Alchemie des 21. Jahrhunderts: Umwandlung von flüssigem Metalldeuterium in Plasma

Was haben Sterne, Blitze und Nordlichter gemeinsam? Alle diese „Objekte“ sind auf ihre Weise schön, manchmal ruft der Betrachter existenzielle Gedanken und romantische Gefühle hervor. Aus physikalischer Sicht haben sie jedoch ein gemeinsames Merkmal - Plasma. Dieses ionisierte Gas, das neben fest, flüssig und gasförmig als vierter Aggregatzustand der Materie gilt, ist in der Weite des Universums sehr verbreitet und wird von Menschen massiv produziert. Heute werden wir eine Studie betrachten, in der Wissenschaftler flüssiges Metall-Deuterium in Plasma umwandeln konnten. Was genau war dafür erforderlich und was sind die Ergebnisse dieses „alchemistischen“ Experiments? Wir werden im Bericht der Forschungsgruppe nach Antworten suchen. Lass uns gehen.

Hintergrund

Zunächst sollten Sie sich kurz daran erinnern, dass es Plasma und Deuterium gibt.

Plasma ist ein ionisiertes Gas, das keine gasförmige Substanz ist. So ein körperliches Wortspiel. Die Hauptelemente des Plasmas sind freie Elektronen und Ionen. Diese Jungs sind sehr mobil, von denen das Plasma elektrischen Strom perfekt leitet.

Dieser Zustand wurde bereits 1879 vom englischen Physiker und Chemiker William Crookes entdeckt. Er glaubte, dass das ionisierte Gas die gleiche Anzahl von Ionen und Elektronen enthält, da die Gesamtladung einer solchen Substanz sehr gering sein wird. Und das ist wahr - die positiven und negativen Partikel (verantwortlich) im Plasma befinden sich im vollständigen Gleichgewicht, dh die Ladungen der Partikel heben sich gegenseitig auf, wodurch die Ladung des internen Plasmafeldes Null ist. Eine solche Neutralisierung der Ladungen voneinander in Partikeln nennt man Quasineutralität.

Plasma ist, wie ich bereits sagte, der vierte Sachverhalt, obwohl nicht alle Wissenschaftler dieser Aussage zustimmen. Es ist jedoch anzumerken, dass es eine Reihe von Unterschieden zum „normalen“ Gaszustand gibt, die dem Plasma das Recht geben, als separater vierter Zustand bezeichnet zu werden. Zu diesen Unterschieden gehören: hohe elektrische Leitfähigkeit, viele voneinander unabhängige Partikel (Ionen, Elektronen und neutrale Partikel), nicht-Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung, kollektive Wechselwirkung von Partikeln.

Astrophysiker, Elektronikhersteller und sogar Meteorologen sind mit Plasma vertraut. Sterne, der Sonnenwind, der Weltraum und interstellare Nebel sind Plasma. Der Blitz, das Nordlicht, die Ionosphäre und die Lichter von St. Elmo sind Plasma. Der Inhalt von fluoreszierenden Neonlampen, Plasma-Raketentriebwerken, Monitoren und Fernsehgeräten ist ebenfalls eine bestimmte Art von Plasma. Mit anderen Worten, es gibt nicht viel Plasma.

Derzeit gibt es verschiedene Methoden zur Laboraufbereitung von Plasma, darunter: Erhitzen einer Substanz, Ionisierung durch Strahlung (Ultraviolett, Röntgen, Laser usw.), elektrische Ladung, Ionisierung durch Stoßwellen usw.

Am häufigsten wird das thermische Verfahren zur Plasmaerzeugung erwähnt, dh das Erhitzen einer bestimmten Substanz auf sehr hohe Temperaturen. Während dieses Prozesses finden bestimmte Veränderungen in den Atomen der Materie statt - die Elektronen lösen sich von ihren Bahnen, was zu getrennt freien Elektronen und getrennten Ionen führt.



Plasma kann auch erhalten werden, indem ein elektrischer Strom durch ein Gas geleitet wird - die Gasentladungsmethode. In diesem Fall tritt eine Gasionisation auf, deren Grad durch Manipulieren der aktuellen Parameter geändert werden kann. Das resultierende Plasma, das tatsächlich durch elektrischen Strom erwärmt wird, kann jedoch schnell abkühlen, wenn es mit ungeladenen Partikeln des umgebenden Gases in Kontakt kommt.


Plasma in der Garage (wiederholen Sie dieses Experiment nicht zu Hause, wenn Sie keinen zusätzlichen Besuch von Ärzten und Feuerwehrleuten wünschen).

Und jetzt ein wenig über Deuterium, aber nicht über einfach, sondern über Metall.

Was ist Deuterium für den Anfang? Dies ist schwerer Wasserstoff (D oder ² H), dh ein Wasserstoffisotop mit 1 Neutron und 1 Proton im Kern (Deuteron genannt).


Ein Video darüber, wie schweres Wasser aus normalem Wasser gewonnen wird - Deuterium.

Zum ersten Mal wurde Deuterium 1932 (1931) dank der amerikanischen Wissenschaftler Harold Urey und Ferdinand Brickedde freigesetzt, die 5 Liter flüssigen Wasserstoff destillierten. Das Ergebnis dieses Verfahrens war eine 1 ml Flüssigkeit.

Aber dies ist gewöhnliches Deuterium. In der Studie, die wir heute betrachten, sprechen wir über metallisches Deuterium. Diese Substanz wurde durch Einwirkung von hohem Druck und hohen Temperaturen auf Deuterium erhalten.

Im Jahr 2015 führten Wissenschaftler ein Experiment durch, um den Isolator in einen Leiter zu "verwandeln". Als Thema wurde Deuterium gewählt. Download-Link für diesen Studienbericht.

Und erst nach wenigen Jahren wurde metallisches Deuterium Gegenstand einer neuen Studie, in der Wissenschaftler beschlossen, es in Plasma umzuwandeln.

Forschungsergebnisse

Während der Studie wurden kugelförmige deuterierte Kohlenstoffschalen verwendet, die mit flüssigem Deuterium gefüllt waren und mehreren Laserpulsen (100 ps, ​​Pikosekunden) ausgesetzt waren. Dieses Verfahren ermöglichte es, eine sphärisch konvergierende Stoßwelle im flüssigen Deuterium selbst zu erhalten (ρ ₀ = 0,172 g / cm ³ ). Der Laserpuls startete einen gepulsten Antrieb, der anfänglich einen starken (bis zu ~ 5,5 Mbar), aber keinen gleichmäßigen Aufprall erzeugte, wobei Druck und Geschwindigkeit des Aufpralls während der Ausbreitung abnahmen.


Bild Nr. 1

VISAR * (ein Komplex aus einem Geschwindigkeitsinterferometer für jeden Reflektor) und ein optisches Pyrometer * wurden verwendet, um Stoßgeschwindigkeitsprofile und die Selbstemission gepulster Schocks in flüssigem Deuterium zu messen.

VISAR * ist ein zeitauflösendes Geschwindigkeitsmesssystem, das mithilfe der Laserinterferometrie die Oberflächengeschwindigkeit von Festkörpern misst, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen.

Pyrometer * - berührungsloses Temperaturmessgerät tel.

Abbildung 1A zeigt die Ergebnisse von VISAR: Die vertikale Achse ist der durch die Zeit geteilte Aufprall (horizontale Achse). Aus dieser Beobachtung folgt, dass die Abklingrate im Vergleich zur Äquilibrierungszeit ziemlich niedrig ist.

Die optische Analyse ( 1C ) wurde direkt über der Stoßbarriere in einer Tiefe von 30 bis 40 nm durchgeführt. Diese Zahlen wurden nicht von der Decke genommen - dies ist tief genug, um den ausgeglichenen Zustand des Plasmas zu beobachten, und flach genug, um den sich ändernden Zustand des Aufpralls während seiner Dämpfung kontinuierlich zu überwachen ( 1B ).

Die Wissenschaftler analysierten auch den absoluten Reflexionskoeffizienten ( R ), der aus den Intensitätsindikatoren des VISAR-Lasers isoliert wurde, der während des Aufpralls vom Deuterium reflektiert wurde ( 1E ). Temperaturdaten wurden durch Messen der spektralen Strahlung der Schockbarriere ( 1D ) erhalten.

Während der Tests beobachteten die Wissenschaftler eine Stoßdämpfung von 60 km / h auf 35 km / h, was einem Druckbereich von ~ 5,5 ... ~ 0,5 Mbar entspricht. Innerhalb dieses Bereichs ist die Dichte praktisch unverändert (ρ = 0,774, TF = 13,8 eV), es werden jedoch Temperaturänderungen von 3 bis 11 eV (1 eV = 11.603 K) beobachtet. Angesichts der optischen Eigenschaften von Deuterium, das auf 0,774 g / cm ³ komprimiert wurde, dh Reflexionsindikatoren, konnten die Wissenschaftler seine elektronischen Eigenschaften überprüfen.

Bei niedrigem Druck werden in der Probe starke Kopplungen und Entartungen beobachtet ( ≫ 1, ϴ ≪ 1). Aber mit zunehmender Temperatur ändern sich diese Eigenschaften in erster Linie. Wissenschaftler unterscheiden zwei Zustände, wenn sich diese Parameter ändern. Im ersteren wird bei 0,15 <ϴ <0,4 und 2,6 <T <6 eine konstante optische Reflexion von etwa 40% beobachtet.


Bild 2: Verhältnis von Reflexionskoeffizient und Adhäsion.

Dieser Wert wird durch das Minimum der Metallleitfähigkeit nach der Mott-Ioffe-Regel-Regel beschrieben, wenn die Zeit für die Elektronenionenrelaxation vom interatomaren Abstand ( a ) und der Fermi-Geschwindigkeit (v _F ) abhängt: τ _min = a / v _F. Die Mott-Ioffe-Regel-Regel sagt voraus, dass bei vollständiger Ionisierung der minimale optische Reflexionskoeffizient für die Lichtemission bei 532 nm 0,38 betragen sollte. Ähnliche theoretische Schlussfolgerungen werden perfekt mit praktischen experimentellen Ergebnissen verglichen.

Der zweite Zustand tritt auf, wenn der Wert von ϴ 0,4 (T ~ 5 eV) überschreitet. In diesem Fall steigt die Reflexion bei T ~ 11 eV auf ~ 0,7 (Bild Nr. 2 ). In diesem Moment nimmt die Kohäsionskraft ab, wenn der Wert von 1 erreicht. Bei einer Temperatur von 5 eV wurde aufgrund der theoretischen Abhängigkeit des Reflexionskoeffizienten und der Streuzeit eine vollständige Deuteriumionisation erwartet.

Die Wissenschaftler beschlossen dann, den Effekt der Streuzeit (τ) auf das beobachtete Reflexionsvermögen zu testen. Hierzu wurde der Wert von τ für die mit der Fresnel-Formel und dem Modell der freien Elektronen aufgezeichneten Daten bestimmt.


Bild Nr. 3

Dank der erhaltenen Daten ( 3B ) fanden Wissenschaftler heraus, dass bis zu T / TF ~ 0,4 eine Fermi-Oberfläche in einer metallischen Flüssigkeit vorhanden ist. Oberhalb dieses Temperaturindikators impliziert eine Erhöhung der geschätzten Relaxationszeit das Fehlen einer Begrenzung der zulässigen Geschwindigkeit, und um eine Erhöhung des Reflexionskoeffizienten zu erreichen, ist eine längere Relaxationszeit, dh höhere Wärmegeschwindigkeiten, erforderlich. Unter Berücksichtigung der Relaxationszeit im untersuchten Gebiet stellten die Wissenschaftler daher fest, dass τ ~ T1,55 ± 0,04.

Diese Zahlen liegen sehr nahe an der klassischen nicht entarteten Grenze eines idealen Plasmas (τ ~ T1.5).

Fig. 3A zeigt die Ergebnisse des Vergleichs des experimentell abgeleiteten Wertes der elektrischen Leitfähigkeit mit den Werten, die von den zwei Transportmodellen in einem dichten Plasma vorhergesagt wurden. Diese Modelle sind auf zwei entgegengesetzte Einschränkungen reduziert: degenerierten Ziman und nicht degenerierten Spitzer. Sie geben jedoch nicht die genaue Position der Frequenzweiche * an .

Frequenzweiche * - eine Änderung der kritischen Indizes eines thermodynamischen Systems mit einer Änderung der externen Parameter, bei der keine Änderungen der Symmetrie des Systems oder Sprünge der thermodynamischen Parameter beobachtet werden.

Diese Frequenzweiche spielt eine wichtige Rolle für die thermodynamischen und elektronischen Eigenschaften dichter leitfähiger Flüssigkeiten. Wissenschaftler geben das folgende Beispiel: Das Vorzeichen des chemischen Potentials des Systems µ (T) ändert sich von positiv in der Fermi-Dirac-Grenze zu negativ im Maxwell-Plasma, und die spezifische Wärme C _υ geht von C _υ ∝ T / T f in der entarteten Grenze zu C _υ ~ 3 R.


Bild Nr. 4

Schließlich vergleichen Wissenschaftler ihre Entstehung mit ähnlichen Experimenten, jedoch nicht mit Deuterium, sondern mit verdünnter Flüssigkeit ³ He (Helium-3) oder mit ultrakalten alkalischen Gasen. In diesen Systemen bezieht sich ein ähnlicher Übergang der Temperaturabhängigkeiten der dynamischen Eigenschaften des atomaren fermionischen Systems bereits auf die Quantenstatistik (Bild oben). Trotz der 8-12-fachen Differenz der Temperatur- und Dichteanzeigen bleiben die Entartungsregeln in Fermi-Systemen für alle Systeme gleich.

Die Ergebnisse eines praktischen Experiments stimmen hervorragend mit den Daten von Berechnungen unter Verwendung von Monte-Carlo-Methoden für dichtes Wasserstoffplasma überein. Diese Berechnungen zeigten eine signifikante Umlagerung / Austausch von Elektronen im Plasma bei T <0,4 TF für verschiedene Dichten. Durch Erhöhen der Temperatur über diesen Indikator wird die Wahrscheinlichkeit eines Quantenaustauschs zwischen zwei oder mehr Elektronen erheblich verringert. Da die Permutation / der Austausch von Elektronen für die Bildung der Fermi-Oberfläche mit zunehmender Temperatur notwendig ist, degenerieren die Elektronen nicht mehr und die Fermi-Kugel kollabiert.

Für eine detailliertere Kenntnis der Details der Studie empfehle ich dringend, dass Sie sich den Bericht der Forschungsgruppe ansehen.

Nachwort

Wissenschaftler sind sehr zufrieden mit ihrer Arbeit. Was nicht verwunderlich ist, wenn man bedenkt, wo ihre Arbeit sehr nützlich sein kann. Zunächst die Vorhersage der Entartungskriterien in kompakten astrophysikalischen Körpern, anhand derer wir die Grenze zwischen der Atmosphäre und dem entarteten Kern bestimmen können. Zweitens bei den Objekten der Kernfusion, die den gewünschten Temperaturbereich genau bestimmen, in dem sich der Kernbrennstoff während der Implosion befinden sollte (eine nach innen gerichtete Explosion). Darüber hinaus glauben Wissenschaftler, dass ihre Arbeit bei der Untersuchung von Quantenphänomenen in warmer dichter Materie helfen wird.

Das Potenzial ist wirklich groß, ebenso wie die Anzahl der Fragen, die Wissenschaftler bei weiteren Untersuchungen sowohl des Plasmas als auch einer solch ungewöhnlichen Substanz - flüssigem Metalldeuterium - noch nicht beantwortet haben.



Danke fürs Zuschauen, bleibt neugierig und habt ein tolles Wochenende euch allen, Jungs.

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