Когда исследователи превращают жидкий металл в плазму Фото: Getty Images

Ученые могут создавать искусственную плазму здесь на Земле, обычно нагревая газ до тысяч градусов по Цельсию, что превращает атомы в ионы

  • 18.03.2020
  • 513

Большинство непрофессионалов знакомы с тремя состояниями материи, такими как твердые вещества, жидкости и газы. Но существуют и другие формы. Например, плазма относится к наиболее распространенному виду материи во вселенной, встречающегося в нашей планетарной системе на Солнце и других космических телах.

Не до конца понимая все принципы, ученые изучают основы этого состояния вещества, которое становится все более значимым не только для объяснения того, как устроена Вселенная, но и для использования ее в поисках альтернативных источников энергии.

Исследователи из Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Университета Рочестера впервые нашли способ превратить жидкий металл в плазму и узнать температуру, при которой жидкость в условиях высокой плотности переходит в плазменное состояние.

Их наблюдения, опубликованные в Physical Review Letters, имеют значение для лучшего понимания строения звезд и планет и могут помочь в осуществлении управляемого ядерного синтеза - многообещающего альтернативного источника энергии, реализация которого ускользает от ученых на протяжении десятилетий.

Что такое плазма?

Плазма состоит из горячей смеси свободно движущихся электронов и ионов - атомов, потерявших свои электроны. Хотя плазма не распространена в природе на Земле, в этом состоянии находится большая часть вещества в наблюдаемой Вселенной, например, на поверхности Солнца.

Ученые могут создавать искусственную плазму здесь на Земле, обычно нагревая газ до тысяч градусов по Цельсию, что превращает атомы в ионы. В меньшем масштабе это тот же процесс, когда электричество возбуждает атомы неонового газа, заставляя неон переходить в плазменное состояние и излучать фотоны света, можно наблюдать в плазменных телевизорах и неоновых вывесках.

Из жидкости в плазму

Как отмечают исследователи, существует и другой способ создания плазмы: в условиях высокой плотности нагрев жидкого металла до очень высоких температур приводит к образованию плотной плазмы. «Переход к последнему состоянию ранее не наблюдался в науке, и именно это и было осуществлено».

Одним из уникальных аспектов этого наблюдения является то, что жидкие металлы при высоких плотностях проявляют квантовые свойства. Однако, если им позволить перейти в плазменное состояние при высоких плотностях, они будут демонстрировать свойства классические.

В 1920-е годы Энрико Ферми и Пол Дирак, два основателя квантовой механики, представили статистическую формулировку, которая описывает поведение вещества, состоящего из электронов, нейтронов и протонов - нормального вещества, из которого состоят физические земные объекты.

Ферми и Дирак предположили, что при определенных условиях - чрезвычайно высоких плотностях или чрезвычайно низких температурах - электроны или протоны должны принимать определенные квантовые свойства, которые не имеют описания в классической физике. Плазма, однако, не соответствует этой парадигме.

Чтобы наблюдать переход жидкого металла в плазму, исследователи из LLE начали с жидкометаллического дейтерия, который продемонстрировал классические свойства жидкости. Чтобы увеличить плотность дейтерия, они охладили его до -252 градуса Цельсия.

Затем исследователи использовали лазеры OMEGA от LLE, чтобы создать сильную ударную волну в ультрахолодном жидком дейтерии. Ударная волна сжимала дейтерий до давления, в пять миллионов раз превышающего атмосферное, а также увеличивала его температуру почти до 100 000 градусов по Цельсию.

Образец сначала был полностью прозрачным, но с ростом давления он превращался в блестящий металл с высокой оптической отражающей способностью. «Контролируя коэффициент отражения образца в зависимости от его температуры, можно было наблюдать именно те условия, когда этот простой блестящий жидкий металл превращался в плотную плазму».

Понимание свойств материи, находящейся в экстремальных условиях

Исследователи заметили, что жидкий металл первоначально проявлял квантовые свойства электронов, которые можно было бы ожидать при экстремальных температурах и плотностях. Тем не менее, «при температуре около 50 000 градусов по Цельсию коэффициент отражения металлического дейтерия начал расти по графику, который характерен для тех случаев, когда электроны в системе описываются уже не квантовой теории, а классической». «Это означало, что металл стал плазмой».

То есть исследователи из LLE начали с простой жидкости. Увеличение плотности до экстремальных условий приводило жидкость в состояние, в котором она проявляла квантовые свойства. Повышение температуры еще больше привело к тому, что она превратилась в плазму, и в этот момент она уже демонстрировала классические свойства, но все еще находилась в условиях высокой плотности.

«Что примечательно, так это то, что условия, при которых происходит такое пересечение квантовой и классической механики, отличается от того, что большинство людей ожидали получить, основываясь на учебниках по плазме. Кроме того, такое поведение может наблюдаться в отношении и всех других металлов».

Понимание этих основ поведения жидкостей и плазмы позволит исследователям вести разработку новых моделей, где будут описаны, каким образом материалы с высокой плотностью проводят электричество и тепловую энергию, и может помочь объяснить свойства материи в крайних точках солнечной системы, а также помочь в реализации управляемого термоядерного синтеза.

 

Источник: Researchers turn liquid metal into a plasma

Комментарии

Оставить комментарий

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности

Поиск

Другие публикации