الكيمياء في القرن 21: تحويل الديوتيريوم المعدني السائل إلى البلازما

ماذا تشترك النجوم والبرق والأضواء الشمالية؟ كل هذه "الأشياء" جميلة بطريقتها الخاصة ، في بعض الأحيان يثير المراقب الأفكار الوجودية والمشاعر الرومانسية. ومع ذلك ، من وجهة نظر الفيزياء ، لديهم ميزة مشتركة - البلازما. يعتبر هذا الغاز المؤين ، الذي يعتبر الحالة التراكمية الرابعة للمادة (بالإضافة إلى الحالة الصلبة والسائلة والغازية) ، شائعًا للغاية في اتساع الكون وينتج عن طريق البشر على نطاق واسع. سننظر اليوم في دراسة تمكن العلماء من تحويل الديوتريوم المعدني السائل إلى بلازما. ما المطلوب بالضبط لهذا وما هي نتائج هذه التجربة "الكيميائية"؟ سوف نبحث عن إجابات في تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

قبل التاريخ

بادئ ذي بدء ، يجدر تذكير نفسك لفترة وجيزة بأن هناك البلازما والديوتيريوم.

البلازما هي غاز مؤين وليست مادة في الحالة الغازية. هذه لعبة الكلمات البدنية. العناصر الرئيسية للبلازما هي الإلكترونات والأيونات الحرة. هؤلاء الرجال متنقلون للغاية ، حيث يقوم البلازما بإجراء التيار الكهربائي بشكل مثالي.

تم اكتشاف هذه الحالة في عام 1879 من قبل الفيزيائي الإنجليزي والكيميائي ويليام كروكس. لقد اعتقد أن الغاز المؤين يحتوي على نفس عدد الأيونات والإلكترونات ، لأن الشحنة الكلية لهذه المادة ستكون صغيرة جدًا. وهذا صحيح - الجزيئات الإيجابية والسلبية (المسؤول) داخل البلازما في حالة توازن كامل ، أي أن شحنة الجزيئات تلغي بعضها البعض ، ونتيجة لذلك تكون شحنة مجال البلازما الداخلي صفراً. مثل هذا التحييد لشحنات بعضها البعض في الجسيمات يسمى شبه الحيادية.

البلازما ، كما قلت سابقًا ، هي الحالة الرابعة للمادة ، على الرغم من أن جميع العلماء لا يتفقون مع هذا البيان. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن هناك عددًا من الاختلافات عن الحالة الغازية "العادية" ، والتي تمنح البلازما الحق في أن يطلق عليها حالة رابعة منفصلة. من بين هذه الاختلافات: الموصلية الكهربائية العالية ، العديد من مستقلة عن كل جزيئات أخرى (الأيونات والإلكترونات والجزيئات المحايدة) ، وتوزيع السرعة غير ماكسويليان ، والتفاعل الجماعي للجزيئات.

إن علماء الفيزياء الفلكية ومصنعي الإلكترونيات وحتى علماء الأرصاد الجوية على دراية بالبلازما. النجوم ، الرياح الشمسية ، الفضاء الخارجي ، السدم بين النجوم هي بلازما. البرق ، الأنوار الشمالية ، الأيونوسفير وأضواء سانت إلمو هي بلازما. محتويات مصابيح نيون الفلورسنت ، ومحركات الصواريخ البلازما والشاشات وأجهزة التلفزيون هي أيضا نوع معين من البلازما. وبعبارة أخرى ، لا يوجد الكثير من البلازما.

في الوقت الحالي ، هناك عدة طرق للتحضير المختبري للبلازما ، بما في ذلك: تسخين مادة ، التأين بالإشعاع (الأشعة فوق البنفسجية ، الأشعة السينية ، الليزر ، إلخ) ، الشحن الكهربائي ، التأين بواسطة موجات الصدمة ، إلخ.

في معظم الأحيان ، تكون الطريقة الحرارية لإنتاج البلازما المذكورة ، أي عن طريق تسخين مادة معينة إلى درجات حرارة مرتفعة للغاية. أثناء هذه العملية ، تحدث بعض التغييرات في ذرات المادة - تنفصل الإلكترونات عن مداراتها ، مما ينتج عنه إلكترونات حرة منفصلة وأيونات منفصلة.



يمكن أيضًا الحصول على البلازما بتمرير تيار كهربائي عبر الغاز - طريقة تفريغ الغاز. في هذه الحالة ، يحدث تأين الغاز ، ويمكن تغيير درجة ذلك عن طريق معالجة المعلمات الحالية. ومع ذلك ، يمكن للبلازما الناتجة ، التي يتم تسخينها فعليًا بواسطة التيار الكهربائي ، أن تبرد بسرعة عندما تتلامس مع الجزيئات غير المشحونة من الغاز المحيط.


البلازما في المرآب (لا تكرر هذه التجربة في المنزل ، إذا كنت لا ترغب في زيارة إضافية من الأطباء ورجال الإطفاء).

والآن قليلا عن الديوتيريوم ، ولكن ليس عن البساطة ، ولكن عن المعادن.

بالنسبة للمبتدئين ، ما هو الديوتيريوم؟ هذا هو الهيدروجين الثقيل (D أو ² H) ، وهذا هو نظير الهيدروجين الذي يحتوي على 1 نيوترون وبروتون واحد في النواة (تسمى الديوترون).


فيديو حول كيفية الحصول على الماء الثقيل من الماء العادي - الديوتيريوم.

لأول مرة ، تم إطلاق الديوتيريوم في عام 1932 (1931) بفضل العلماء الأمريكيين هارولد أوري وفيرديناند بريكفيد ، الذين قاموا بتقطير 5 لترات من الهيدروجين السائل. كانت نتيجة هذا الإجراء سائل 1 مل.

ولكن هذا ديوتيريوم عادي ، في الدراسة التي ندرسها اليوم نتحدث عن الديوتيريوم المعدني. تم الحصول على هذه المادة من خلال التعرض لارتفاع الضغط وارتفاع درجات الحرارة على الديوتيريوم.

في عام 2015 ، أجرى العلماء تجربة "لتحويل" العازل إلى موصل. وكان الديوتيريوم الذي تم اختياره كموضوع. رابط التحميل لتقرير الدراسة هذا.

وبعد بضع سنوات فقط ، أصبح الديوتيريوم المعدني هدفًا لدراسة جديدة قرر العلماء خلالها تحويلها إلى بلازما.

نتائج البحوث

خلال الدراسة ، تم استخدام قذائف كربون كروية مغلفة تمتلئ بالديوتيريوم السائل ، والتي تعرضت لعدة نبضات ليزر (100 ps ، بيكو ثانية). جعل هذا الإجراء من الممكن الحصول على موجة صدمة متقاربة كرويا في الديوتيريوم السائل نفسه (ρ ₀ = 0.172 جم / سم ³ ). أطلقت نبض الليزر محرك نبض ، والتي أنتجت في البداية قوية (تصل إلى 5.5 ميغابايت ~) ، ولكن ليس لها تأثير موحد ، وانخفاض في الضغط وسرعة التأثير أثناء الانتشار.


الصورة رقم 1

تم استخدام VISAR * (مركب من مقياس تداخل السرعة لأي عاكس) وبيرومتر بصري * لقياس ملامح سرعة الصدمة والانبعاث الذاتي من الصدمات النبضية داخل الديوتيريوم السائل.

VISAR * هو عبارة عن نظام لقياس السرعة الزمنية يستخدم مقياس التداخل بالليزر لقياس سرعة سطح المواد الصلبة التي تتحرك بسرعة عالية.

Pyrometer * - جهاز قياس درجة حرارة عدم الاتصال.

يوضح الشكل 1 أ نتائج VISAR: المحور العمودي هو التأثير مقسومًا على الوقت (المحور الأفقي). من هذه الملاحظة ، يترتب على ذلك أن معدل الانحلال منخفض جدًا مقارنة بوقت المعايرة.

تم إجراء التحليل البصري ( 1C ) مباشرة فوق حاجز الصدمات على عمق 30-40 نانومتر. لم يتم أخذ هذه الأشكال من السقف - وهذا عميق بما يكفي لمراقبة الحالة المتوازنة للبلازما ، وهو ضحل بدرجة كافية لمراقبة الحالة المتغيرة للتأثير أثناء التوهين ( 1B ).

قام العلماء أيضًا بتحليل معامل الانعكاس المطلق ( R ) ، المعزول من مؤشرات شدة الليزر VISAR المنعكسة من الديوتيريوم أثناء التأثير ( 1E ). تم الحصول على بيانات درجة الحرارة عن طريق قياس الإشعاع الطيفي لجدار الصدمة ( 1D ).

خلال الاختبارات ، لاحظ العلماء توهين الصدمة من 60 كم / ساعة إلى 35 كم / ساعة ، وهو ما يعادل مجموعة ضغط من ~ 5.5 ... ~ 0.5 Mbar. ضمن هذا النطاق ، لم تتغير الكثافة عملياً (ρ = 0.774 ، TF = 13.8 eV) ، ومع ذلك ، لوحظ تغيرات في درجة الحرارة من 3 إلى 11 فولت (1 فولت = 11603 كلفن). بالنظر إلى الخصائص البصرية للديوتيريوم ، مضغوط إلى 0.774 جم / سم ³ ، أي مؤشرات الانعكاس ، تمكن العلماء من التحقق من خصائصه الإلكترونية.

عند الضغط المنخفض ، لوحظت اقتران قوي وتنكس في العينة ( ≫ 1 ، ϴ ≪ 1). ولكن مع ارتفاع درجة الحرارة ، فإن هذه الخصائص هي التي تتغير في المقام الأول. يميز العلماء حالتين عندما تتغير هذه المعلمات. في السابق ، عند 0.15 <ϴ <0.4 و 2.6 <T <6 ، لوحظ انعكاس بصري ثابت بنحو 40 ٪.


الصورة 2: نسبة معامل الانعكاس والتصاق.

يتم وصف هذه القيمة بالحد الأدنى من التوصيلية المعدنية وفقًا لقاعدة Mott - Ioffe - Regel ، عندما يعتمد وقت استرخاء الإلكترون على المسافة الفاصلة بين a ( أ ) وسرعة Fermi (v _F ): τ _min = a / v _F. تتنبأ قاعدة Mott - Ioffe - Regel بأنه مع التأين الكامل ، يجب أن يكون الحد الأدنى لمعامل الانعكاس البصري هو 0.38 لانبعاث الضوء عند 532 نانومتر. تتم مقارنة الاستنتاجات النظرية مماثلة تماما مع النتائج التجريبية العملية.

تحدث الحالة الثانية عندما تتجاوز قيمة 0.4 0.4 (T ~ 5 eV). في هذه الحالة ، يزيد الانعكاس إلى 0،7 في T ~ 11 eV (الصورة رقم 2 ). في هذه اللحظة ، تقل قوة التماسك عندما تصل قيمة 1. 1. عند درجة حرارة 5 فولت ، كان من المتوقع تأين الديوتيريوم الكامل بسبب الاعتماد النظري لمعامل الانعكاس ووقت الانتثار.

ثم قرر العلماء اختبار تأثير زمن الانتثار (τ) على الانعكاس المرصود. لهذا ، تم تحديد قيمة for للبيانات المسجلة باستخدام صيغة Fresnel ونموذج الإلكترونات الحرة.


الصورة رقم 3

بفضل البيانات التي تم الحصول عليها ( 3B ) ، وجد العلماء أنه حتى T / TF ~ 0.4 ، سيكون سطح فيرمي موجودًا في سائل معدني. ولكن فوق مؤشر درجة الحرارة هذا ، فإن الزيادة في وقت الاسترخاء المقدر تعني عدم وجود قيود في السرعة المسموح بها ، وتحقيق زيادة في معامل الانعكاس ، ووقت استرخاء أطول ، أي سرعات حرارية أعلى ، ضروري. لذلك ، مع الأخذ في الاعتبار وقت الاسترخاء في منطقة الدراسة ، وجد العلماء أن τ ~ T1.55 ± 0.04.

هذه الأشكال قريبة جدًا من الحد الأدنى الكلاسيكي للبلازما المثالية (T ~ T1.5).

يوضح الشكل 3 أ نتائج مقارنة القيمة المشتقة تجريبياً للتوصيل الكهربائي مع القيم التي تنبأ بها نموذجا النقل في بلازما كثيفة. يتم تقليل هذه النماذج إلى اثنين من القيود المعاكسة: تدهور Ziman و Spitzer غير تدهور. ومع ذلك ، فإنها لا تشير إلى الموضع الدقيق للعبور * .

Crossover * - تغيير في المؤشرات المهمة لنظام ديناميكي حراري مع تغيير في البارامترات الخارجية ، لا يتم خلالها ملاحظة أي تغييرات في تناظر النظام أو القفزات في المعلمات الديناميكية الحرارية.

يلعب هذا التقاطع دورًا مهمًا في الخواص الديناميكية الحرارية والإلكترونية للسوائل الموصلة الكثيفة. يقدم العلماء المثال التالي: تتغير علامة الإمكانات الكيميائية للنظام from (T) من الموجب في حد Fermi - Dirac إلى السالب في بلازما Maxwell ، _وتنتقل الحرارة المحددة C _υ من C _υ ∝ T / T f في الحد المتحلل إلى C _υ ~ 3 R.


الصورة رقم 4

أخيرًا ، يقارن العلماء إنشائها بتجارب مماثلة ، ولكن ليس مع الديوتيريوم ، ولكن مع السائل المخفف ³ He (الهليوم 3) أو مع الغازات القلوية شديدة التباين. في هذه الأنظمة ، يشير التقاطع المماثل لاعتمادات درجة الحرارة للخواص الديناميكية للنظام fermionic الذري بالفعل إلى إحصاءات الكم (الصورة أعلاه). على الرغم من اختلاف درجات الحرارة والكثافة بين 8 و 12 ضعفًا ، تظل قواعد التنكس في أنظمة فيرمي شائعة في جميع الأنظمة.

تتوافق نتائج التجربة العملية بشكل ممتاز مع بيانات العمليات الحسابية باستخدام طرق مونت كارلو لبلازما الهيدروجين الكثيفة. أظهرت هذه الحسابات إعادة ترتيب / تبادل كبير للإلكترونات في البلازما عند T <0.4 TF لكثافات مختلفة. رفع درجة الحرارة فوق هذا المؤشر يقلل بشكل كبير من احتمال التبادل الكمومي بين إلكترونين أو أكثر. نظرًا لأن التقليب / تبادل الإلكترونات ضروري لتشكيل سطح فيرمي ، مع زيادة درجة الحرارة ، لم تعد الإلكترونات تتحلل ، وينهار مجال فيرمي.

للتعرف أكثر تفصيلاً على تفاصيل الدراسة ، أوصي بشدة أن تنظر في تقرير مجموعة الأبحاث .

خاتمة

العلماء سعداء للغاية بعملهم. وهذا ليس مفاجئًا ، بالنظر إلى حيث يمكن أن يكون عملهم مفيدًا جدًا. أولاً ، التنبؤ بمعايير الانحطاط في الأجسام الفلكية الفيزيائية المدمجة ، والتي سوف تتيح لنا تحديد الحدود بين الغلاف الجوي واللب الأساسي المتحلل. ثانياً ، في كائنات الانصهار النووي الحراري ، والتي ستحدد بدقة نطاق درجة الحرارة المرغوب فيه الذي يجب أن يكون فيه الوقود النووي أثناء الانهيار (انفجار موجه إلى الداخل). بالإضافة إلى ذلك ، يعتقد العلماء أن عملهم سيساعد في دراسة الظواهر الكمومية في المادة الدافئة الكثيفة.

إن الإمكانات كبيرة حقًا ، بالإضافة إلى عدد الأسئلة التي لم يجيب عليها العلماء بعد أثناء إجراء مزيد من الدراسات لكل من البلازما ومادة غير عادية - الديوتيريوم المعدني السائل.



شكرا للمشاهدة ، والبقاء فضولي ويكون الجميع عطلة نهاية الاسبوع ، يا رفاق.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الصيف مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟