Alquimia do século XXI: Convertendo Deutério de Metal Líquido em Plasma

O que estrelas, raios e luzes do norte têm em comum? Todos esses "objetos" são bonitos à sua maneira, às vezes o observador evoca pensamentos existenciais e sentimentos românticos. No entanto, do ponto de vista da física, eles têm uma característica comum - o plasma. Esse gás ionizado, considerado o quarto estado agregado da matéria (além de sólido, líquido e gasoso), é muito comum na vastidão do Universo e é produzido em massa pelas pessoas. Hoje vamos considerar um estudo em que os cientistas foram capazes de converter deutério de metal líquido em plasma. O que exatamente foi necessário para isso e quais são os resultados desse experimento "alquímico"? Procuraremos respostas no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Antecedentes

Antes de tudo, vale a pena lembrar brevemente que existe plasma e deutério.

O plasma é um gás ionizado que não é uma substância gasosa. Um trocadilho físico. Os principais elementos do plasma são elétrons e íons livres. Esses caras são muito móveis, dos quais o plasma conduz perfeitamente a corrente elétrica.

Esse estado foi descoberto em 1879 pelo físico e químico inglês William Crookes. Ele acreditava que o gás ionizado contém o mesmo número de íons e elétrons, porque a carga total de tal substância será muito pequena. E isso é verdade - as partículas positivas e negativas (responsáveis) no interior do plasma estão em completo equilíbrio, ou seja, as cargas das partículas se cancelam umas às outras, como resultado da qual a carga do campo interno do plasma é zero. Tal neutralização das cargas umas das outras nas partículas é chamada quase neutralidade.

O plasma, como eu disse anteriormente, é o quarto estado da matéria, embora nem todos os cientistas concordem com essa afirmação. No entanto, vale a pena notar que existem várias diferenças em relação ao estado gasoso "comum", que dão ao plasma o direito de ser chamado de quarto estado separado. Entre essas diferenças estão: alta condutividade elétrica, muitas independentes umas das outras partículas (íons, elétrons e partículas neutras), distribuição de velocidade não maxwelliana, interação coletiva de partículas.

Astrofísicos, fabricantes de eletrônicos e até meteorologistas estão familiarizados com o plasma. Estrelas, vento solar, espaço sideral, nebulosas interestelares são plasma. Raios, luzes do norte, ionosfera e luzes de St. Elmo são plasma. O conteúdo de lâmpadas de neon fluorescentes, motores de foguete de plasma, monitores e televisões também é um certo tipo de plasma. Em outras palavras, não há muito plasma.

No momento, existem vários métodos para a preparação laboratorial de plasma, incluindo: aquecimento de uma substância, ionização por radiação (ultravioleta, raio X, laser, etc.), carga elétrica, ionização por ondas de choque, etc.

Na maioria das vezes, é mencionado o método térmico para a produção de plasma, ou seja, aquecendo uma determinada substância a temperaturas muito altas. Durante esse processo, certas mudanças ocorrem nos átomos da matéria - os elétrons se separam de suas órbitas, resultando em elétrons livres separadamente e íons separados.



O plasma também pode ser obtido passando uma corrente elétrica através de um gás - o método de descarga de gás. Nesse caso, ocorre a ionização de gás, cujo grau pode ser alterado através da manipulação dos parâmetros atuais. No entanto, o plasma resultante, que é realmente aquecido por corrente elétrica, pode esfriar rapidamente quando entra em contato com partículas não carregadas do gás circundante.


Plasma na garagem (não repita esse experimento em casa, se você não quiser uma visita extra de médicos e bombeiros).

E agora um pouco sobre deutério, mas não sobre simples, mas sobre metal.

Para começar, o que é deutério? É o hidrogênio pesado (D ou ² H), ou seja, um isótopo de hidrogênio que possui 1 nêutron e 1 próton no núcleo (chamado deuteron).


Um vídeo sobre como a água pesada é obtida da água comum - deutério.

Pela primeira vez, o deutério foi liberado em 1932 (1931), graças aos cientistas americanos Harold Urey e Ferdinand Brikvedde, que destilaram 5 litros de hidrogênio líquido. O resultado deste procedimento foi um líquido de 1 ml.

Mas isso é deutério comum. No estudo que estamos considerando hoje, estamos falando sobre deutério metálico. Esta substância foi obtida através da exposição a alta pressão e altas temperaturas no deutério.

Em 2015, os cientistas realizaram um experimento para "transformar" o isolador em um condutor. Foi o deutério que foi escolhido como sujeito. Link para download deste relatório de estudo.

E somente depois de alguns anos, o deutério metálico tornou-se objeto de um novo estudo no qual os cientistas decidiram transformá-lo em plasma.

Resultados da pesquisa

Durante o estudo, foram utilizadas conchas esféricas de carbono deuteradas preenchidas com deutério líquido, expostas a vários pulsos de laser (100 ps, ​​picossegundos). Este procedimento possibilitou a obtenção de uma onda de choque esfericamente convergente no próprio deutério líquido (ρ ₀ = 0,172 g / cm ³ ). O pulso do laser lançou um drive de pulso, que inicialmente produziu um impacto forte (até ~ 5,5 Mbar), mas não uniforme, diminuindo a pressão e a velocidade do impacto durante a propagação.


Imagem Nº 1

VISAR * (um complexo de um interferômetro de velocidade para qualquer refletor) e um pirômetro óptico * foram usados ​​para medir os perfis de velocidade de choque e a auto-emissão de choques pulsados ​​no deutério líquido.

O VISAR * é um sistema de medição de velocidade com resolução de tempo que utiliza interferometria a laser para medir a velocidade da superfície de sólidos em movimento em alta velocidade.

Pirômetro * - dispositivo de medição de temperatura sem contato tel.

A Figura 1A mostra os resultados do VISAR: o eixo vertical é o impacto dividido pelo tempo (eixo horizontal). A partir desta observação, segue-se que a taxa de decaimento é bastante baixa em comparação com o tempo de equilíbrio.

A análise óptica ( 1C ) foi realizada diretamente acima da barreira de choque a uma profundidade de 30-40 nm. Esses números não foram tirados do teto - isso é profundo o suficiente para observar o estado equilibrado do plasma e superficial o suficiente para monitorar continuamente a mudança do estado do impacto durante sua atenuação ( 1B ).

Os cientistas também analisaram o coeficiente de reflexão absoluto ( R ), isolado dos indicadores de intensidade do laser VISAR refletido no deutério durante o impacto ( 1E ). Os dados de temperatura foram obtidos medindo a radiação espectral da barreira de choque ( 1D ).

Durante os testes, os cientistas observaram uma atenuação de choque de 60 km / ha 35 km / h, o que equivale a uma faixa de pressão de ~ 5,5 ... ~ 0,5 Mbar. Dentro dessa faixa, a densidade é praticamente inalterada (ρ = 0,774, TF = 13,8 eV), no entanto, mudanças de temperatura de 3 a 11 eV (1 eV = 11.603 K) são observadas. Dadas as propriedades ópticas do deutério, compactadas em 0,774 g / cm ³ , isto é, indicadores de reflexão, os cientistas conseguiram verificar suas propriedades eletrônicas.

A baixa pressão, forte acoplamento e degeneração são observados na amostra (≫ ≫ 1, ϴ ≪ 1). Mas com o aumento da temperatura, são essas características que mudam em primeiro lugar. Os cientistas distinguem dois estados quando esses parâmetros mudam. No primeiro, a 0,15 <ϴ <0,4 e 2,6 <T <6, é observada uma reflexão óptica constante de cerca de 40%.


Imagem 2: Proporção de coeficiente de reflexão e adesão.

Este valor é descrito pelo mínimo de condutividade do metal, de acordo com a regra de Mott - Ioffe - Regel, quando o tempo para o relaxamento de íons eletrônicos depende da distância interatômica ( a ) e da velocidade de Fermi (v _F ): τ _min = a / v _F. A regra de Mott-Ioffe-Regel prevê que, com ionização total, o coeficiente mínimo de reflexão óptica deve ser 0,38 para emissão de luz a 532 nm. Conclusões teóricas semelhantes são perfeitamente comparadas com resultados experimentais práticos.

O segundo estado ocorre quando o valor de ϴ excede 0,4 (T ~ 5 eV). Nesse caso, a reflexão aumenta para ~ 0,7 em T ~ 11 eV (imagem nº 2 ). Nesse momento, a força coesiva diminui quando o valor de atinge 1. A uma temperatura de 5 eV, era esperada uma ionização total do deutério devido à dependência teórica do coeficiente de reflexão e do tempo de dispersão.

Os cientistas decidiram então testar o efeito do tempo de espalhamento (τ) na refletância observada. Para isso, o valor de τ foi determinado para os dados registrados usando a fórmula de Fresnel e o modelo de elétrons livres.


Imagem No. 3

Graças aos dados obtidos ( 3B ), os cientistas descobriram que até T / TF ~ 0,4, uma superfície de Fermi existirá em um líquido metálico. Mas acima desse indicador de temperatura, um aumento no tempo estimado de relaxação implica na ausência de uma limitação na velocidade permitida e, para obter um aumento no coeficiente de reflexão, é necessário um tempo de relaxação mais longo, ou seja, velocidades térmicas mais altas. Portanto, levando em consideração o tempo de relaxamento na área estudada, os cientistas descobriram que τ ~ T1,55 ± 0,04.

Esses números estão muito próximos do limite clássico não-regenerado de um plasma ideal (τ ~ T1.5).

A Figura 3A mostra os resultados da comparação do valor experimentalmente derivado da condutividade elétrica com os valores previstos pelos dois modelos de transporte em um plasma denso. Esses modelos são reduzidos a duas restrições opostas: Ziman degenerado e Spitzer não degenerado. No entanto, eles não indicam a posição exata do cruzamento * .

Crossover * - uma mudança nos índices críticos de um sistema termodinâmico com uma mudança nos parâmetros externos, durante os quais não são observadas mudanças na simetria do sistema ou saltos nos parâmetros termodinâmicos.

Esse cruzamento desempenha um papel significativo nas propriedades termodinâmicas e eletrônicas de líquidos condutores densos. Os cientistas dão o seguinte exemplo: o sinal do potencial químico do sistema µ (T) muda de positivo no limite Fermi - Dirac para negativo no plasma Maxwell, e o calor específico C _υ passa de C T / T f no limite degenerado para C _≤ 3 R.


Imagem No. 4

Finalmente, os cientistas comparam sua criação com experimentos semelhantes, mas não com deutério, mas com o líquido diluído ³ He (hélio-3) ou com gases alcalinos ultracoldidos. Nestes sistemas, um cruzamento similar das dependências de temperatura das propriedades dinâmicas do sistema fermiônico atômico já se refere à estatística quântica (imagem acima). Apesar da diferença de 8 a 12 vezes os indicadores de temperatura e densidade, as regras de degeneração nos sistemas Fermi permanecem comuns para todos os sistemas.

Os resultados de um experimento prático estão em excelente concordância com os dados dos cálculos usando métodos de Monte Carlo para o plasma denso de hidrogênio. Esses cálculos mostraram um rearranjo / troca significativa de elétrons no plasma em T <0,4 TF para diferentes densidades. Aumentar a temperatura acima deste indicador reduz significativamente a probabilidade de troca quântica entre dois ou mais elétrons. Como a permutação / troca de elétrons é necessária para a formação da superfície de Fermi, com o aumento da temperatura, os elétrons não degeneram e a esfera de Fermi entra em colapso.

Para um conhecimento mais detalhado dos detalhes do estudo, recomendo fortemente que você analise o relatório do grupo de pesquisa .

Epílogo

Os cientistas estão extremamente satisfeitos com seu trabalho. O que não é surpreendente, considerando onde o trabalho deles pode ser muito útil. Primeiro, a previsão dos critérios de degeneração em corpos astrofísicos compactos, o que nos permitirá determinar a fronteira entre a atmosfera e o núcleo degenerado. Em segundo lugar, nos objetos de fusão termonuclear, que determinarão com precisão a faixa de temperatura desejada na qual o combustível nuclear deve estar durante a implosão (uma explosão direcionada para dentro). Além disso, os cientistas acreditam que seu trabalho ajudará no estudo de fenômenos quânticos em matéria densa e quente.

O potencial é realmente grande, assim como o número de perguntas que os cientistas ainda não responderam durante estudos adicionais de plasma e de uma substância tão incomum - deutério de metal líquido.



Obrigado por assistir, fique curioso e tenha um ótimo final de semana a todos, pessoal.

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