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admin 热点新闻关注 2019-04-16 302 0

大多数外行人都了解物质的三种状况,即固态、液态和气态(加上等离子态也不止四态哦)。可是还有其它方法的存在,例如等离子体(即等离子态)是世界中最丰厚的物质方法,存在于咱们太阳系的太阳和其他行星上。

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科学家们仍在尽力了解这种物质状况的基本原理。事实证明,这种状况的重要性越来越大,不仅在解说世界怎么运转方面,并且在运用物质来发作代替动力方面。

博科园-科学科普:罗切斯特大学激光能量学试验室(LLE)研讨人员初次发现了一种将液态金属改变为等离子体的办法。并调查了在高密度条件下液体改变为等离子体状况的温度,他们宣布在《物理谈论快报》上的调查成果,对更好地了解恒星和行星有意义,并或许有助于完成受控核聚变——这是一种很有远景的代替动力,科学家们几十年来一向未能完成这一方针!(本文末有等离子球动图赏识哦♪(^∇^*))

什么是等离子体(等离子态)?

等离子体是由自在运动电子和离子(失掉电子的原子)组成的热汤,它们很简略导电。尽管等离子体在地球上并不常见(日子中运用的明火也是等离子态,尽管不是彻底是),但它们构成了可观测世界的大部分物质,比方太阳外表。科学家们可以在地球上发作人工等离子体,通常是经过将气体加热到数千华氏度,然后剥离原子的电子。在更小的范围内,这与等离子电视和霓虹灯“发光”进程是相同的:电激起霓虹灯气体的原子,使霓虹灯进入等离子状况并发射光子。

从液体到等离子体

但是正如LLE研讨助理Mohamed Zaghoo和搭档所调查到的,还有另一种制作等离子体的办法:在高密度的条件下,将液态金属加热到很高的温度也会发作高密度等离子体,向后者的改变曾经从未被科学地调查到,而这正是咱们所做的。这种调查的一个共同之处是,高密度液态金属具有量子特性;但是,假如答应它们在高密度下过渡到等离子态,它们就会表现出经典的性质。20世纪20年代,量子力学的两位奠基人恩里科·费米(Enrico Fermi)和保罗·狄拉克(Paul Dirac)引入了计算公式:

  • 在太阳外表可以看到迸发的等离子体环,等离子体是世界中最丰厚的物质方法,罗切斯特大学科学家们正在寻觅调查和发明等离子体的新办法。图片:NASA/SDO

描绘了由电子、中子和质子组成的物质行为(构成地球物体的正常物质)。费米和狄拉克假定,在特定的条件下(极高的密度或极低的温度)电子或质子有必要具有某些经典物理学无法描绘的量子特性。但是,等离子体并不遵从这种形式。为了调查液态金属与等离子体的穿插,LLE研讨人员从液态金属氘开端,氘显现了液体的经典性质。为了增加氘的密度,研讨人员把它冷却到21开尔文(-422华氏度)。

然后,研讨人员运用LLE的OMEGA激光器在超低温液体氘中引发了激烈的冲击波。冲击波把氘压缩到比大气压大500万倍,一起也把它的温度提高到挨近18万华氏度。样品一开端是彻底通明的,但随着压力的增加,它变成了一种有光泽的金属,具有很高的光学反射率。经过监测样品的反射率和温度联系,可以精确地调查到这种简略亮光的液态金属改变成细密等离子体的条件。

了解极点情况下的事物

研讨人员调查到,这种液态金属开端表现出电子的量子特性,这在极点温度和密度下是可以预料到的。但是在大约90000华氏度的时分,金属氘的反射率开端上升,假如体系中的电子不再是量子而是经典的,那么反射率就会上升,这意味着这种金属现已变成了等离子体。也就是说,LLE研讨人员从一种简略的液体开端。把密度增加到极点条件,使液体进入一种显现量子特性的状况。LLE资深科学家、该研讨的合著者苏兴·胡(音译)说:温度升高乃至使它进一步变成等离子体,此刻它表现出经典特性,但仍处于高密度条件下。

LLE科学家们在高密度条件下将液态金属转化为等离子体,把密度增加到极点条件,使液体进入一种显现量子特性的状况。上图显现了高密度液态金属中电子的量子散布,其间只要两个电子可以同享相同的状况。但是当温度上升到0.4时。费米温度(大约90000华氏度),电子以一种随机的方法重新排列,就像一锅热等离子体,电子失掉了它们的量子实质,表现出经典的行为(上图)。图片:Laboratory for Laser Energetics / Heather Palmer

值得注意的是,量子与经典穿插发作的条件与大多数人根据等离子体教科书的预期不同。此外,这种行为或许适用于一切其他金属。解液体和等离子体的这些基本原理,使研讨人员可以开发新模型来描绘高密度资料怎么传导电和热,并有助于解说太阳系南北极的物质,以及协助取得聚变能。这项作业不仅仅是试验室的猎奇,等离子体组成了像褐矮星这样的天体物理实体巨大内部结构,也代表了完成热核交融所需的物质状况。这些模型关于咱们了解怎么更好地规划试验来完成核聚变至关重要!

博科园-科学科普|研讨/来自: 罗彻斯特大学/Lindsey Valich

参阅期刊文献:《物理谈论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.085001

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