Alkimia Abad 21: Mengubah Deuterium Logam Cair menjadi Plasma

Apa kesamaan bintang, kilat, dan cahaya utara? Semua "objek" ini indah dengan caranya sendiri, terkadang pengamat membangkitkan pikiran eksistensial dan perasaan romantis. Namun, dari sudut pandang fisika, mereka memiliki fitur yang sama - plasma. Gas terionisasi ini, yang dianggap sebagai materi agregat keempat (selain padat, cair, dan gas), sangat umum di luasnya Semesta dan diproduksi secara massal oleh manusia. Hari ini kita akan mempertimbangkan sebuah studi di mana para ilmuwan dapat mengubah deuterium logam cair menjadi plasma. Apa sebenarnya yang diperlukan untuk ini dan apa hasil dari percobaan "alkimia" ini? Kami akan mencari jawaban dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Latar belakang

Pertama-tama, ada baiknya mengingatkan diri Anda sendiri bahwa ada plasma dan deuterium.

Plasma adalah gas terionisasi yang bukan merupakan zat dalam kondisi gas. Pun fisik seperti itu. Unsur utama plasma adalah elektron dan ion bebas. Orang-orang ini sangat mobile, dari mana plasma melakukan arus listrik dengan sempurna.

Keadaan ini ditemukan kembali pada tahun 1879 oleh fisikawan dan ahli kimia Inggris William Crookes. Dia percaya bahwa gas terionisasi mengandung jumlah ion dan elektron yang sama, karena muatan total zat tersebut akan sangat kecil. Dan ini benar - partikel positif dan negatif (yang bertanggung jawab) di dalam plasma berada dalam keseimbangan penuh, yaitu, muatan partikel saling membatalkan, sebagai akibatnya muatan medan plasma internal adalah nol. Netralisasi muatan satu sama lain dalam partikel disebut quasineutrality.

Plasma, seperti yang saya katakan sebelumnya, adalah materi keempat, meskipun tidak semua ilmuwan setuju dengan pernyataan ini. Namun, perlu dicatat bahwa ada sejumlah perbedaan dari keadaan gas "biasa", yang memberikan plasma hak untuk disebut keadaan keempat yang terpisah. Di antara perbedaan-perbedaan ini adalah: konduktivitas listrik yang tinggi, banyak partikel bebas dari satu sama lain (ion, elektron dan partikel netral), distribusi kecepatan non-Maxwellian, interaksi kolektif partikel.

Ahli astrofisika, produsen elektronik, dan bahkan ahli meteorologi akrab dengan plasma. Bintang-bintang, angin matahari, luar angkasa, nebula antarbintang adalah plasma. Petir, lampu utara, ionosfer, dan lampu St. Elmo adalah plasma. Isi lampu neon neon, mesin roket plasma, monitor dan televisi juga merupakan jenis plasma tertentu. Dengan kata lain, plasma tidak banyak.

Saat ini, ada beberapa metode untuk persiapan laboratorium plasma, termasuk: memanaskan suatu zat, ionisasi dengan radiasi (ultraviolet, sinar-X, laser, dll.), Muatan listrik, ionisasi oleh gelombang kejut, dll.

Paling sering, itu adalah metode termal untuk memproduksi plasma yang disebutkan, yaitu, dengan memanaskan zat tertentu ke suhu yang sangat tinggi. Selama proses ini, perubahan tertentu terjadi pada atom-atom materi - elektron terlepas dari orbitnya, menghasilkan elektron bebas dan ion yang terpisah.



Plasma juga dapat diperoleh dengan melewatkan arus listrik melalui gas - metode pelepasan gas. Dalam hal ini, ionisasi gas terjadi, derajatnya dapat diubah dengan memanipulasi parameter saat ini. Namun, plasma yang dihasilkan, yang sebenarnya dipanaskan oleh arus listrik, dapat dengan cepat menjadi dingin ketika bersentuhan dengan partikel gas sekitarnya yang tidak bermuatan.


Plasma di garasi (jangan ulangi percobaan ini di rumah, jika Anda tidak ingin kunjungan tambahan dari dokter dan petugas pemadam kebakaran).

Dan sekarang sedikit tentang deuterium, tetapi bukan tentang yang sederhana, tetapi tentang logam.

Sebagai permulaan, apa itu deuterium? Ini adalah hidrogen berat (D atau ² H), yaitu isotop hidrogen yang memiliki 1 neutron dan 1 proton dalam nukleus (disebut deuteron).


Sebuah video tentang seberapa banyak air yang diperoleh dari air biasa - deuterium.

Untuk pertama kalinya, deuterium dirilis pada 1932 (1931) berkat ilmuwan Amerika Harold Urey dan Ferdinand Brickedde, yang menyuling 5 liter hidrogen cair. Hasil dari prosedur ini adalah cairan 1 ml.

Tetapi ini adalah deuterium biasa, dalam penelitian yang sedang kita bahas hari ini kita berbicara tentang deuterium logam. Zat ini diperoleh melalui paparan tekanan tinggi dan suhu tinggi pada deuterium.

Pada 2015, para ilmuwan melakukan percobaan untuk "mengubah" isolator menjadi konduktor. Itu adalah deuterium yang dipilih sebagai subjek. Tautan unduhan untuk laporan penelitian ini.

Dan hanya setelah beberapa tahun, deuterium logam menjadi objek studi baru di mana para ilmuwan memutuskan untuk mengubahnya menjadi plasma.

Hasil penelitian

Selama penelitian, kerang karbon deuterasi bulat diisi dengan deuterium cair digunakan, yang terkena beberapa pulsa laser (100 ps, ​​picoseconds). Prosedur ini memungkinkan untuk mendapatkan gelombang kejut konvergen bulat dalam cairan deuterium itu sendiri (ρ ₀ = 0,172 g / cm ³ ). Laser pulsa meluncurkan penggerak pulsa, yang awalnya menghasilkan kuat (hingga ~ 5,5 Mbar), tetapi tidak berdampak seragam, mengurangi tekanan dan kecepatan dampak selama propagasi.


Gambar No. 1

VISAR * (kompleks interferometer kecepatan untuk reflektor apa pun) dan pirometer optik * digunakan untuk mengukur profil kecepatan kejut dan emisi sendiri guncangan berdenyut dalam deuterium cair.

VISAR * adalah sistem pengukuran kecepatan resolusi-waktu yang menggunakan laser interferometri untuk mengukur kecepatan permukaan benda padat yang bergerak dengan kecepatan tinggi.

Pyrometer * - perangkat pengukuran suhu non-kontak tel.

Gambar 1A menunjukkan hasil VISAR: sumbu vertikal adalah dampak dibagi dengan waktu (sumbu horizontal). Dari pengamatan ini dapat disimpulkan bahwa tingkat peluruhan cukup rendah dibandingkan dengan waktu ekuilibrasi.

Analisis optik ( 1C ) dilakukan langsung di atas penghalang kejut pada kedalaman 30-40 nm. Angka-angka ini tidak diambil dari langit-langit - ini cukup dalam untuk mengamati keadaan seimbang plasma, dan cukup dangkal untuk terus memantau perubahan kondisi dampak selama pelemahannya ( 1B ).

Para ilmuwan juga menganalisis koefisien refleksi absolut ( R ), diisolasi dari indikator intensitas laser VISAR yang dipantulkan dari deuterium selama tumbukan ( 1E ). Data suhu diperoleh dengan mengukur radiasi spektral dari penghalang kejut ( 1D ).

Selama pengujian, para ilmuwan mengamati redaman kejutan dari 60 km / jam menjadi 35 km / jam, yang setara dengan kisaran tekanan ~ 5,5 ... ~ 0,5 Mbar. Dalam kisaran ini, kerapatan praktis tidak berubah (ρ = 0,774, TF = 13,8 eV), namun perubahan suhu dari 3 menjadi 11 eV (1 eV = 11,603 K) diamati. Mengingat sifat optik deuterium, dikompresi menjadi 0,774 g / cm ³ , yaitu, indikator refleksi, para ilmuwan dapat memeriksa sifat elektroniknya.

Pada tekanan rendah, kopling dan degenerasi yang kuat diamati dalam sampel ( ≫ 1, ϴ ≪ 1). Tetapi dengan meningkatnya suhu, karakteristik inilah yang berubah sejak awal. Para ilmuwan membedakan dua keadaan ketika parameter ini berubah. Dalam yang pertama, pada 0,15 <ϴ <0,4 dan 2,6 <T <6, refleksi optik konstan sekitar 40% diamati.


Gambar 2: Rasio koefisien refleksi dan adhesi.

Nilai ini dijelaskan oleh minimum konduktivitas logam menurut aturan Mott - Ioffe - Regel, ketika waktu untuk relaksasi ion - elektron tergantung pada jarak interatomik ( a ) dan kecepatan Fermi (v _F ): τ _min = a / v _F. Aturan Mott - Ioffe - Regel memprediksi bahwa dengan ionisasi penuh, koefisien refleksi optik minimum harus 0,38 untuk emisi cahaya pada 532 nm. Kesimpulan teoretis yang serupa dengan sempurna dibandingkan dengan hasil eksperimen praktis.

Keadaan kedua terjadi ketika nilai ϴ ​​melebihi 0,4 (T ~ 5 eV). Dalam hal ini, pantulan meningkat menjadi ~ 0,7 pada T ~ 11 eV (gambar No. 2 ). Pada saat ini, gaya kohesif menurun ketika nilai mencapai 1. Pada suhu 5 eV, ionisasi deuterium penuh diharapkan karena ketergantungan teoretis dari koefisien refleksi dan waktu hamburan.

Para ilmuwan kemudian memutuskan untuk menguji efek waktu hamburan (τ) pada pantulan yang diamati. Untuk ini, nilai τ ditentukan untuk data yang direkam menggunakan rumus Fresnel dan model elektron bebas.


Gambar No. 3

Berkat data yang diperoleh ( 3B ), para ilmuwan menemukan bahwa hingga T / TF ~ 0,4, permukaan Fermi akan ada dalam cairan logam. Tetapi di atas indikator suhu ini, peningkatan waktu relaksasi diperkirakan menyiratkan tidak adanya batasan dalam kecepatan yang diizinkan, dan untuk mencapai peningkatan koefisien refleksi, waktu relaksasi yang lebih lama, yaitu, kecepatan termal yang lebih tinggi, diperlukan. Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan waktu relaksasi di daerah yang diteliti, para ilmuwan menemukan bahwa τ ~ T1.55 ± 0,04.

Angka-angka ini sangat dekat dengan batas nondegenerate klasik dari plasma ideal (τ ~ T1.5).

Gambar 3A menunjukkan hasil membandingkan nilai yang diturunkan secara eksperimental dari konduktivitas listrik dengan nilai-nilai yang diprediksi oleh dua model transportasi dalam plasma padat. Model-model ini direduksi menjadi dua batasan yang berlawanan: degenerate Ziman dan Spitzer non-degenerate. Namun, mereka tidak menunjukkan posisi yang tepat dari crossover * .

Crossover * - perubahan dalam indeks kritis sistem termodinamika dengan perubahan parameter eksternal, di mana tidak ada perubahan dalam simetri sistem atau lompatan dalam parameter termodinamika yang diamati.

Crossover ini memainkan peran penting dalam sifat termodinamika dan elektronik dari cairan konduktif padat. Para ilmuwan memberikan contoh berikut: tanda potensi kimia sistem µ (T) berubah dari positif dalam batas Fermi - Dirac menjadi negatif dalam plasma Maxwell, dan panas spesifik C pergi dari C _υ ∝ T / T f dalam batas degenerasi menjadi C _υ ~ 3 R.


Gambar No. 4

Akhirnya, para ilmuwan membandingkan kreasi mereka dengan eksperimen serupa, tetapi tidak dengan deuterium, tetapi dengan cairan encer ³ He (helium-3) atau dengan gas alkali ultracold. Dalam sistem ini, crossover serupa dari ketergantungan suhu dari sifat dinamis dari sistem fermionik atom sudah mengacu pada statistik kuantum (gambar di atas). Terlepas dari perbedaan 8-12 kali indikator suhu dan kepadatan, aturan degenerasi dalam sistem Fermi tetap umum untuk semua sistem.

Hasil percobaan praktis sangat sesuai dengan data perhitungan menggunakan metode Monte Carlo untuk plasma hidrogen padat. Perhitungan ini menunjukkan penataan / pertukaran elektron yang signifikan dalam plasma pada T <0,4 TF untuk kepadatan yang berbeda. Meningkatkan suhu di atas indikator ini secara signifikan mengurangi kemungkinan pertukaran kuantum antara dua atau lebih elektron. Karena permutasi / pertukaran elektron diperlukan untuk pembentukan permukaan Fermi, dengan meningkatnya suhu, elektron tidak lagi berdegenerasi, dan bola Fermi runtuh.

Untuk seorang kenalan yang lebih terperinci dengan perincian studi ini, saya sangat menyarankan agar Anda memeriksa laporan kelompok riset .

Epilog

Para ilmuwan sangat senang dengan pekerjaan mereka. Yang tidak mengejutkan, mengingat di mana pekerjaan mereka bisa sangat bermanfaat. Pertama, prediksi kriteria degenerasi dalam benda-benda astrofisika kompak, yang akan memungkinkan kita untuk menentukan batas antara atmosfer dan inti degenerasi. Kedua, pada benda-benda fusi termonuklir, yang secara akurat akan menentukan kisaran suhu yang diinginkan di mana bahan bakar nuklir harus selama ledakan (ledakan diarahkan ke dalam). Selain itu, para ilmuwan percaya bahwa pekerjaan mereka akan membantu dalam mempelajari fenomena kuantum dalam materi padat hangat.

Potensinya sangat besar, serta sejumlah pertanyaan yang belum dijawab oleh para ilmuwan selama studi lebih lanjut tentang plasma dan zat yang tidak biasa - deuterium logam cair.



Terima kasih telah menonton, tetap ingin tahu dan memiliki akhir pekan yang hebat, semuanya.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?