Sıvı metali plazmaya dönüştürün! Bilim adamım harika
Uzman olmayanların çoğu maddenin üç hali, yani katı, sıvı ve gaz halini bilir (artı plazma durumu dörtten fazladır). Ama varoluşun başka biçimleri de var: Örneğin plazma (yani plazma durumu), evrendeki en bol madde formudur ve güneş sistemimizdeki güneş ve diğer gezegenlerde mevcuttur.
(Daire kartı buraya eklendi, lütfen görüntülemek için Toutiao istemcisine gidin)Bilim adamları hala maddenin bu halinin temel ilkelerini anlamaya çalışıyorlar. Gerçekler, bu durumun sadece evrenin nasıl çalıştığını açıklamada değil, aynı zamanda alternatif enerji üretmek için maddenin kullanımında da giderek daha önemli hale geldiğini kanıtladı.
Brocade Park-Bilim Popülerleştirme: Rochester Üniversitesi Lazer Enerji Laboratuvarı'ndaki (LLE) araştırmacılar, sıvı metali plazmaya dönüştürmenin bir yolunu ilk kez keşfettiler. Ayrıca, sıvının yüksek yoğunluklu koşullar altında bir plazma durumuna dönüştüğü sıcaklığı da gözlemlediler.Fiziksel İnceleme Mektuplarında yayınlanan gözlemleri, yıldızların ve gezegenlerin daha iyi anlaşılması için anlamlıdır ve kontrollü nükleer elde edilmesine yardımcı olabilir. Füzyon - bu umut verici bir alternatif enerji kaynağıdır, bilim adamları on yıllardır bu hedefe ulaşamadılar! (Bu makalenin sonunda, takdir için bir plazma topu animasyonu var (^ ^ *))
Plazma nedir (plazma durumu)?
Plazma, elektriği kolayca ileten, serbestçe hareket eden elektron ve iyonlardan (elektron kaybetmiş atomlar) oluşan sıcak bir çorbadır. Plazma yeryüzünde yaygın olmasa da (hayatta kullanılan açık alevler tamamen olmasa da plazmadır), güneşin yüzeyi gibi gözlemlenebilir evrenin çoğunu oluştururlar. Bilim adamları, genellikle gazı binlerce Fahrenheit dereceye ısıtarak ve böylece atomların elektronlarını sıyırarak yeryüzünde yapay plazma üretebilirler. Daha küçük bir aralıkta bu, plazma TV'lerin ve neon ışıkların "parlayan" süreci ile aynıdır: Neon gazının atomları elektriksel olarak uyarılır ve neon ışıkların plazma durumuna girmesine ve fotonlar yaymasına neden olur.
Sıvıdan plazmaya
Bununla birlikte, LLE araştırma asistanı Mohamed Zaghoo ve meslektaşlarının gözlemlediği gibi, plazma oluşturmanın başka bir yolu var: yüksek yoğunluklu koşullar altında, sıvı metali yüksek bir sıcaklığa ısıtmak da yüksek yoğunluklu plazma üretecektir. İkinci dönüşüm daha önce bilimsel olarak hiç gözlemlenmemişti ve biz de aynen bunu yaptık. Bu gözlemin benzersiz bir özelliği, yüksek yoğunluklu sıvı metallerin kuantum özelliklerine sahip olmasıdır; ancak, yüksek yoğunluklarda bir plazma durumuna geçmelerine izin verilirse, klasik özellikler sergileyeceklerdir. 1920'lerde kuantum mekaniğinin iki kurucusu Enrico Fermi ve Paul Dirac istatistiksel formülleri tanıttı:
- Güneşin yüzeyinde patlayıcı bir plazma halkası görülebilir.Plazma, evrendeki en bol madde formudur. Rochester Üniversitesi'ndeki bilim adamları, plazma gözlemlemek ve yaratmak için yeni yollar arıyor. Resim: NASA / SDO
Elektronlar, nötronlar ve protonlardan (dünya nesnelerini oluşturan normal maddeler) oluşan maddenin davranışını tanımlar. Fermi ve Dirac, belirli koşullar altında (aşırı yüksek yoğunluk veya aşırı düşük sıcaklık) elektronların veya protonların klasik fizik tarafından tanımlanamayacak kuantum özelliklerine sahip olması gerektiğini varsaydılar. Bununla birlikte, plazma bu modeli izlemez. Sıvı metal ve plazmanın kesişimini gözlemlemek için LLE araştırmacıları, sıvıların klasik özelliklerini gösteren sıvı metal döteryum ile başladı. Döteryumun yoğunluğunu artırmak için araştırmacılar onu 21 Kelvin'e (-422 derece Fahrenheit) soğutdu.
Daha sonra araştırmacılar, ultra düşük sıcaklıktaki sıvı döteryumda güçlü bir şok dalgasını tetiklemek için LLE'nin OMEGA lazerini kullandılar. Şok dalgası döteryumu atmosfer basıncından 5 milyon kat daha fazla sıkıştırır ve ayrıca sıcaklığını yaklaşık 180.000 Fahrenheit dereceye yükseltir. Numune ilk başta tamamen şeffaftır, ancak basınç arttıkça yüksek optik yansıtıcılığa sahip parlak bir metal haline gelir. Numunenin yansıtıcılığını ve sıcaklık ilişkisini izleyerek, bu basit ve parlak sıvı metalin yoğun bir plazmaya dönüştüğü koşulları doğru bir şekilde gözlemlemek mümkündür.
Olağanüstü durumlardaki şeyleri anlayın
Araştırmacılar, bu sıvı metalin başlangıçta aşırı sıcaklık ve yoğunluklarda beklenebilen elektronların kuantum özelliklerini sergilediğini gözlemlediler. Bununla birlikte, yaklaşık 90.000 Fahrenheit derecesinde, metal döteryumun yansıtıcılığı artmaya başlar.Sistemdeki elektronlar artık kuantum değil de klasik ise, o zaman yansıtma artar, bu da metalin plazma haline geldiği anlamına gelir. . Başka bir deyişle, LLE araştırmacıları basit bir sıvıyla başladı. Yoğunluğun aşırı koşullara yükseltilmesi, sıvının kuantum özellikleri sergileyen bir duruma girmesine neden olur. LLE kıdemli bilim insanı ve çalışmanın ortak yazarı Su Xing Hu (transliterasyon) şunları söyledi: Sıcaklıktaki artış onu plazmaya daha da dönüştürüyor.Şu anda klasik özellikler sergiliyor, ancak hala yüksek yoğunluklu koşullar altında.
LLE bilim adamları, yüksek yoğunluklu koşullar altında sıvı metali plazmaya dönüştürür, yoğunluğu aşırı koşullara yükseltir ve sıvının kuantum özellikleri gösteren bir duruma girmesini sağlar. Yukarıdaki şekil, yalnızca iki elektronun aynı durumu paylaşabildiği yüksek yoğunluklu bir sıvı metaldeki elektronların kuantum dağılımını göstermektedir. Ancak sıcaklık 0,4'e çıktığında. Fermi sıcaklığında (yaklaşık 90.000 derece Fahrenheit), elektronlar, bir sıcak plazma kabı gibi rastgele bir şekilde yeniden düzenlenir.Elektronlar kuantum doğalarını kaybeder ve klasik davranış sergiler (yukarıda). Resim: Lazer Enerjetik Laboratuvarı / Heather Palmer
Kuantum ve klasik geçişin meydana geldiği koşulların, çoğu insanın plazma ders kitaplarına dayanarak beklediğinden farklı olduğunu belirtmekte fayda var. Ek olarak, bu davranış diğer tüm metaller için geçerli olabilir. Sıvıları ve plazmaları çözmenin bu temel ilkeleri, araştırmacıların yüksek yoğunluklu malzemelerin elektriği ve ısıyı nasıl ilettiğini tanımlamak için yeni modeller geliştirmelerine, güneş sisteminin kutuplarındaki konuyu açıklamaya ve füzyon enerjisinin elde edilmesine yardımcı olmalarına olanak tanır. Bu çalışma sadece laboratuvarda bir merak konusu değildir.Plazma, kahverengi cüceler gibi astrofiziksel varlıkların devasa iç yapısını oluşturur ve aynı zamanda termonükleer füzyon için gerekli olan maddenin durumunu temsil eder. Bu modeller, nükleer füzyona ulaşmak için deneylerin nasıl daha iyi tasarlanacağını anlamamız için çok önemlidir!
Brocade Park-Bilim Popülerleştirme Araştırma / Gönderen: Rochester Üniversitesi / Lindsey Valich
Referans Dergi Literatürü: "Physics Review Letters"
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.122.085001
Brocade Park - Evren Biliminin Güzelliğini Sunuyor
(Daire kartı buraya eklendi, lütfen görüntülemek için Toutiao istemcisine gidin)
