21世纪的炼金术：将液态金属氘转化为等离子体

星星，闪电和北极光有什么共同点？ 所有这些“对象”以自己的方式都是美丽的，有时观察者会唤起存在的思想和浪漫的感觉。 但是，从物理学的角度来看，它们具有一个共同的特征-等离子体。 这种电离气体被认为是物质的第四种聚集状态（除了固体，液体和气体之外），在宇宙的广阔区域中非常普遍，并由人大量产生。 今天，我们将考虑一项研究，科学家能够将液态金属氘转化为等离子体。 究竟需要什么，这个“炼金术”实验的结果是什么？ 我们将在研究小组的报告中寻找答案。 走吧

背景知识

首先，有必要简短地提醒自己，血浆和氘。

等离子体是一种离子化气体，不是气态物质。 这样的双关语。 等离子体的主要元素是自由电子和离子。 这些家伙非常灵活，等离子体可以从中完美地传导电流。

这种状态早在1879年就由英国物理学家和化学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）发现。 他认为电离的气体包含相同数量的离子和电子，因为这种物质的总电荷会很小。 的确如此-等离子体内部的正负粒子（带电）处于完全平衡状态，也就是说，粒子的电荷相互抵消，因此内部等离子体场的电荷为零。 粒子中彼此电荷的这种中和称为准中性。

正如我之前所说，等离子体是物质的第四态，尽管并非所有科学家都同意这种说法。 但是，值得注意的是，与“普通”气态存在许多差异，这赋予了等离子体被称为单独的第四态的权利。 这些差异包括：高电导率，许多彼此独立的粒子（离子，电子和中性粒子），非麦克斯韦速度分布，粒子的集体相互作用。

天体物理学家，电子产品制造商，甚至气象学家都熟悉等离子体。 恒星，太阳风，外太空，星际星云都是等离子体。 闪电，北极光，电离层和圣埃尔莫的光都是等离子的。 荧光霓虹灯，等离子火箭发动机，监视器和电视的内容也是某种类型的等离子。 换句话说，等离子体不多。

目前，有几种实验室制备血浆的方法，包括：加热物质，通过辐射（紫外线，X射线，激光等）电离，电荷，通过冲击波电离等。

最经常提到的是产生等离子体的热方法，即通过将某种物质加热到很高的温度。 在此过程中，物质原子发生了某些变化-电子从其轨道上脱离，从而产生了独立的自由电子和独立的离子。



等离子体也可以通过使电流流过气体来获得-气体放电法。 在这种情况下，会发生气体电离，其程度可以通过控制当前参数来更改。 但是，实际上被电流加热的最终等离子体在与周围气体的不带电粒子接触时会迅速冷却。


车库中的血浆（如果您不想让医生和消防员额外造访，请不要在家中重复此实验）。

现在，关于氘的问题，不是简单的，而是关于金属的。

首先，氘是什么？ 这是重氢（D或² H），即原子核中有1个中子和1个质子的氢同位素（称为氘核）。


有关如何从普通水-氘中获取重水的视频。

氘在1932年（1931年）首次获释，这要归功于美国科学家Harold Urey和Ferdinand Brikvedde，他们蒸馏了5升液态氢。 此过程的结果是1毫升液体。

但这是普通的氘，在今天的研究中我们正在考虑金属氘。 该物质是通过在氘上暴露于高压和高温获得的。

2015年，科学家进行了一项实验，将绝缘子“变成”导体。 被选中的是氘。 下载此研究报告的链接 。

仅仅几年之后，金属氘就成为一项新研究的对象，科学家决定将其转变为等离子体。

研究成果

在研究过程中，使用了充满液态氘的球形氘碳壳，将其暴露于数个激光脉冲（100 ps，皮秒）下。 该程序使得可以在液态氘本身中获得球形会聚冲击波（ρ0 = 0.172 g / cm ³ ）。 激光脉冲启动了一个脉冲驱动器，该驱动器最初产生了很强的冲击力（最高约5.5 Mbar），但冲击力却不均匀，从而在传播过程中降低了压力和速度。


图片编号1

VISAR * （用于任何反射器的速度干涉仪的复合体）和光学高温计*用于测量液体氘内部的冲击速度曲线和脉冲冲击的自发射。

VISAR *是一个时间分辨率速度测量系统，它使用激光干涉术来测量高速移动的固体的表面速度。

高温计* -非接触式温度测量设备tel。

图1A显示了VISAR的结果：垂直轴是冲击除以时间（水平轴）。 从该观察结果可以看出，与平衡时间相比，衰减率非常低。

光学分析（ 1C ）是在冲击屏障上方直接进行的，深度为30-40 nm。 这些数字并非取自天花板-足够深，可以观察到等离子体的平衡状态，而足够浅，可以连续监视冲击衰减期间的变化状态（ 1B ）。

科学家还分析了绝对反射系数（ R ），该系数与撞击期间从氘反射的VISAR激光的强度指标（ 1E ）隔离。 通过测量减震器（ 1D ）的光谱辐射获得温度数据。

在测试过程中，科学家们观察到了从60 km / h到35 km / h的冲击衰减，这相当于〜5.5 ...〜0.5 Mbar的压力范围。 在此范围内，密度几乎不变（ρ= 0.774，TF = 13.8 eV），但是，观察到温度从3到11 eV（1 eV = 11,603 K）变化。 鉴于氘的光学特性压缩到0.774 g / cm ³ ，即反射指示剂，科学家能够检查其电子特性。

在低压下，样品中观察到强耦合和简并（≫ 1，ϴ≪ 1）。 但是随着温度的升高，正是这些特性首先发生了变化。 这些参数发生变化时，科学家会区分两种状态。 在前者中，在0.15 <ϴ <0.4和2.6 <T <6时，观察到约40％的恒定光学反射。


图像2：反射系数与附着力的比率。

当电子-离子弛豫的时间取决于原子间距离（ a ）和费米速度（v _F ）时，根据莫特-艾菲-雷格尔（Mott-Ioffe-Regel）规则，用金属导电率的最小值描述该值：τmin = a / vF _。 Mott – Ioffe – Regel规则预测，在完全电离的情况下，对于532 nm处的光发射，最小光学反射系数应为0.38。 类似的理论结论与实际实验结果完美地进行了比较。

当the的值超过0.4（T〜5 eV）时，出现第二种状态。 在这种情况下，反射在T〜11 eV时增加至〜0.7（图像2 ）。 此刻，当的值达到1时，内聚力减小。在5 eV的温度下，由于反射系数和散射时间的理论依赖性，预期氘完全电离。

然后，科学家决定测试散射时间（τ）对观察到的反射率的影响。 为此，对于使用菲涅耳公式和自由电子模型记录的数据确定τ值。


图片编号3

由于获得的数据（ 3B ），科学家发现，直到T / TF〜0.4，费米表面都会存在于金属液体中。 但是，在该温度指示器之上，估计的弛豫时间的增加意味着对允许速度的限制不存在，并且要实现反射系数的增加，则需要更长的弛豫时间，即更高的热速度。 因此，考虑到研究区域的弛豫时间，科学家发现τ〜T1.55±0.04。

这些数字非常接近理想等离子体的经典非简并极限（τ〜T1.5）。

图3A示出了将实验得出的电导率值与在稠密等离子体中由两种传输模型预测的值进行比较的结果。 这些模型减少到两个相反的限制：简并的Ziman和非简并的Spitzer。 但是，它们未指示分频器*的确切位置。

交叉* -热力学系统的临界指数随外部参数的变化而变化，在此期间，未观察到系统对称性的变化或热力学参数的跳跃。

这种交换作用在致密导电液体的热力学和电子特性中起着重要作用。 科学家给出以下示例：系统的化学势符号（T）从费米–狄拉克极限的正值变为麦克斯韦等离子体的负值，比热_{Cυ 从简}并极限的_CυT / T f变为_Cυ〜3R 。


图片编号4

最后，科学家将他们的创造物与类似的实验进行了比较，但不是用氘，而是用稀释的³ He（氦3）液体或超冷碱性气体。 在这些系统中，原子铁离子系统动力学特性的温度依赖性的类似交叉已经涉及量子统计（上图）。 尽管温度和密度指标相差8-12倍，但费米系统的简并性规则对于所有系统仍然通用。

实际实验的结果与使用Monte Carlo方法进行的致密氢等离子体的计算数据非常吻合。 这些计算表明，在不同密度下，T <0.4 TF时，等离子体中的电子发生了显着的重排/交换。 将温度提高到该指标之上会显着降低两个或多个电子之间的量子交换概率。 由于电子的交换/交换是费米表面形成所必需的，因此随着温度的升高，电子不再退化，费米球体坍塌。

要更详细地了解研究细节，强烈建议您查看研究小组的报告 。

结语

科学家对他们的工作感到非常满意。 考虑到他们的工作在哪里很有用，这不足为奇。 首先，对致密天体天体退化标准的预测，这将使我们能够确定大气层与退化核之间的边界。 其次，在热核聚变的目的上，它将精确地确定爆燃期间核燃料应处于的期望温度范围（向内爆炸）。 此外，科学家认为，他们的工作将有助于研究热致密物质中的量子现象。

潜力确实很大，而且在进一步研究血浆和这种不寻常的物质-液态金属氘时，科学家还没有回答很多问题。



谢谢大家收看，保持好奇心，祝大家周末愉快。

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