Что происходит, когда жидкий металл переходит в плазму
Фото: Getty Images
11.04.2020 257

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

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.

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 минус 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: profprov.ru

Комментарии

Написать комментарий

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