸運過程。等離子體弛豫過程是從非平衡的速度分佈向熱平衡的麥克斯韋分佈過渡的過程，可用各種弛豫時間來描述。輸運過程是穩定的非平衡態有物質、動量、能量流動的過程，包括電導、擴散、粘性、熱導等，用各種輸運係數描述。輸運過程是受控熱核聚變研究的重大課題，尤其是其中出現的不能用碰撞理論解釋的反常輸運現象。等離子體動力論還適宜於研究等離子體中種類繁多的波和微觀不穩定性問題。只有動力論才能給出在無碰撞情形由於粒子對波的共振吸收所導致的朗道阻尼。起源於空間不均勻性或速度空間不均勻性等原因的微觀不穩定性是宏觀理論無法研究的，只能由動力論給出。動力論還可以討論等離子體中的漲落效應。等離子體動力論是嚴格的理論，由動力論方程可以導出磁流體力學的連續方程、動量方程和能量方程，指明各種不同形式的磁流體力學方程的近似條件和適用範圍。

在現有的等離子體理論中，無論磁流體力學方程或動力論方程，都是非線性的偏微分方程，難於嚴格求解析解。為了求得解析解，只能採用經過大大簡化的物理模型，其結果往往是許多過程和效應都被掩蓋了。因而藉助於計算機的數值計算在等離子體研究中的作用越來越大，已經成為與實驗研究和理論研究相配合的重要研究方法。等離子體輻射是等離子體物理的一個重要組成部分，等離子體輻射的分析研究是瞭解等離子體性質和運動特徵的基礎，對於天體和空間的等離子體來説，輻射幾乎是認識它們的唯一途徑。另外，輻射又是等離子體能量損耗的重要方式，這在受控熱核聚變研究中尤其重要。

從20世紀20年代特別是50年代以來，等離子體物理學已經取得了許多重要進展，成為物理學中一個十分活躍的分支。隨着天體和空間觀測的進一步開展，以及受控熱核聚變和低温等離子體應用的進一步研究，可以期望等離子體物理學將繼續取得重大成果。

等離子體（等離子態，電漿，英文：Plasma）是一種電離的氣體，由於存在電離出來的自由電子和帶電離子，等離子體具有很高的電導率，與電磁場存在極強的耦合作用。等離子態在宇宙中廣泛存在，常被看作物質的第四態（有人也稱之為“超氣態”）。等離子體由克魯克斯在1879年發現，“Plasma”這個詞，由朗廖爾在1928年最早採用。

* 1 常見的等離子體

* 2 等離子體的性質

o 2.1 電離

o 2.2 組成粒子

o 2.3 速率分佈

* 3 參見

等離子體是存在最廣泛的一種物態，目前觀測到的宇宙物質中，99%都是等離子體。

* 人造的等離子體

o 熒光燈，霓虹燈燈管中的電離氣體

o 核聚變實驗中的高温電離氣體

o 電焊時產生的高温電弧

* 地球上的等離子體

o 火焰（上部的高温部分）

o 閃電

o 大氣層中的電離層

o 極光

* 宇宙空間中的等離子體

o 恆星

o 太陽風

o 行星際物質

o 恆星際物質

o 星雲

* 其它等離子體

等離子態常被稱為“超氣態”，它和氣體有很多相似之處，比如：沒有確定形狀和體積，具有流動

等離子體和普通氣體的最大區別是它是一種電離氣體。由於存在帶負電的自由電子和帶正電的離子，有很高的電導率，和電磁場的耦合作用也極強：帶電粒子可以同電場耦合，帶電粒子流可以和磁場耦合。描述等離子體要用到電動力學，並因此發展起來一門叫做磁流體動力學的理論。

和一般氣體不同的是，等離子體包含兩到三種不同組成粒子：自由電子，帶正電的離子和未電離的原子。這使得我們針對不同的組分定義不同的温度：電子温度和離子温度。輕度電離的等離子體，離子温度一般遠低於電子温度，稱之為“低温等離子體”。高度電離的等離子體，離子温度和電子温度都很高，稱為“高温等離子體”。

相比於一般氣體，等離子體組成粒子間的相互作用也大很多。

一般氣體的速率分佈滿足麥克斯韋分佈，但等離子體由於與電場的耦合，可能偏離麥克斯韋分佈。

19世紀以來對氣體放電的研究；19世紀中葉開始天體物理學及20世紀對空間物理學的研究；1950年前後開始對受控熱核聚變的研究；以及低温等離子體技術應用的研究，從四個方面推動了這門學科的發展。

19世紀30年代英國的M.法拉第以及其後的J.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現象，這實際上是等離子體實驗研究的起步時期。1879年英國的W.克魯克斯採用“物質第四態”這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。美國的I.朗繆爾在1928年首先引入等離子體這個名詞，等離子體物理學才正式問世。1929年美國的L.湯克斯和朗繆爾指出了等離子體中電子密度的疏密波（即朗繆爾波）。

對空間等離子體的探索，也在20世紀初開始。1902年英國的O.亥維賽等為了解釋無線電波可以遠距離傳播的現象，推測地球上空存在着能反射電磁波的電離層。這個假説為英國的E.V.阿普頓用實驗證實。英國的D.R.哈特里（1931）和阿普頓（1932）提出了電離層的折射率公式，並得到磁化等離子體的色散方程。1941年英國的S.查普曼和V.C.A.費拉羅認為太陽會發射出高速帶電粒子流，粒子流會把地磁場包圍，並使它受壓縮而變形。

從20世紀30年代起，磁流體力學及等離子體動力論逐步形成。等離子體的速度分佈函數服從福克－普朗克方程。蘇聯的Л.Д.朗道在1936年給出方程中由於等離子體中的粒子碰撞而造成的碰撞項的碰撞積分形式。1938年蘇聯的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即棄去碰撞項的無碰撞方程。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出，標誌着動力論的發端。

1942年瑞典的H.阿爾文指出，當理想導電流體處在磁場中，會產生沿磁力線傳播的橫波(即阿爾文波)。印度的S.錢德拉塞卡在1942年提出用試探粒子模型來研究弛豫過程。1946年朗道證明當朗繆爾波傳播時，共振電子會吸收波的能量造成波衰減，這稱為朗道阻尼。朗道的這個理論，開創了等離子體中波和粒子相互作用和微觀不穩定性這些新的研究領域。

從1935年延續至1952年，蘇聯的H.H.博戈留博夫、英國的M.玻恩等從劉維定理出發，得到了不封閉的方程組系列，名為BBGKY鏈。由它可導出符拉索夫方程等，這給等離子體動力論奠定了理論基礎。

1950年以後，因為英、美、蘇等國開始大力研究受控熱核反應，促使等離子體物理蓬勃發展。熱核反應的概念最早出現於1929年，當時英國的R. de阿特金森和奧地利的F.G.豪特曼斯提出設想，太陽內部輕元素的核之間的熱核反應所釋放的能量是太陽能的來源，這是天然的自控熱核反應。1957年英國的J.D.勞孫提出受控熱核反應實現能量增益的條件，即勞孫判據。

50年代以來已建成了一批受控聚變的實驗裝置，如美國的仿星器和磁鏡以及蘇聯的託卡馬克，這三種是磁約束熱核聚變實驗裝置。60年代後又建立一批慣性約束聚變實驗裝置。

環狀磁約束等離子體的平衡問題由蘇聯的V.D.沙弗拉諾夫等解決。美國的M.克魯斯卡和沙弗拉諾夫導出了最重要的一種等離子體不穩定性，即扭曲不穩定性的判據。1958年美國的I.B.伯恩斯坦等提出分析宏觀不穩定性的能量原理。處在環狀磁場中的等離子體的輸運係數首先由聯邦德國的D.普菲爾施等作了研究(1962)，他們給出在密度較大區的擴散係數，蘇聯的A.A.加列耶夫等給出了密度較小區的擴散系散(1967)，這一理論適用於託卡馬克這類環狀磁約束等離子體中的輸運過程被命名為新經典理論。

自從蘇聯在1957年發射了第一顆人造衞星以後，很多國家陸續發射了科學衞星和空間實驗室，獲得很多觀測和實驗數據，這極大地推動天體和空間等離子體物理學的發展。1959年美國的J.A.範艾倫預言地球上空存在着強輻射帶，這一預言為日後的實驗證實，即稱為範艾倫帶。1958年美國的E.N.帕克提出了太陽風模型。1974年美國的D.A.格內特根據衞星資料，證認出地球是一顆輻射星體，輻射千米波。

在此期間，一些低温等離子體技術也在以往氣體放電和電弧技術的基礎上，進一步得到應用與推廣，如等離子體切割、焊接、噴鍍、磁流體發電，等離子體化工，等離子體冶金，以及火箭的離子推進等，都推動了對非完全電離的低温等離子體性質的研究。

等離子體物理學現在已發展成為物理學的一個內容豐富的新興分支。由於等離子體種類繁多、現象複雜、而且應用廣泛，對這一物質狀態的研究，正方興未艾，從實驗、理論、數值計算三個方面，互相結合，向深度和廣度發展。

用實驗方法研究等離子體有如下特點。

對於天然的等離子體，即天體、空間和地球大氣中出現的等離子體，人們不可能用地面上實驗室中的一般方法主動地調節實驗條件或加以控制，而主要只能通過各種日益增多的天文和空間觀測手段，如光學、射電、X射線以及現代的高空飛行器和人造衞星──“空間實驗室”，來接收它們所發射的各種輻射（包括各種粒子）。根據大量的觀測結果，並在天體物理學和空間物理學的認識基礎上，依靠目前已建立的等離子體物理理論和已有的各項基本實驗數據，進行分析和綜合，方能深入地認識這些天然等離子體的現象、本質、結構、運動和演化的規律。

要研究或利用各種人造的等離子體，必須先把它們製造出來；而要製造任何一種新的等離子體或者擴展它的性能參量，又往往必須對它先有一定的認識。由此可見，對於人造等離子體，只能採取邊製造邊研究，研究和製造循環結合、逐步前進的辦法。例如，受控核聚變等離子體的研究，就是通過一代又一代的實驗裝置，來產生具有特定性能的等離子體，逐步提高它們的温度和約束程度。而每一代裝置的設計，又必須在已有等離子體實驗的基礎上，通過理論方面的外推和定量演算，加以確定。特別是較大類型裝置的建造，必須立足於各項經過試驗的、成熟的工程技術，輔之以必需和能夠及時開發出來的單項新技術，例如強流電子束和離子束技術。裝置建成後，實驗的第一步是使用各種儀器手段，對裝置中產生的等離子體進行測量；測量數據要按照已有的理論進行處理，以得出裝置中等離子體具體形成過程和現象細節性質的定性和定量的結果，這些就是等離子體診斷學的內容。對實驗條件的調節和控制也必需有測量診斷的結果作為依據，然後方可接上現代的信息和控制技術，構成閉環的操作，從而推進實驗研究。

實驗結果要同參量條件相對應的理論分析進行對比校驗，以判定實驗及理論的前進方向。等離子體實驗的因素複雜多變，難度大，精確度不高，而理論描述又遠未完善；實驗中意料之外的結果常會出現，而成為理論創新的前導。

包括近似方法和統計方法。

粒子軌道理論和磁流體力學都屬於近似方法。粒子軌道理論是把等離子體看成由大量獨立的帶電粒子組成的集體，只討論單個粒子在外加電磁場中的運動特性，而略去粒子間的相互作用，也就是近似地求解粒子的運動方程。這種理論只適用於研究稀薄等離子體。在一定條件下的稠密等離子體，通過每種粒子軌道的確定，也可對等離子體運動作適當的描寫，也能提供稠密等離子體的某些性質。不過，由於稠密等離子體具有很強的集體效應，粒子間耦合得很緊，因此這種理論的侷限性很大。

磁流體力學不討論單個粒子的運動，而是把等離子體當作導電的連續媒質來處理，在流體力學方程中加上電磁作用項，再和麥克斯韋方程組聯立，就構成磁流體力學方程組，這是等離子體的宏觀理論。它適用於研究稠密等離子體的宏觀性質如平衡、宏觀穩定性等問題，也適用於研究冷等離子體中的波動問題。然而，由於它不考慮粒子的速度空間分佈函數，因此，它無法揭示出波粒相互作用和微觀不穩定性等一系列細緻和重要的性質。

等離子體按其本性是一個含有大量帶電粒子的多粒子體系，所以嚴格的處理方法就是統計方法，即求出粒子分佈函數隨時間的演化過程。這種理論就是等離子體動力論，也稱為等離子體的微觀理論。對於波動和微觀不穩定性，動力論採用符拉索夫方程來研究。對於弛豫過程和輸運問題，動力論採用福克-普朗克方程。

微觀理論可以得到宏觀理論所得不到的許多知識。例如在波動問題方面，只有動力論才能導出朗道阻尼。至於微觀不穩定性，主要討論速度空間中偏離平衡態所引起的不穩定性，這類問題是宏觀理論無法研究的。從動力論方程出發，可以導出磁流體力學的連續方程、動量方程和能量方程。

現有的理論描述中，磁流體力學、符拉索夫方程、福克-普朗克方程都是非線性偏微分方程，包含很多參量，為了求出解析解，物理模型往往過分簡化以至無法精確和全面地包羅各種效應，因此數值計算在等離子體研究中的作用越來越大。另外，由於高温等離子體的實驗和診斷都較難進行，所以自70年代以來，發展了一種數值實驗的方法。就是在大容量的計算機上，用大量粒子來模擬等離子體的運動，以研究它的宏觀和微觀不穩定性等問題。這已成為一種有力的研究方法。

主要研究單個帶電粒子在外磁場中的運動。在均勻恆定磁場中，帶電粒子運動很簡單。平行磁場的是等速運動，垂直磁場的是繞磁力線的圓運動（拉莫爾圓），即帶電粒子的迴旋運動。如果除磁場外，還有其他外力F，則粒子除沿磁場運動外，在垂直磁場方向，一面作迴旋運動，一面作漂移運動。漂移運動是拉莫爾圓的圓心（即導向中心）垂直於磁場的運動，可以由靜電力或重力引起。對於非均勻磁場，漂移也可以由磁場梯度和磁場的曲率等引起。

靜電力引起的正負電荷的漂移相同，因而不形成電流。而非靜電力引起的正負電荷的漂移是相反的，會形成電流。

當磁場隨時間及空間變化十分緩慢時，可以把粒子運動看成是迴旋運動和導向中心運動的疊加。為使問題簡化起見，可以不考慮快速的迴旋運動而只考慮導向中心的運動，這就是漂移近似。在粒子軌道理論中，主要就是採用漂移近似來研究粒子的運動。

在緩變磁場中，有三個絕熱不變量，其中比較重要的一個是粒子的磁矩

寑是垂直於磁場B的速度分量，m是質量。這個性質和帶電粒子在磁力作用下動能不變，使得帶電粒子會被一定形態的非均勻磁場約束住。例如地磁場就能約束帶電粒子形成地球輻射帶（範艾倫帶）。受控熱核聚變的磁鏡裝置也是利用了這個性質來約束等離子體的。

這是等離子體的基本運動形態，因此對等離子體中的波的研究具有極為重要的意義。此外，由於波提供了理論與實驗的聯繫，一旦瞭解波動，就可用波來測量等離子體的各種參量，還可利用波來改變等離子體的狀態，如用波來加熱或約束等離子體。而且，研究波動有着明顯的實用意義，例如波在電離層中的傳播等。波動還和不穩定性等問題緊密關聯，因為不穩定性往往表現為振幅隨時間增長的波。

等離子體中的波動模式非常複雜。既有橫波（波矢k與電場E垂直），也有縱波（k與E平行），也有非橫非縱的波。有橢圓偏振波，也有圓偏振和線偏振波。波的相速可以大於、等於或小於真空光速 с。波的羣速和相速可以平行、不平行或反平行。

波的形式如此之多，這是因為，等離子體中的帶電粒子可以和波的電磁場發生作用而影響波的傳播。如果有外加磁場，則波動、磁場的擾動和粒子的運動互相影響，就使得波的模式更加繁雜。例如，正負電荷的分離，會產生靜電場，其庫侖力是恢復力，由此產生了朗繆爾波；磁力線的彎曲，其張力是恢復力，由此產生了阿爾文波；等離子體中各種梯度，如密度梯度、温度梯度等，會引起漂移運動，漂移可以和波的模式耦合，由此產生了漂移波。

波可以粗分為冷等離子體波與熱等離子體波。

當粒子的熱速遠小於波速，以及迴旋半徑（對磁化等離子體來説）遠小於波長時，這時是冷等離子體，其波動現象採用磁流體力學方法來研究。

非磁化冷等離子體中的波有光波，波速比真空光速с大。對於磁化冷等離子體，它是各向異性的，介電常數成為張量。如同其他各向異性介質中會有兩支波一樣，磁化冷等離子體中也有兩支波：尋常波與非常波。

當等離子體的折射率 n=0時，波被截止而反射，當n→∞時，波與共振粒子作用而被粒子吸收。例如，當波矢k與外磁場平行時，頻率為ω=ωce的非常波會與繞磁場迴旋的電子共振，ω=ωci的尋常波則會與迴旋離子共振，ωce和ωci分別是電子及離子的迴旋頻率，此時，波的能量被吸收，形成迴旋阻尼。

對於熱等離子體，粒子的熱運動以及有限迴旋半徑引進了一些新的模式和新的效應。

非磁化熱等離子體中的波除光波外，還有電子朗繆爾波及離子聲波。朗繆爾波會與速度相近的電子共振而形成朗道阻尼。

磁化熱等離子體中波的一個特點是，由於多普勒效應等原因，頻率為ω=lωce(l=0，1，2，…)的非常波會與迴旋電子共振，ω=lωcil=0，1，2，…)的尋常波會與迴旋離子共振，形成切倫科夫阻尼及迴旋阻尼。

在非均勻等離子體中，除了會產生漂移波外，在一定條件下，不同模式的波可以互相轉化，例如非常波可轉化為尋常波或縱波。　非線性波有激波、無碰撞激波、孤立波等。如考慮到非線性效應，則不同模式的波既可互相轉化，也可互相激發，如橫波可以激發縱波。

波動理論不僅研究色散關係，也研究等離子體中波和波相互作用、等離子體中波和粒子相互作用等。

平衡問題是位形平衡問題的簡稱，它研究在一定的約束條件下，等離子體如何才能在力學上處於靜止狀態。對於磁場約束的等離子體，平衡問題就是用磁壓力來平衡等離子體壓力。

從磁流體力學，可以得到磁約束的平衡方程組（採用高斯單位制）

p是等離子體壓力，J)是電流密度，с是光速。平衡問題從數學上説，就是在給定邊界條件下求解這組方程。

通常是引入一個磁面函數，則平衡方程組轉為一個磁面方程，這樣，平衡問題變成在適當邊界條件下求解磁面方程。

等離子體不穩定性大體上分為宏觀不穩定性及微觀不穩定性兩類。凡是發展的區域遠大於粒子的迴旋半徑和德拜長度等微觀尺度的不穩定性，統稱為宏觀不穩定性；而僅在微觀尺度上發展的不穩定性則稱為微觀不穩定性。

宏觀不穩定性會造成等離子體大範圍的擾動，對平衡具有嚴重破壞作用。它的起因主要是等離子體中儲藏了過剩的與磁場相結合的能量，此外，如等離子體的抗磁性等，也會引起宏觀不穩定性。對於受控熱核聚變裝置中的約束等離子體來説，這是一個十分緊要的問題。

宏觀不穩定性種類很多。除扭曲不穩定性外，比較重要的有交換不穩定性，即等離子體與約束磁揚的位置發生交換；撕裂模，即等離子體被磁場撕裂成細束，等等。

宏觀不穩定性通常都採用磁流體力學來研究。其中能量原理是一種很有效的方法，也就是根據偏離平衡的小位移引起系統的勢能變化，來確定平衡是否穩定。這種方法特別適用於幾何形狀複雜的磁場。除能量原理外，簡正模法也是常用的一種分析方法。它假設擾動量的形式為

。解出的ω一般是複數：ω=ωr+iωi如果ωi>0,則擾動量的振幅會隨t增長，也就是不穩定，反之如ωi<0，系統是穩定的。

微觀不穩定性的起因有多種。一種來自空間的非均勻性，例如密度、温度、磁場的梯度等，這會引起漂移，有可能激發起不穩定性。另一種來自速度空間的不均勻性，如速度、温度、壓力的各向異性。另外，如波和波相互作用等，也可能引起微觀不穩定性。總之，偏離熱平衡態的等離子體具有多餘的自由能，必然要把它釋放出來以趨向平衡態。自由能的釋放就有可能驅動微觀不穩定性。

有微觀不穩定性的等離子體的特徵是出現不斷增長的漲落現象。這往往導致湍流的產生和形成反常輸運現象。

微觀不穩定性的種類極多。重要的有：二流不穩定性，這是由兩束相對流動的粒子所引起；漂移不穩定性，由各種梯度造成的漂移運動所引起；損失錐不穩定性，由速度分佈的各向異性所引起；以及由波和波相互作用引起的參量不穩定性等。微觀不穩定性的理論建立在動力論上，也就是從符拉索夫方程出發來研究的。

通常在研究不穩定性時用的是線性理論，它只能判斷系統穩定與否，有些情況下它能給出初始時刻的不穩定性增長率。當擾動振幅增大後以及在適當情況下趨向飽和的演化問題，需要用非線性理論來研究。

非熱平衡等離子體中向平衡態過渡出現的過程可分為弛豫和輸運兩類。前者是從非熱平衡速度分佈向熱平衡麥克斯韋分佈過渡的過程，後者是描寫穩定的非熱平衡態有物質、動量、能量等在空間流動時的過程。

弛豫過程一般通過各種弛豫時間來描述。這裏最基本的是帶電粒子間的碰撞過程。

帶電粒子間的作用力是長程庫侖力，一個粒子可以同時和德拜長度範圍內的多個粒子發生作用，它們之間可以產生近碰撞（兩個粒子近距離碰撞）和遠碰撞（一個粒子和距離較遠的多個粒子碰撞）。遠碰撞的作用大大超過近碰撞，這是等離子體中帶電粒子碰撞的一個特點。碰撞時間和平均自由程 l都主要由遠碰撞決定。它們是（採用高斯單位制）

式中T為温度，單位為電子伏，m、n為粒子質量及數密度，e為電子電荷，lnΛ為庫侖對數，它反映遠碰撞的效應。

對於高温等離子體，有三個比較重要的弛豫時間：縱向減速時間τ〃，橫向偏轉時間τ寑，能量均化時間τE。電子和離子的弛豫時間並不相同。一個初始為非熱平衡的等離子體，經過碰撞，電子會首先達到熱平衡，爾後離子達到熱平衡，最後達到電子和離子之間的熱平衡。

等離子體中的輸運過程 　包括電導、擴散、粘性和熱導等，它們具有某些特點。特點之一是雙極擴散。例如電子擴散時，電子和離子間的靜電力會使離子跟着一起擴散，結果電子的擴散減慢了，離子的擴散加快了，最後這二者是以相同的速率擴散，這稱為雙極擴散。另一個特點是處在磁場中的等離子體，沿磁場的輸運基本上不受磁場的影響，但橫越磁場的輸運卻受到磁場的阻擋。

處於環形磁場中的高温稀薄等離子體，磁場梯度引起的漂移會改變約束粒子的軌道，從而加大了遷移自由程，這就大大提高輸運係數。分析這種磁場位形所得到的輸運理論名為新經典理論，它仍然是一種碰撞理論。在受控熱核聚變的研究中，這種理論很重要，它在一定程度上解釋了環形裝置中觀察到的較大的離子熱導等輸運係數。

根據目前託卡馬克等的實驗結果，某些輸運係數如電子熱導等有時明顯大於新經典理論的結果。在慣性約束聚變及其他某些實驗中，發現輸運係數明顯小於經典理論的結果。凡是碰撞理論無法解釋的輸運現象就稱為反常輸運。目前流行的觀點是，反常輸運是由湍流等非線性過程所引起。反常輸運已成為當前聚變理論研究中的一個重大課題，因為它關係到能否有效地約束住等離子體的粒子和能量。

對等離子體輻射的研究的意義在於，一方面，這是等離子體能量耗散的一個重要途徑，另外，對輻射的研究也是通過等離子體光譜等方面的細緻分析，來認識等離子體運動的必要基礎。這對於天體物理和空間物理尤其重要，因為對遙遠的等離子體的瞭解，幾乎完全是通過對輻射的研究而獲得的。

等離子體的輻射，有軔致輻射、迴旋輻射、黑體輻射、切倫科夫輻射，以及原子、分子或離子躍遷過程中的線輻射等。

軔致輻射是自由電子與離子碰撞，也就是電子在離子的庫侖場中變速時產生的連續輻射。電子－電子碰撞不改變電子的總動量，所以不產生軔致輻射。

在等離子體中，軔致輻射主要來自遠碰撞，波長一般分佈在紫外線到X射線範圍。對於高温等離子體，這是一項很重要的輻射損失。

迴旋輻射或稱迴旋加速器輻射，是帶電粒子（主要是電子）繞磁力線作迴旋運動時產生的輻射。非相對論性電子的輻射稱為迴旋輻射，它的單色性強，在電子迴旋頻率處以譜線形式出現，電子能量較高時，除基頻外，還以諧頻發出輻射。這種輻射接近各向同性，功率較弱。在等離子體中，由於碰撞等原因，譜線會加寬，當等離子體密度加大時，譜線頻率會向高頻方向移動。

相對論性電子的迴旋輻射稱為同步加速器輻射或同步輻射，輻射功率大，方向性弱，集中在一個小區域內，是連續譜。

自20世紀20年代特別是50年代以來，等離子體物理學已發展成為物理學的一個十分活躍的分支。在實驗上，已經建成了包括一批聚變實驗裝置在內的很多裝置，發射了不少科學衞星和空間實驗室，從而取得大量的實驗數據和觀測資料。在理論上，利用粒子軌道理論、磁流體力學和動力論已經闡明等離子體的很多性質和運動規律，還發展了數值實驗方法。最近半個多世紀來的巨大成就，使人們對等離子體的認識大大深化；但是一些已提出多年的問題，特別是一些非線性問題如反常輸運等尚未得到完善解決，而對天體和空間的觀測的進一步開展，以及受控熱核聚變和低温等離子體應用研究的發展，又必定會帶來更多新的問題。今後一個相當長的時期內，等離子體物理學將繼續取得多方面的進展。