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將液態(tài)金屬轉(zhuǎn)化為等離子體！厲害了我的科學(xué)家

2019-06-01 16:31 作者:博科園 0人讀過(guò) | 我要投稿

大多數(shù)門(mén)外漢都熟悉物質(zhì)的三種狀態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)（加上等離子態(tài)也不止四態(tài)哦）。但是還有其它形式的存在，例如等離子體（即等離子態(tài)）是宇宙中最豐富的物質(zhì)形式，存在于我們太陽(yáng)系的太陽(yáng)和其他行星上。

科學(xué)家們?nèi)栽谂斫膺@種物質(zhì)狀態(tài)的基本原理。事實(shí)證明，這種狀態(tài)的重要性越來(lái)越大，不僅在解釋宇宙如何運(yùn)行方面，而且在利用物質(zhì)來(lái)產(chǎn)生替代能源方面。

博科園-科學(xué)科普：羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室(LLE)研究人員首次發(fā)現(xiàn)了一種將液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體的方法。并觀察了在高密度條件下液體轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體狀態(tài)的溫度，他們發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的觀察結(jié)果，對(duì)更好地理解恒星和行星有意義，并可能有助于實(shí)現(xiàn)受控核聚變——這是一種很有前景的替代能源，科學(xué)家們幾十年來(lái)一直未能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?。ū疚哪┯械入x子球動(dòng)圖欣賞哦?(^?^*)）

什么是等離子體（等離子態(tài)）？

等離子體是由自由運(yùn)動(dòng)電子和離子(失去電子的原子)組成的熱湯，它們很容易導(dǎo)電。盡管等離子體在地球上并不常見(jiàn)（生活中使用的明火也是等離子態(tài)，雖然不是完全是），但它們構(gòu)成了可觀測(cè)宇宙的大部分物質(zhì)，比如太陽(yáng)表面?？茖W(xué)家們能夠在地球上產(chǎn)生人造等離子體，通常是通過(guò)將氣體加熱到數(shù)千華氏度，從而剝離原子的電子。在更小的范圍內(nèi)，這與等離子電視和霓虹燈“發(fā)光”過(guò)程是相同的：電激發(fā)霓虹燈氣體的原子，使霓虹燈進(jìn)入等離子狀態(tài)并發(fā)射光子。

從液體到等離子體

然而正如LLE研究助理Mohamed Zaghoo和同事所觀察到的，還有另一種制造等離子體的方法：在高密度的條件下，將液態(tài)金屬加熱到很高的溫度也會(huì)產(chǎn)生高密度等離子體，向后者的轉(zhuǎn)變以前從未被科學(xué)地觀察到，而這正是我們所做的。這種觀察的一個(gè)獨(dú)特之處是，高密度液態(tài)金屬具有量子特性；然而，如果允許它們?cè)诟呙芏认逻^(guò)渡到等離子態(tài)，它們就會(huì)表現(xiàn)出經(jīng)典的性質(zhì)。20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)的兩位奠基人恩里科·費(fèi)米(Enrico Fermi)和保羅·狄拉克(Paul Dirac)引入了統(tǒng)計(jì)公式：

在太陽(yáng)表面可以看到爆發(fā)的等離子體環(huán)，等離子體是宇宙中最豐富的物質(zhì)形式，羅切斯特大學(xué)科學(xué)家們正在尋找觀察和創(chuàng)造等離子體的新方法。圖片：NASA/SDO

描述了由電子、中子和質(zhì)子組成的物質(zhì)行為（構(gòu)成地球物體的正常物質(zhì)）。費(fèi)米和狄拉克假設(shè)，在特定的條件下（極高的密度或極低的溫度）電子或質(zhì)子必須具有某些經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法描述的量子特性。然而，等離子體并不遵循這種模式。為了觀察液態(tài)金屬與等離子體的交叉，LLE研究人員從液態(tài)金屬氘開(kāi)始，氘顯示了液體的經(jīng)典性質(zhì)。為了增加氘的密度，研究人員把它冷卻到21開(kāi)爾文(-422華氏度)。

然后，研究人員使用LLE的OMEGA激光器在超低溫液體氘中引發(fā)了強(qiáng)烈的沖擊波。沖擊波把氘壓縮到比大氣壓大500萬(wàn)倍，同時(shí)也把它的溫度提高到接近18萬(wàn)華氏度。樣品一開(kāi)始是完全透明的，但隨著壓力的增加，它變成了一種有光澤的金屬，具有很高的光學(xué)反射率。通過(guò)監(jiān)測(cè)樣品的反射率和溫度關(guān)系，能夠精確地觀察到這種簡(jiǎn)單光亮的液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成致密等離子體的條件。

理解極端情況下的事物

研究人員觀察到，這種液態(tài)金屬最初表現(xiàn)出電子的量子特性，這在極端溫度和密度下是可以預(yù)料到的。然而在大約90000華氏度的時(shí)候，金屬氘的反射率開(kāi)始上升，如果系統(tǒng)中的電子不再是量子而是經(jīng)典的，那么反射率就會(huì)上升，這意味著這種金屬已經(jīng)變成了等離子體。也就是說(shuō)，LLE研究人員從一種簡(jiǎn)單的液體開(kāi)始。把密度增加到極端條件，使液體進(jìn)入一種顯示量子特性的狀態(tài)。LLE資深科學(xué)家、該研究的合著者蘇興·胡（音譯）說(shuō)：溫度升高甚至使它進(jìn)一步變成等離子體，此時(shí)它表現(xiàn)出經(jīng)典特性，但仍處于高密度條件下。

LLE科學(xué)家們?cè)诟呙芏葪l件下將液態(tài)金屬轉(zhuǎn)化為等離子體，把密度增加到極端條件，使液體進(jìn)入一種顯示量子特性的狀態(tài)。上圖顯示了高密度液態(tài)金屬中電子的量子分布，其中只有兩個(gè)電子可以共享相同的狀態(tài)。然而當(dāng)溫度上升到0.4時(shí)。費(fèi)米溫度(大約90000華氏度)，電子以一種隨機(jī)的方式重新排列，就像一鍋熱等離子體，電子失去了它們的量子本質(zhì)，表現(xiàn)出經(jīng)典的行為(上圖)。圖片：Laboratory for Laser Energetics / Heather Palmer

值得注意的是，量子與經(jīng)典交叉發(fā)生的條件與大多數(shù)人基于等離子體教科書(shū)的預(yù)期不同。此外，這種行為可能適用于所有其他金屬。解液體和等離子體的這些基本原理，使研究人員能夠開(kāi)發(fā)新模型來(lái)描述高密度材料如何傳導(dǎo)電和熱，并有助于解釋太陽(yáng)系兩極的物質(zhì)，以及幫助獲得聚變能。這項(xiàng)工作不僅僅是實(shí)驗(yàn)室的好奇，等離子體組成了像褐矮星這樣的天體物理實(shí)體巨大內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也代表了實(shí)現(xiàn)熱核融合所需的物質(zhì)狀態(tài)。這些模型對(duì)于我們理解如何更好地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)核聚變至關(guān)重要！