21 वीं शताब्दी की कीमिया: प्लाज्मा में तरल धातु ड्यूटेरियम परिवर्तित करना

तारों, बिजली और उत्तरी रोशनी में क्या आम है? ये सभी "वस्तुएं" अपने तरीके से सुंदर हैं, कभी-कभी पर्यवेक्षक अस्तित्ववादी विचारों और रोमांटिक भावनाओं को उकसाते हैं। हालांकि, भौतिकी के दृष्टिकोण से, उनके पास एक सामान्य विशेषता है - प्लाज्मा। पदार्थ की चौथी समग्र अवस्था (ठोस, तरल और गैसीय के अलावा) में मानी जाने वाली यह आयनित गैस, ब्रह्मांड की विशालता में बहुत आम है और लोगों द्वारा बड़े पैमाने पर निर्मित की जाती है। आज हम एक अध्ययन पर विचार करेंगे जिसमें वैज्ञानिक तरल धातु ड्यूटेरियम को प्लाज्मा में बदलने में सक्षम थे। इसके लिए वास्तव में क्या आवश्यक था और इस "रसायन" प्रयोग के परिणाम क्या हैं? हम शोध समूह की रिपोर्ट में जवाब तलाशेंगे। चलो चलते हैं।

प्रागितिहास

सबसे पहले, यह अपने आप को याद दिलाने लायक है कि प्लाज्मा और ड्यूटेरियम है।

प्लाज्मा एक आयनित गैस है जो गैसीय अवस्था में कोई पदार्थ नहीं है। ऐसा शारीरिक दंड। प्लाज्मा के मुख्य तत्व मुक्त इलेक्ट्रॉन और आयन हैं। ये लोग बहुत मोबाइल हैं, जिसमें से प्लाज्मा विद्युत प्रवाह को पूरी तरह से संचालित करता है।

इस राज्य को 1879 में अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी और रसायनज्ञ विलियम क्रुक द्वारा वापस खोजा गया था। उनका मानना ​​था कि आयनित गैस में आयनों और इलेक्ट्रॉनों की समान संख्या होती है, क्योंकि इस तरह के पदार्थ का कुल चार्ज बहुत छोटा होगा। और यह सच है - प्लाज्मा के अंदर के सकारात्मक और नकारात्मक कण (प्रभारी) पूर्ण संतुलन में हैं, अर्थात, कणों के आरोप एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप आंतरिक प्लाज्मा क्षेत्र का प्रभार शून्य है। कणों में एक दूसरे के आवेशों के इस तरह के न्यूट्रलाइजेशन को क्वैसिन्यूट्रलिटी कहा जाता है।

प्लाज्मा, जैसा कि मैंने पहले कहा था, इस मामले की चौथी स्थिति है, हालांकि सभी वैज्ञानिक इस कथन से सहमत नहीं हैं। हालांकि, यह ध्यान देने योग्य है कि "साधारण" गैसीय अवस्था से कई अंतर हैं, जो प्लाज्मा को एक अलग, चौथा राज्य कहे जाने का अधिकार देते हैं। इन अंतरों में हैं: उच्च विद्युत चालकता, एक दूसरे कणों (आयनों, इलेक्ट्रॉनों और तटस्थ कणों) से कई स्वतंत्र, गैर-मैक्सवेलियन वेग वितरण, कणों की सामूहिक बातचीत।

खगोल भौतिकीविद्, इलेक्ट्रॉनिक्स निर्माता और यहां तक ​​कि मौसम विज्ञानी भी प्लाज्मा से परिचित हैं। सितारे, सौर हवा, बाहरी स्थान, इंटरस्टेलर नेबुला प्लाज्मा हैं। बिजली, उत्तरी रोशनी, आयनमंडल और सेंट एल्मो की रोशनी प्लाज्मा हैं। फ्लोरोसेंट नीयन लैंप, प्लाज्मा रॉकेट इंजन, मॉनिटर और टेलीविजन की सामग्री भी एक निश्चित प्रकार के प्लाज्मा हैं। दूसरे शब्दों में, बहुत प्लाज्मा नहीं है।

फिलहाल, प्लाज्मा की प्रयोगशाला की तैयारी के लिए कई तरीके हैं, जिनमें शामिल हैं: एक पदार्थ को गर्म करना, विकिरण द्वारा पराबैंगनी (पराबैंगनी, एक्स-रे, लेजर, आदि), इलेक्ट्रिक चार्ज, सदमे तरंगों द्वारा आयनीकरण, आदि।

सबसे अधिक बार, यह प्लाज्मा के उत्पादन के लिए थर्मल विधि है जिसका उल्लेख किया गया है, अर्थात्, एक निश्चित पदार्थ को बहुत उच्च तापमान तक गर्म करके। इस प्रक्रिया के दौरान, पदार्थ के परमाणुओं में कुछ परिवर्तन होते हैं - इलेक्ट्रॉन अपनी कक्षाओं से अलग हो जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अलग-अलग मुक्त इलेक्ट्रॉन और अलग-अलग आयन होते हैं।



गैस - गैस डिस्चार्ज विधि के माध्यम से एक विद्युत प्रवाह पारित करके प्लाज्मा भी प्राप्त किया जा सकता है। इस मामले में, गैस आयनीकरण होता है, जिसकी डिग्री को वर्तमान मापदंडों में हेरफेर करके बदला जा सकता है। हालांकि, परिणामस्वरूप प्लाज्मा, जो वास्तव में विद्युत प्रवाह से गर्म होता है, जल्दी से ठंडा हो सकता है जब यह आसपास के गैस के अपरिवर्तित कणों के संपर्क में आता है।


गैरेज में प्लाज्मा (घर पर इस प्रयोग को दोहराएं नहीं, यदि आप डॉक्टरों और अग्निशामकों से अतिरिक्त यात्रा नहीं चाहते हैं)।

और अब ड्यूटेरियम के बारे में थोड़ा, लेकिन सरल के बारे में नहीं, बल्कि धातु के बारे में।

शुरुआत के लिए, ड्यूटेरियम क्या है? यह भारी हाइड्रोजन (D या ² H) है, अर्थात एक हाइड्रोजन समस्थानिक है जिसमें नाभिक में 1 न्यूट्रॉन और 1 प्रोटॉन होते हैं (जिसे ड्यूटेन कहा जाता है)।


साधारण पानी से कितना भारी पानी प्राप्त होता है, इसके बारे में एक वीडियो - ड्यूटेरियम।

पहली बार, 1932 (1931) में अमेरिकी वैज्ञानिकों हेरोल्ड उरे और फर्डिनेंड ब्रिकवेड के लिए ड्यूटेरियम जारी किया गया था, जिन्होंने 5 लीटर तरल हाइड्रोजन का आसवन किया था। इस प्रक्रिया का परिणाम 1 मिलीलीटर तरल था।

लेकिन यह साधारण ड्यूटेरियम है, आज हम जिस अध्ययन पर विचार कर रहे हैं, उसमें हम मेटलिक ड्यूटेरियम के बारे में बात कर रहे हैं। यह पदार्थ ड्यूटेरियम पर उच्च दबाव और उच्च तापमान के संपर्क के माध्यम से प्राप्त किया गया था।

2015 में, वैज्ञानिकों ने एक कंडक्टर में इन्सुलेटर को "चालू" करने के लिए एक प्रयोग किया। यह ड्यूटेरियम था जिसे विषय के रूप में चुना गया था। इस अध्ययन रिपोर्ट के लिए डाउनलोड लिंक ।

और केवल कुछ वर्षों के बाद, धातुई ड्यूटेरियम एक नए अध्ययन का उद्देश्य बन गया, जिसमें वैज्ञानिकों ने इसे प्लाज्मा में बदलने का फैसला किया।

अनुसंधान के परिणाम

अध्ययन के दौरान, तरल ड्यूटेरियम से भरे हुए गोलाकार ड्यूटेरेटेड कार्बन के गोले का उपयोग किया गया, जो कई लेजर दालों (100 पीएस, पिकोसेकंड) के संपर्क में थे। इस प्रक्रिया ने तरल ड्यूटेरियम में एक गोलाकार रूप से परिवर्तित शॉक वेव प्राप्त करना संभव बना दिया (ρ ₀ = 0.172 g / cm ³ )। लेजर पल्स ने एक पल्स ड्राइव लॉन्च किया, जिसने शुरू में एक मजबूत (~ 5.5 Mbar तक) उत्पादन किया, लेकिन एक समान प्रभाव नहीं, दबाव में कमी और प्रसार के दौरान प्रभाव का वेग।


चित्र संख्या 1

VISAR * (किसी भी परावर्तक के लिए एक गति इंटरफेरोमीटर का एक जटिल) और एक ऑप्टिकल पाइरोमीटर * का उपयोग तरल ड्यूटेरियम के अंदर सदमे वेग प्रोफाइल और स्पंदित झटके के आत्म-उत्सर्जन को मापने के लिए किया गया था।

VISAR * एक समय-रिज़ॉल्यूशन वेग मापने वाला सिस्टम है जो उच्च गति पर घूम रहे ठोस पदार्थों की सतह की गति को मापने के लिए लेजर इंटरफेरोमेट्री का उपयोग करता है।

पाइरोमीटर * - गैर-संपर्क तापमान मापक उपकरण टेल।

चित्र 1A VISAR के परिणामों को दिखाता है: ऊर्ध्वाधर अक्ष समय (क्षैतिज अक्ष) द्वारा विभाजित प्रभाव है। इस अवलोकन से यह निम्नानुसार है कि विषुव समय की तुलना में क्षय दर काफी कम है।

ऑप्टिकल विश्लेषण ( 1 सी ) 30-40 एनएम की गहराई पर सीधे सदमे बाधा से ऊपर किया गया था। इन आंकड़ों को छत से नहीं लिया गया था - यह प्लाज्मा की संतुलित स्थिति का निरीक्षण करने के लिए पर्याप्त गहरा है, और उथले अपने क्षीणन ( 1 बी ) के दौरान प्रभाव की बदलती स्थिति की लगातार निगरानी करने के लिए पर्याप्त है।

वैज्ञानिकों ने पूर्ण प्रतिबिंब गुणांक ( R ) का भी विश्लेषण किया, प्रभाव ( 1E ) के दौरान ड्यूटेरियम से परावर्तित VISAR लेजर के तीव्रता संकेतकों से पृथक किया गया। शॉक बैरियर ( 1D ) के स्पेक्ट्रल विकिरण को मापकर तापमान डेटा प्राप्त किया गया।

परीक्षणों के दौरान, वैज्ञानिकों ने 60 किमी / घंटा से 35 किमी / घंटा तक सदमे क्षीणन देखा, जो कि ~ 5.5 ... ~ 0.5 Mbar की दबाव सीमा के बराबर है। इस सीमा के भीतर, घनत्व व्यावहारिक रूप से अपरिवर्तित है (ρ = 0.774, TF = 13.8 eV), हालांकि, 3 से 11 eV (1 eV = 11,603 K) के तापमान में परिवर्तन देखा जाता है। ड्यूटेरियम के ऑप्टिकल गुणों को देखते हुए, 0.774 g / cm ³ तक संप्रेषित किया गया, अर्थात्, प्रतिबिंब संकेतक, वैज्ञानिक अपने इलेक्ट्रॉनिक गुणों की जांच करने में सक्षम थे।

कम दबाव में, नमूना में मजबूत युग्मन और अध: पतन मनाया जाता है (खेल, 1, cou) 1)। लेकिन बढ़ते तापमान के साथ, यह ये विशेषताएं हैं जो पहली जगह में बदल जाती हैं। जब ये पैरामीटर बदलते हैं तो वैज्ञानिक दो अवस्थाओं में अंतर करते हैं। पूर्व में, 0.15 <0.4 <0.4 और 2.6 <T <6 पर, लगभग 40% का निरंतर ऑप्टिकल प्रतिबिंब मनाया जाता है।


छवि 2: प्रतिबिंब गुणांक और आसंजन का अनुपात।

इस मान का वर्णन Mott - Ioffe - Regel नियम के अनुसार धात्विक चालकता के न्यूनतम द्वारा किया जाता है, जब इलेक्ट्रॉन - आयन विश्राम का समय इंटर-परमाणु दूरी ( a ) और Fermi वेग (v _F ) पर निर्भर करता है: τ _मिनट = a / v _F. Mott - Ioffe - रीगल नियम भविष्यवाणी करता है कि पूर्ण आयनीकरण के साथ, 532 एनएम पर प्रकाश उत्सर्जन के लिए ऑप्टिकल प्रतिबिंब का न्यूनतम गुणांक 0.38 होना चाहिए। व्यावहारिक प्रयोगात्मक परिणामों के साथ इसी तरह के सैद्धांतिक निष्कर्ष पूरी तरह से तुलना किए जाते हैं।

दूसरा राज्य तब होता है जब the का मान 0.4 (टी ~ 5 ईवी) से अधिक हो जाता है। इस मामले में, प्रतिबिंब ~ 0.7 से T ~ 11 eV (छवि संख्या 2 ) तक बढ़ जाता है। इस समय, सीओईएस का बल कम हो जाता है जब एमआर का मूल्य 1 तक पहुंच जाता है। 5 ईवी के तापमान पर, प्रतिबिंब के गुणांक और प्रकीर्णन के समय की सैद्धांतिक निर्भरता के कारण पूर्ण ड्यूटेरियम आयनीकरण की उम्मीद की गई थी।

वैज्ञानिकों ने तब देखे गए प्रतिबिंब पर बिखरने के समय (test) के प्रभाव का परीक्षण करने का निर्णय लिया। इसके लिए, फ्रेसेल सूत्र और मुक्त इलेक्ट्रॉनों के मॉडल का उपयोग करके दर्ज किए गए डेटा के लिए of का मूल्य निर्धारित किया गया था।


चित्र संख्या 3

प्राप्त आंकड़ों ( 3 बी ) के लिए धन्यवाद, वैज्ञानिकों ने पाया कि टी / टीएफ ~ 0.4 तक, एक धातु तरल में एक फेरमी सतह मौजूद होगी। लेकिन इस तापमान संकेतक के ऊपर, अनुमानित विश्राम समय में वृद्धि का तात्पर्य अनुमेय गति में एक सीमा की अनुपस्थिति से है, और प्रतिबिंब गुणांक में वृद्धि प्राप्त करने के लिए, एक लंबी छूट का समय, यानी उच्च तापीय गति, आवश्यक है। इसलिए, अध्ययन क्षेत्र में विश्राम के समय को ध्यान में रखते हुए, वैज्ञानिकों ने पाया कि 1 ~ T1.55 the 0.04।

ये आंकड़े एक आदर्श प्लाज्मा (1 ~ T1.5) की शास्त्रीय नोंडेगेंरेट सीमा के बहुत करीब हैं।

चित्रा 3 ए एक घने प्लाज्मा में दो परिवहन मॉडल द्वारा अनुमानित मूल्यों के साथ विद्युत चालकता के प्रयोगात्मक व्युत्पन्न मूल्य की तुलना करने के परिणामों को दर्शाता है। इन मॉडलों को दो विपरीत प्रतिबंधों के लिए कम किया गया है: ज़िमैन और गैर-पतित स्पिट्जर को पतित करें। हालांकि, वे क्रॉसओवर * की सटीक स्थिति का संकेत नहीं देते हैं।

क्रॉसओवर * - बाहरी मापदंडों में परिवर्तन के साथ एक थर्मोडायनामिक प्रणाली के महत्वपूर्ण सूचकांकों में परिवर्तन, जिसके दौरान सिस्टम की समरूपता में कोई परिवर्तन नहीं होता है या थर्मोडायनामिक मापदंडों में कूदता है।

यह क्रॉसओवर घने प्रवाहकीय तरल पदार्थों के थर्मोडायनामिक और इलेक्ट्रॉनिक गुणों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। वैज्ञानिक निम्नलिखित उदाहरण देते हैं: सिस्टम की रासायनिक क्षमता का संकेत T (T) Fermi में धनात्मक से परिवर्तन होता है - मैक्सवेल प्लाज्मा में ऋणात्मक सीमा ऋणात्मक होती है, और विशिष्ट ऊष्मा C _υ से ∝ / T / T से पतित सीमा में C _υ ~ 3 R. तक जाती है।


चित्र संख्या 4

अंत में, वैज्ञानिक उनके निर्माण की तुलना इसी तरह के प्रयोगों से करते हैं, लेकिन ड्यूटेरियम के साथ नहीं, बल्कि पतला तरल ³ He (हीलियम -3) के साथ या अल्ट्राकोल्ड एल्कलाइन गैसों के साथ। इन प्रणालियों में, परमाणु फ़र्मोनिक प्रणाली के गतिशील गुणों के तापमान निर्भरता का एक समान क्रॉसओवर पहले से ही क्वांटम सांख्यिकी (ऊपर छवि) को संदर्भित करता है। तापमान और घनत्व के संकेतकों के 8-12 गुना के अंतर के बावजूद, फ़र्मि सिस्टम में अध: पतन के नियम सभी प्रणालियों के लिए सामान्य बने हुए हैं।

एक व्यावहारिक प्रयोग के परिणाम घने हाइड्रोजन प्लाज्मा के लिए मोंटे कार्लो विधियों का उपयोग करके गणना के डेटा के साथ उत्कृष्ट समझौते में हैं। इन गणनाओं ने विभिन्न घनत्वों के लिए टी <0.4 टीएफ में प्लाज्मा में इलेक्ट्रॉनों का एक महत्वपूर्ण पुनर्व्यवस्थापन / विनिमय दिखाया। इस सूचक के ऊपर तापमान बढ़ाने से क्वांटम विनिमय की संभावना दो या दो से अधिक इलेक्ट्रॉनों के बीच कम हो जाती है। चूँकि Fermi सतह के निर्माण के लिए इलेक्ट्रॉनों का क्रमचय / आदान-प्रदान आवश्यक है, बढ़ते तापमान के साथ, इलेक्ट्रॉनों का अब अध: पतन नहीं होता है, और Fermi गोला ढह जाता है।

अध्ययन के विवरण के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं दृढ़ता से अनुशंसा करता हूं कि आप अनुसंधान समूह की रिपोर्ट देखें ।

उपसंहार

वैज्ञानिक उनके काम से बेहद प्रसन्न हैं। जो आश्चर्यजनक नहीं है, यह देखते हुए कि उनका काम बहुत उपयोगी हो सकता है। सबसे पहले, कॉम्पैक्ट खगोल भौतिकी निकायों में अध: पतन मानदंडों की भविष्यवाणी, जो हमें वायुमंडल और पतित कोर के बीच सीमा निर्धारित करने की अनुमति देगा। दूसरे, थर्मोन्यूक्लियर संलयन की वस्तुओं में, जो वांछित तापमान सीमा को सटीक रूप से निर्धारित करेगा जिसमें परमाणु ईंधन निहितार्थ के दौरान होना चाहिए (एक विस्फोट भीतर की ओर निर्देशित)। इसके अलावा, वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि उनके काम से गर्म घने पदार्थ में क्वांटम घटना के अध्ययन में मदद मिलेगी।

क्षमता वास्तव में महान है, साथ ही साथ उन सवालों की संख्या जो वैज्ञानिकों को प्लाज्मा और इस तरह के एक असामान्य पदार्थ - तरल धातु ड्यूटेरियम दोनों के आगे के अध्ययन के दौरान जवाब देना बाकी है।



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