21世紀の錬金術：液体金属重水素のプラズマへの変換

星、稲妻、オーロラの共通点は何ですか？ これらの「オブジェクト」はすべて独自の方法で美しく、観察者は実存的な思考やロマンチックな感情を呼び起こすことがあります。 しかし、物理学の観点からは、共通の特徴であるプラズマがあります。 このイオン化されたガスは、（固体、液体、気体に加えて）4番目の物質の集合状態と見なされ、宇宙の広大さでは非常に一般的であり、人々によって大量に生成されます。 今日は、科学者が液体金属重水素をプラズマに変換できる研究を検討します。 これに正確に何が必要で、この「錬金術」実験の結果は何ですか？ 研究グループの報告書で答えを探します。 行こう

背景

まず第一に、プラズマと重水素があることを簡単に思い出す価値があります。



プラズマは、気体状態の物質ではないイオン化されたガスです。 そのような物理的なしゃれ。 プラズマの主な要素は自由電子とイオンです。 これらの人は非常に機動性があり、そこからプラズマは完全に電流を伝導します。



この状態は1879年にイギリスの物理学者および化学者ウィリアムクルークスによって発見されました。 彼は、イオン化されたガスには同数のイオンと電子が含まれていると信じていました。なぜなら、そのような物質の総電荷は非常に小さいからです。 そして、これは真実です-プラズマ内の正と負の粒子（電荷）は完全に平衡状態にあります。つまり、粒子の電荷は互いに打ち消し合い、その結果、内部プラズマ場の電荷はゼロになります。 粒子内の互いの電荷のこのような中和は、準中性と呼ばれます。



前述したように、プラズマは物質の4番目の状態ですが、すべての科学者がこの声明に同意しているわけではありません。 ただし、「通常の」気体状態とは多くの違いがあることに注意する価値があります。これにより、プラズマは別の第4状態と呼ばれる権利を与えられます。 これらの違いの中には、高い導電率、互いに多くの独立した粒子（イオン、電子、中性粒子）、非マックスウェル速度分布、粒子の集団相互作用があります。



天体物理学者、電子機器メーカー、さらには気象学者もプラズマに精通しています。 星、太陽風、宇宙空間、星間星雲はプラズマです。 雷、オーロラ、電離層、セントエルモの光はプラズマです。 蛍光ネオンランプ、プラズマロケットエンジン、モニター、テレビの内容も特定の種類のプラズマです。 言い換えれば、プラズマはあまりありません。



現時点では、プラズマの実験室での準備には、物質の加熱、放射線（紫外線、X線、レーザーなど）によるイオン化、電荷、衝撃波によるイオン化など、いくつかの方法があります。



ほとんどの場合、言及されているのは、特定の物質を非常に高い温度に加熱することによる、プラズマを生成するための熱的方法です。 このプロセス中に、物質の原子に特定の変化が発生します。電子は軌道から離脱し、その結果、自由電子とイオンが分離されます。







プラズマは、ガスに電流を流すことによっても得られます-ガス放電法。 この場合、ガスのイオン化が発生し、その程度は現在のパラメーターを操作することで変更できます。 しかし、実際に電流によって加熱されるプラズマは、周囲のガスの非帯電粒子と接触するとすぐに冷却されます。





ガレージ内のプラズマ（医師や消防士の余分な訪問を望まない場合は、自宅でこの実験を繰り返さないでください）。



そして今、少し重水素についてですが、単純ではなく、金属についてです。



まず第一に、重水素とは何ですか？ これは重水素（Dまたは² H）、つまり、核に1個の中性子と1個の陽子（重陽子と呼ばれる）を持つ水素同位体です。





通常の水から重水がどのように得られるかについてのビデオ-重水素。



5リットルの液体水素を蒸留したアメリカの科学者ハロルドウレイとフェルディナンドブリクヴェーデのおかげで、初めて重水素が1932年（1931年）に放出されました。 この手順の結果は、1 mlの液体でした。



しかし、これは通常の重水素であり、今日検討している研究では、金属重水素について話している。 この物質は、重水素の高圧および高温への暴露によって得られました。



2015年、科学者は絶縁体を導体に「変える」ための実験を行いました。 主題として選ばれたのは重水素でした。 この調査レポートのダウンロードリンク 。



そして数年後、金属重水素は新しい研究の対象となり、科学者はそれをプラズマに変えることを決めました。

調査結果

研究中、液体重水素で満たされた球状の重水素化炭素シェルが使用され、複数のレーザーパルス（100 ps、ピコ秒）にさらされました。 この手順により、液体重水素自体に球形に収束する衝撃波を得ることができました（ρ0 = 0.172 g / cm ³ ）。 レーザーパルスはパルス駆動を開始しました。最初は強い（最大5.5 Mbarまで）衝撃を生成しましたが、均一な衝撃ではなく、伝播中の衝撃の圧力と速度が低下しました。





イメージNo. 1



VISAR * （任意の反射器の速度干渉計の複合体）と光学高温計*を使用して、液体重水素内の衝撃速度プロファイルとパルス衝撃の自己放射を測定しました。

VISAR *は、レーザー干渉法を使用して高速で移動する固体の表面速度を測定する時間分解能速度測定システムです。



高温計* -非接触温度測定装置電話

図1AはVISARの結果を示しています。縦軸は衝撃を時間で割ったものです（横軸）。 この観察から、平衡化時間と比較して減衰率が非常に低いことがわかります。



光学分析（ 1C ）は、深さ30〜40 nmの衝撃障壁のすぐ上で実行されました。 これらの数値は天井から取られたものではありません-これはプラズマの平衡状態を観察するのに十分な深さであり、減衰中の衝撃の変化状態を継続的に監視するのに十分な浅さです（ 1B ）。



科学者は、衝突中に重水素から反射されたVISARレーザーの強度インジケーターから分離された絶対反射係数（ R ）も分析しました（ 1E ）。 温度データは、衝撃障壁（ 1D ）のスペクトル放射を測定することによって取得されました。



テスト中、科学者は60 km / hから35 km / hの衝撃減衰を観察しました。これは、圧力範囲が5.5〜0.5 Mbarに相当します。 この範囲内では、密度は実質的に変化しませんが（ρ= 0.774、TF = 13.8 eV）、3〜11 eV（1 eV = 11,603 K）の温度変化が観察されます。 0.774 g / cm ³に圧縮された重水素の光学特性、つまり反射インジケータを考えると、科学者はその電子特性を確認することができました。



低圧では、強い結合と縮退がサンプルで観察されます（≫ 1、ϴ≪ 1）。 しかし、温度が上昇すると、そもそもこれらの特性が変化します。 科学者は、これらのパラメーターが変化するときに2つの状態を区別します。 前者では、0.15 <ϴ <0.4および2.6 <T <6で、約40％の一定の光学反射が観察されます。





画像2：反射係数と接着の比率。



この値は、電子-イオン緩和の時間が原子間距離（ a ）およびフェルミ速度（v _F ）に依存する場合、Mott – Ioffe – Regelルールに従って、金属伝導性の最小値によって記述されます：τmin = a / v _F Mott – Ioffe – Regelルールは、完全なイオン化では、532 nmの光放射の最小光反射係数は0.38であると予測しています。 同様の理論的結論は、実験の実際の結果と完全に比較されます。



2番目の状態は、ϴの値が0.4（T〜5 eV）を超えると発生します。 この場合、反射はT〜11 eVで〜0.7に増加します（画像番号2 ）。 この時点で、の値が1に達すると凝集力が減少します。5eVの温度では、反射係数と散乱時間の理論的依存性により、重水素の完全なイオン化が予想されました。



科学者は、観測された反射率に対する散乱時間（τ）の影響をテストすることにしました。 このため、フレネルの式と自由電子のモデルを使用して記録されたデータのτの値が決定されました。





イメージNo. 3



得られたデータのおかげで（ 3B ）、科学者はT / TF〜0.4まで、金属液体中にフェルミ面が存在することを発見しました。 しかし、この温度インジケータより上では、推定緩和時間の増加は許容速度の制限がないことを意味し、反射係数の増加を達成するには、より長い緩和時間、すなわち、より高い熱速度が必要です。 そのため、研究エリアの緩和時間を考慮して、科学者はτ〜T1.55±0.04であることを発見しました。



これらの数値は、理想的なプラズマの古典的な非縮退限界（τ〜T1.5）に非常に近いものです。



図3Aは、実験で得られた導電率の値と、高密度プラズマの2つの輸送モデルで予測された値を比較した結果を示しています。 これらのモデルは、縮退Zimanと非縮退Spitzerの2つの反対の制限に削減されます。 ただし、 クロスオーバー*の正確な位置は示していません。

クロスオーバー* -外部パラメータの変化に伴う熱力学システムの臨界指数の変化。システムの対称性の変化または熱力学パラメータのジャンプは観察されません。

このクロスオーバーは、高密度の導電性液体の熱力学的および電子的特性に重要な役割を果たします。 科学者は次の例を挙げます：システムμ（T）の化学ポテンシャルの符号は、フェルミの正のディラック限界からマクスウェルプラズマの負に変化し、比熱_Cυは縮退限界の_Cυ∝ T / T fから_Cυ〜3 Rに変化します。





イメージNo.4



最後に、科学者は彼らの創造物を同様の実験と比較しますが、重水素ではなく、希釈液体³ He（ヘリウム3）または超冷アルカリガスと比較します。 これらのシステムでは、原子フェルミオン系の動的特性の温度依存性のこのようなクロスオーバーは、すでに量子統計に言及しています（上の画像）。 温度と密度のインジケータの8〜12倍の違いにもかかわらず、フェルミシステムの縮退規則はすべてのシステムに共通のままです。



実用的な実験の結果は、高密度水素プラズマに対してモンテカルロ法を使用した計算のデータと非常によく一致しています。 これらの計算は、異なる密度に対してT <0.4 TFでプラズマ内の電子の著しい順列/交換を示しました。 温度をこのインジケータより上に上げると、2つ以上の電子間の量子交換の確率が大幅に低下します。 温度の上昇に伴い、フェルミ面の形成には電子の置換/交換が必要であるため、電子はもはや縮退せず、フェルミ球は崩壊します。



研究の詳細をさらに詳しく知りたい場合は、研究グループの報告書をご覧になることを強くお勧めします。

エピローグ

科学者は彼らの仕事に非常に満足しています。 彼らの仕事が非常に役立つ場所を考えると、これは驚くことではありません。 まず、コンパクトな天体物理学の縮退基準の予測。これにより、大気と縮退したコアの境界を決定できます。 第二に、熱核融合の対象において、核燃料が爆縮（爆発を内側に向ける）中にあるべき望ましい温度範囲を正確に決定します。 さらに、科学者は彼らの研究が暖かい高密度物質の量子現象の研究に役立つと信じています。



プラズマとそのような珍しい物質である液体金属重水素の両方のさらなる研究中に科学者がまだ答えなければならない質問の数と同様に、可能性は本当に大きいです。







ご清聴ありがとうございました。好奇心を保ち、皆さん、素晴らしい週末をお過ごしください。



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