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将液态金属转化为等离子体!厉害了我的科学家
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  大多数门外汉都熟悉物质的三种状态,即固态、液态和气态(加上等离子态也不止四态哦)。但是还有其它形式的存在,例如等离子体(即等离子态)是宇宙中最丰富的物质形式,存在于我们太阳系的太阳和其他行星上。科学家们仍在努力理解这种物质状态的基本原理。事实证明,这种状态的重要性越来越大,不仅在解释宇宙如何运行方面,而且在利用物质来产生替代能源方面。

  博科园-科学科普:罗切斯特大学激光能量学实验室(LLE)研究人员首次发现了一种将液态金属转变为等离子体的方法。并观察了在高密度条件下液体转变为等离子体状态的温度,他们发表在《物理评论快报》上的观察结果,对更好地理解恒星和行星有意义,并可能有助于实现受控核聚变——这是一种很有前景的替代能源,科学家们几十年来一直未能实现这一目标!(本文末有等离子球动图欣赏哦(^^*))

  等离子体是由自由运动电子和离子(失去电子的原子)组成的热汤,它们很容易导电。尽管等离子体在地球上并不常见(生活中使用的明火也是等离子态,虽然不是完全是),但它们构成了可观测宇宙的大部分物质,比如太阳表面。科学家们能够在地球上产生人造等离子体,通常是通过将气体加热到数千华氏度,从而剥离原子的电子。在更小的范围内,这与等离子电视和霓虹灯“发光”过程是相同的:电激发霓虹灯气体的原子,使霓虹灯进入等离子状态并发射光子。

  然而正如LLE研究助理Mohamed Zaghoo和同事所观察到的,还有另一种制造等离子体的方法:在高密度的条件下,将液态金属加热到很高的温度也会产生高密度等离子体,向后者的转变以前从未被科学地观察到,而这正是我们所做的。这种观察的一个独特之处是,高密度液态金属具有量子特性;然而,如果允许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)引入了统计公式:

  在太阳表面可以看到爆发的等离子体环,等离子体是宇宙中最丰富的物质形式,罗切斯特大学科学家们正在寻找观察和创造等离子体的新方法。图片:NASA/SDO描述了由电子、中子和质子组成的物质行为(构成地球物体的正常物质)。费米和狄拉克假设,在特定的条件下(极高的密度或极低的温度)电子或质子必须具有某些经典物理学无法描述的量子特性。然而,等离子体并不遵循这种模式。为了观察液态金属与等离子体的交叉,LLE研究人员从液态金属氘开始,氘显示了液体的经典性质。为了增加氘的密度,研究人员把它冷却到21开尔文(-422华氏度)。

  然后,研究人员使用LLE的OMEGA激光器在超低温液体氘中引发了强烈的冲击波。冲击波把氘压缩到比大气压大500万倍,同时也把它的温度提高到接近18万华氏度。样品一开始是完全透明的,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。通过监测样品的反射率和温度关系,能够精确地观察到这种简单光亮的液态金属转变成致密等离子体的条件。

  研究人员观察到,这种液态金属最初表现出电子的量子特性,这在极端温度和密度下是可以预料到的。然而在大约90000华氏度的时候,金属氘的反射率开始上升,如果系统中的电子不再是量子而是经典的,那么反射率就会上升,这意味着这种金属已经变成了等离子体。也就是说,LLE研究人员从一种简单的液体开始。把密度增加到极端条件,使液体进入一种显示量子特性的状态。LLE资深科学家、该研究的合著者苏兴·胡(音译)说:温度升高甚至使它进一步变成等离子体,此时它表现出经典特性,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,把密度增加到极端条件,使液体进入一种显示量子特性的状态。上图显示了高密度液态金属中电子的量子分布,其中只有两个电子可以共享相同的状态。然而当温度上升到0.4时。费米温度(大约90000华氏度),电子以一种随机的方式重新排列,就像一锅热等离子体,电子失去了它们的量子本质,表现出经典的行为(上图)。图片:Laboratory for Laser Energetics / Heather Palmer

  值得注意的是,量子与经典交叉发生的条件与大多数人基于等离子体教科书的预期不同。此外,这种行为可能适用于所有其他金属。解液体和等离子体的这些基本原理,使研究人员能够开发新模型来描述高密度材料如何传导电和热,并有助于解释太阳系两极的物质,以及帮助获得聚变能。这项工作不仅仅是实验室的好奇,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,也代表了实现热核融合所需的物质状态。这些模型对于我们理解如何更好地设计实验来实现核聚变至关重要!


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