Je me souviens avoir lu une expérience où de fines tiges de tungstène étaient surchauffées avec des millions dampères délectricité, les faisant fondre en gaz ionisé et étaient ensuite compressées ( par champs magnétiques?) dans le plasma.
Le plasma a chauffé à des températures jamais atteintes auparavant. Je ne me souviens pas exactement, mais je crois que cétait quelques milliards de degrés Fahrenheit.
Cétait il y a quelques années – et je ne peux pas trouver le rapport via un moteur de recherche.
Y a-t-il une limite à la température du plasma? Quelle est la température de plasma la plus élevée actuellement enregistrée? Est-elle plus chaude que les réactions nucléaires?
Commentaires
- IINM, un plasma quark-gluon est revendiqué avoir atteint quelques billions de degrés.
- ALICE prétend avoir atteint 9,9 billions de degrés F. wired.com/2012/08/hottest-temperature-record
- Qui mesure ces températures en degrés Fahrenheit? Cest ' comme mesurer la galaxie en pieds.
- @BlackbodyBlacklight En effet. De telles unités font échouer les missions spatiales. en.wikipedia.org/wiki/Mars_Climate_Orbiter
Réponse
La température la plus élevée enregistrée dun plasma nest pas plus chaude que les réactions nucléaires. Il existe un continuum de phénomènes qui se produisent à haute température qui comprend et sétend réactions nucléaires.
Lorsque les températures deviennent très élevées, il est logique de commencer à penser en termes dénergie impliqué plutôt que de sen tenir à léchelle kelvin (ou Fahrenheit, ugh). À léquilibre thermodynamique, lénergie moyenne dun " degré de liberté " avec température $ T $ est $ U = \ frac12 kT $ . Par exemple, un gaz parfait monoatomique a une énergie moyenne par particule $ \ frac32 kT $ , pour des traductions en trois dimensions. Si vous avez un système où les énergies autorisées viennent en morceaux, comme les états de rotation et de vibration dans les molécules, lénergie moyenne par mode est zéro tandis que la température $ kT $ est bien inférieur à lénergie $ E $ du premier état excité. Cela signifie que la plupart des systèmes ont une plus grande capacité thermique lorsquils sont chauds que lorsquils sont froids, ce qui rend difficile datteindre des températures élevées.
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Pour la température ambiante $ kT \ approx 25 $ milli-eV; cest une énergie typique pour un phonon dans un solide.
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À $ kT \ approx 1 $ eV, a une collision atome-atome typique peut avoir assez dénergie pour libérer un électron. Il sagit de la température minimale requise pour maintenir un plasma dense et ionisé (la photosphère du soleil a $ kT = 0,5 $ eV, soit " exactement le même " au niveau de précision que je vise ici.)
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À $ kT \ approx 10 ^ 4 $ eV, même les atomes les plus lourds seront, en moyenne, complètement ionisés. (Lénergie de liaison pour le dernier électron parti est $ 13,6 \, \ mathrm {eV} \ cdot Z ^ 2 $ , où $ Z \ lesssim 100 $ est le nombre de protons.)
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À $ kT \ environ 0,1 $ MeV vous commencez à avoir assez dénergie pour exciter les noyaux en interne. Les noyaux légers sans états excités stables, comme le deutérium et lhélium-3, peuvent être dissociés. Des noyaux légers stables peuvent surmonter leur répulsion électrique et fusionner. Il sagit de léchelle de température à lintérieur du noyau dune étoile; les tokamaks orientés fusion doivent être un peu plus chauds, car les étoiles ont lavantage de la taille. Les électrons à cette température commencent à être relativistes $ (m_ec ^ 2 = 0.5 \ rm \, MeV) $ . Lorsque la température dépasse la masse des électrons, une population séculaire de positrons se développe.
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Quelque part au-dessus de $ kT \ approx 10 $ MeV, la dissociation de lhélium entrera en équilibre avec la formation dhélium par fusion. La plupart des collisions entre noyaux lourds auront suffisamment dénergie pour libérer un proton ou un neutron. Cest probablement le régime de température des étoiles lourdes, où tous les noyaux ont tendance à évoluer vers le fer-56 et le nickel-58.
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À $ kT \ environ 100 $ MeV, la plupart des collisions ont assez dénergie pour produire des pions ( $ m_ \ pi c ^ 2 = 140 $ MeV), et beaucoup ont assez dénergie pour produire des kaons ( $ m_K c ^ 2 = 500 $ MeV). Ces particules instables produiront des neutrinos lors de leur désintégration.Les neutrinos sont très efficaces pour transporter la chaleur loin de la région dinteraction, de sorte que les températures astrophysiques à long terme peuvent dépasser cette échelle. Les collisions les plus énergétiques ici peuvent produire des antiprotons ( $ m_ \ bar pc ^ 2 = 1 $ GeV).
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Il y a un facteur dun millier dénergie environ où mon intuition nest pas très bonne.
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Comme montré au RHIC et au LHC, quelque part autour de $ kT \ approx 200 $ GeV vous commencez à dissocier les nucléons en quarks et gluons, de la même manière quenviron 1 eV vous avez commencé à dissocier les atomes en noyaux et en électrons. Notez que cela représente " seulement " environ vingt milliards de kelvin. Le LHC vise actuellement entre 8 et 14 TeV, soit près d’un facteur cent plus d’énergie.
Je ne connais pas votre expérience de vaporisation du tungstène. Jimagine que le tungstène fraîchement vaporisé pourrait avoir une température de 1 à 10 eV et quen confinant et en comprimant le plasma, vous pourriez augmenter sa densité dénergie dun facteur 1000. Cela le placerait quelque part sous le bas du spectre. gamme dénergie pour un plasma avec interactions nucléaires.
Commentaires
- Dans les plasmas spatiaux, il y a des régions qui ont ce que je considérerais comme des plasmas très chauds. Par exemple, dans les milieux damas intra-galactiques, ils observent souvent des preuves dénergies thermiques électroniques de ~ GeV. Jimagine que près des pulsars, des magnétars et des trous noirs, les plasmas locaux peuvent devenir encore plus extrêmes, mais je devrais vérifier cela.
- Les électrons GeV entre les galaxies doivent être hors déquilibre thermique. Cependant, la turbulence de reconnexion magnétique maintient la couronne du soleil ' plus chaude que sa photosphère, et je peux imaginer quelque chose de similaire à léchelle galactique. Je ' serais intéressé de voir une référence.
- Je suis donc heureux que vous ayez posé la question parce que je me suis trompé. Les énergies thermiques dans lICM sont denviron 10 keV et la queue suprathermique, qui est observée par émission synchrotron, est de lordre de ~ GeV. Au fait, je regarde les plasmas spatiaux depuis ~ 10 ans maintenant et je nen ai pas encore vu un en équilibre thermique …
Réponse
Cela dépend du type de plasma dont vous parlez. Je mets de côté les plasmas quark-gluons, qui sont différents des autres plasmas en ce que les nucléons sont en fait « cassés en morceaux ».
Les plasmas les plus chauds sur terre, sinon, sont généralement ceux qui visent générer des réactions de fusion nucléaire dans une quantité importante (par exemple la génération dénergie, ou létude des étoiles, des planètes, etc.). En laboratoire, quelques gros instruments ont établi des records impressionnants, plus chauds que les étoiles en fait:
- tokamaks : 100 millions de kelvins
- la Z-machine : 2 milliards de kelvins
- installations laser telles que la NIF : 100 millions de kelvins
Il semble que la Z-machine soit la plus chaude, mais je ne sais pas quelle quantité de ce plasma est produite dans chacun des ces installations. En général, les tokamaks peuvent maintenir la température élevée pendant longtemps (minutes), car ils sont très dilués. Les deux autres techniques ne peuvent maintenir le plasma que pendant des nanosecondes, car il est très dense.
Commentaires
- Je pense quil voulait juste connaître le plasma le plus chaud. La question limite est plus intéressante. La limite serait-elle lénergie disponible après linflation du Big Bang autour de 100 milliards de kelvin?
- Lexpérience avec des tiges de tungstène que @Pete a interrogé était en fait la Z-machine, je crois.