Alquimia del siglo XXI: conversión de deuterio de metal líquido a plasma

¿Qué tienen en común las estrellas, los rayos y las luces del norte? Todos estos "objetos" son hermosos a su manera, a veces el observador evoca pensamientos existenciales y sentimientos románticos. Sin embargo, desde el punto de vista de la física, tienen una característica común: el plasma. Este gas ionizado, considerado el cuarto estado agregado de la materia (además de sólido, líquido y gaseoso), es muy común en la inmensidad del Universo y es producido masivamente por las personas. Hoy consideraremos un estudio en el que los científicos pudieron convertir el deuterio metálico líquido en plasma. ¿Qué se requirió exactamente para esto y cuáles son los resultados de este experimento "alquímico"? Buscaremos respuestas en el informe del grupo de investigación. Vamos

Antecedentes

En primer lugar, vale la pena recordar brevemente que hay plasma y deuterio.

El plasma es un gas ionizado que no es una sustancia en estado gaseoso. Tal juego de palabras físico. Los elementos principales del plasma son electrones e iones libres. Estos tipos son muy móviles, desde donde el plasma conduce perfectamente la corriente eléctrica.

Este estado fue descubierto en 1879 por el físico y químico inglés William Crookes. Él creía que el gas ionizado contiene la misma cantidad de iones y electrones, porque la carga total de dicha sustancia será muy pequeña. Y esto es cierto: las partículas positivas y negativas (en carga) dentro del plasma están en completo equilibrio, es decir, las cargas de las partículas se cancelan entre sí, como resultado de lo cual la carga del campo de plasma interno es cero. Tal neutralización de las cargas entre sí en partículas se llama cuasineutralidad.

El plasma, como dije antes, es el cuarto estado de la materia, aunque no todos los científicos están de acuerdo con esta afirmación. Sin embargo, vale la pena señalar que hay una serie de diferencias con respecto al estado gaseoso "ordinario", que le da al plasma el derecho a ser llamado un cuarto estado separado. Entre estas diferencias se encuentran: alta conductividad eléctrica, muchas partículas independientes entre sí (iones, electrones y partículas neutras), distribución de velocidad no maxwelliana, interacción colectiva de partículas.

Los astrofísicos, los fabricantes de productos electrónicos e incluso los meteorólogos están familiarizados con el plasma. Las estrellas, el viento solar, el espacio exterior, las nebulosas interestelares son plasma. Los rayos, las luces del norte, la ionosfera y las luces de San Elmo son plasma. El contenido de lámparas fluorescentes de neón, motores de cohetes de plasma, monitores y televisores también es un cierto tipo de plasma. En otras palabras, no hay mucho plasma.

En este momento, existen varios métodos para la preparación de plasma en el laboratorio, que incluyen: calentamiento de una sustancia, ionización por radiación (ultravioleta, rayos X, láser, etc.), carga eléctrica, ionización por ondas de choque, etc.

Muy a menudo, se menciona el método térmico para producir plasma, es decir, calentando una determinada sustancia a temperaturas muy altas. Durante este proceso, se producen ciertos cambios en los átomos de la materia: los electrones se desprenden de sus órbitas, lo que resulta en electrones libres por separado e iones separados.



El plasma también se puede obtener haciendo pasar una corriente eléctrica a través de un gas, el método de descarga de gas. En este caso, se produce la ionización de gas, cuyo grado se puede cambiar manipulando los parámetros actuales. Sin embargo, el plasma resultante, que en realidad se calienta con corriente eléctrica, puede enfriarse rápidamente cuando entra en contacto con partículas no cargadas del gas circundante.


Plasma en el garaje (no repita este experimento en casa, si no desea una visita adicional de médicos y bomberos).

Y ahora un poco sobre el deuterio, pero no sobre lo simple, sino sobre el metal.

Para empezar, ¿qué es el deuterio? Este es hidrógeno pesado (D o ² H), es decir, un isótopo de hidrógeno que tiene 1 neutrón y 1 protón en el núcleo (llamado deuterón).


Un video sobre cómo se obtiene el agua pesada del agua común: el deuterio.

Por primera vez, el deuterio se lanzó en 1932 (1931) gracias a los científicos estadounidenses Harold Urey y Ferdinand Brikvedde, que destilaron 5 litros de hidrógeno líquido. El resultado de este procedimiento fue un líquido de 1 ml.

Pero este es el deuterio ordinario, en el estudio que estamos considerando hoy estamos hablando del deuterio metálico. Esta sustancia se obtuvo por exposición a alta presión y altas temperaturas en deuterio.

En 2015, los científicos realizaron un experimento para "convertir" el aislante en un conductor. Fue el deuterio el elegido como sujeto. Enlace de descarga para este informe de estudio.

Y solo después de unos años, el deuterio metálico se convirtió en el objeto de un nuevo estudio en el que los científicos decidieron convertirlo en plasma.

Resultados de la investigación

Durante el estudio, se utilizaron capas esféricas de carbono deuterado llenas de deuterio líquido, que fueron expuestas a varios pulsos láser (100 ps, ​​picosegundos). Este procedimiento hizo posible obtener una onda de choque esféricamente convergente en el propio deuterio líquido (ρ ₀ = 0.172 g / cm ³ ). El pulso láser lanzó un impulso de pulso, que inicialmente produjo un fuerte impacto (hasta ~ 5.5 Mbar), pero no un impacto uniforme, disminuyendo la presión y la velocidad del impacto durante la propagación.


Imagen No. 1

VISAR * (un complejo de un interferómetro de velocidad para cualquier reflector) y un pirómetro óptico * se utilizaron para medir los perfiles de velocidad de choque y la autoemisión de choques pulsados ​​dentro del deuterio líquido.

VISAR * es un sistema de medición de velocidad con resolución de tiempo que utiliza interferometría láser para medir la velocidad superficial de los sólidos que se mueven a alta velocidad.

Pirómetro * - dispositivo de medición de temperatura sin contacto tel.

La Figura 1A muestra los resultados de VISAR: el eje vertical es el impacto dividido por el tiempo (eje horizontal). De esta observación se deduce que la tasa de descomposición es bastante baja en comparación con el tiempo de equilibrio.

El análisis óptico ( 1C ) se realizó directamente sobre la barrera de choque a una profundidad de 30-40 nm. Estas cifras no se tomaron del techo: es lo suficientemente profundo como para observar el estado equilibrado del plasma y lo suficientemente superficial como para monitorear continuamente el estado cambiante del impacto durante su atenuación ( 1B ).

Los científicos también analizaron el coeficiente de reflexión absoluto ( R ), aislado de los indicadores de intensidad del láser VISAR reflejado por el deuterio durante el impacto ( 1E ). Los datos de temperatura se obtuvieron midiendo la radiación espectral de la barrera de choque ( 1D ).

Durante las pruebas, los científicos observaron una atenuación de choque de 60 km / ha 35 km / h, lo que equivale a un rango de presión de ~ 5.5 ... ~ 0.5 Mbar. Dentro de este rango, la densidad prácticamente no cambia (ρ = 0.774, TF = 13.8 eV), sin embargo, se observan cambios de temperatura de 3 a 11 eV (1 eV = 11,603 K). Dadas las propiedades ópticas del deuterio, comprimido a 0.774 g / cm ³ , es decir, indicadores de reflexión, los científicos pudieron verificar sus propiedades electrónicas.

A baja presión, se observa un fuerte acoplamiento y degeneración en la muestra ( ≫ 1, ϴ ≪ 1). Pero con el aumento de la temperatura, son estas características las que cambian en primer lugar. Los científicos distinguen dos estados cuando estos parámetros cambian. En el primero, a 0.15 <ϴ <0.4 y 2.6 <T <6, se observa una reflexión óptica constante de aproximadamente 40%.


Imagen 2: Relación de coeficiente de reflexión y adhesión.

Este valor se describe por el mínimo de conductividad del metal de acuerdo con la regla Mott - Ioffe - Regel, cuando el tiempo para la relajación de los electrones depende de la distancia interatómica ( a ) y la velocidad de Fermi (v _F ): τ _min = a / v _F. La regla Mott - Ioffe - Regel predice que con una ionización completa, el coeficiente mínimo de reflexión óptica debe ser de 0,38 para la emisión de luz a 532 nm. Conclusiones teóricas similares se comparan perfectamente con resultados experimentales prácticos.

El segundo estado ocurre cuando el valor de ϴ excede 0.4 (T ~ 5 eV). En este caso, la reflexión aumenta a ~ 0.7 a T ~ 11 eV (imagen No. 2 ). En este momento, la fuerza cohesiva disminuye cuando el valor de alcanza 1. A una temperatura de 5 eV, se esperaba una ionización de deuterio completa debido a la dependencia teórica del coeficiente de reflexión y el tiempo de dispersión.

Luego, los científicos decidieron probar el efecto del tiempo de dispersión (τ) en la reflectancia observada. Para esto, se determinó el valor de τ para los datos registrados utilizando la fórmula de Fresnel y el modelo de electrones libres.


Imagen No. 3

Gracias a los datos obtenidos ( 3B ), los científicos descubrieron que hasta T / TF ~ 0.4, existirá una superficie de Fermi en un líquido metálico. Pero por encima de este indicador de temperatura, un aumento en el tiempo de relajación estimado implica la ausencia de una limitación en la velocidad permitida, y para lograr un aumento en el coeficiente de reflexión, es necesario un tiempo de relajación más largo, es decir, velocidades térmicas más altas. Por lo tanto, teniendo en cuenta el tiempo de relajación en el área estudiada, los científicos encontraron que τ ~ T1.55 ± 0.04.

Estas cifras están muy cerca del límite clásico no degenerado de un plasma ideal (τ ~ T1.5).

La Figura 3A muestra los resultados de comparar el valor derivado experimentalmente de la conductividad eléctrica con los valores predichos por los dos modelos de transporte en un plasma denso. Estos modelos se reducen a dos restricciones opuestas: Ziman degenerado y Spitzer no degenerado. Sin embargo, no indican la posición exacta del crossover * .

Crossover * : un cambio en los índices críticos de un sistema termodinámico con un cambio en los parámetros externos, durante el cual no se observan cambios en la simetría del sistema o saltos en los parámetros termodinámicos.

Este crossover juega un papel importante en las propiedades termodinámicas y electrónicas de los líquidos conductores densos. Los científicos dan el siguiente ejemplo: el signo del potencial químico del sistema µ (T) cambia de positivo en el límite de Fermi - Dirac a negativo en el plasma de Maxwell, y el calor específico C _υ pasa de C _υ ∝ T / T f en el límite degenerado a C _υ ~ 3 R.


Imagen No. 4

Finalmente, los científicos comparan su creación con experimentos similares, pero no con deuterio, sino con líquido diluido ³ He (helio-3) o con gases alcalinos ultrafríos. En estos sistemas, un cruce similar de las dependencias de temperatura de las propiedades dinámicas del sistema fermiónico atómico ya se refiere a las estadísticas cuánticas (imagen de arriba). A pesar de la diferencia de 8-12 veces los indicadores de temperatura y densidad, las reglas de degeneración en los sistemas Fermi siguen siendo comunes para todos los sistemas.

Los resultados de un experimento práctico están en excelente acuerdo con los datos de los cálculos que utilizan los métodos de Monte Carlo para plasma de hidrógeno denso. Estos cálculos mostraron un reordenamiento / intercambio significativo de electrones en el plasma a T <0.4 TF para diferentes densidades. Elevar la temperatura por encima de este indicador reduce significativamente la probabilidad de intercambio cuántico entre dos o más electrones. Dado que la permutación / intercambio de electrones es necesaria para la formación de la superficie de Fermi, con el aumento de la temperatura, los electrones ya no se degeneran y la esfera de Fermi se colapsa.

Para un conocimiento más detallado de los detalles del estudio, le recomiendo que consulte el informe del grupo de investigación .

Epílogo

Los científicos están extremadamente satisfechos con su trabajo. Lo cual no es sorprendente, considerando dónde su trabajo puede ser muy útil. Primero, la predicción de los criterios de degeneración en cuerpos astrofísicos compactos, lo que nos permitirá determinar el límite entre la atmósfera y el núcleo degenerado. En segundo lugar, en los objetos de fusión termonuclear, que determinarán con precisión el rango de temperatura deseado en el que debe estar el combustible nuclear durante la implosión (una explosión dirigida hacia adentro). Además, los científicos creen que su trabajo ayudará en el estudio de los fenómenos cuánticos en materia cálida y densa.

El potencial es realmente grande, así como la cantidad de preguntas que los científicos aún no han respondido durante estudios posteriores sobre el plasma y una sustancia tan inusual: el deuterio de metal líquido.



Gracias por mirar, mantén la curiosidad y que tengan un gran fin de semana a todos, muchachos.

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