Ricordo di aver letto di un esperimento in cui sottili bacchette di tungsteno venivano surriscaldate con milioni di ampere di elettricità, fondendole in gas ionizzato e quindi compresse ( da campi magnetici?) nel plasma.
Il plasma si è riscaldato a temperature mai raggiunte prima. Non riesco a ricordare esattamente, ma credo che fosse qualche miliardo di gradi fahrenheit.
È stato un certo numero di anni fa e non riesco a trovare il rapporto tramite un motore di ricerca.
Cè un limite alla temperatura del plasma? Qual è la temperatura del plasma attualmente più alta registrata? È più calda delle reazioni nucleari?
Commenti
- IINM, viene affermato un plasma quark-gluone di aver raggiunto qualche trilione di gradi.
- ALICE afferma di aver raggiunto 9,9 trilioni di gradi F. wired.com/2012/08/hottest-temperature-record
- Chi misura tali temperature in gradi Fahrenheit? ' è come misurare la galassia in piedi.
- @BlackbodyBlacklight In effetti. Tali unità fanno fallire le missioni spaziali. en.wikipedia.org/wiki/Mars_Climate_Orbiter
Risposta
La temperatura massima registrata di un plasma non è più calda delle reazioni nucleari. Esiste un continuum di fenomeni che si verificano ad alta temperatura che include e si estende oltre reazioni nucleari.
Quando le temperature diventano molto alte, ha senso iniziare a pensare in termini di energie coinvolto piuttosto che attenersi alla scala kelvin (o Fahrenheit, ugh). Allequilibrio termodinamico, lenergia media di un " grado di libertà " con temperatura $ T $ è $ U = \ frac12 kT $ . Ad esempio, un gas ideale monoatomico ha unenergia media per particella $ \ frac32 kT $ , per le traduzioni in tre dimensioni. Se hai un sistema in cui le energie consentite arrivano in grumi, come gli stati rotazionali e vibrazionali nelle molecole, lenergia media per modalità è zero mentre la temperatura $ kT $ è molto inferiore allenergia $ E $ del primo stato eccitato. Ciò significa che la maggior parte dei sistemi ha una capacità termica maggiore quando sono caldi rispetto a quando sono freddi, il che rende difficile raggiungere temperature elevate.
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Per la temperatura ambiente $ kT \ circa 25 $ milli-eV; questa è unenergia tipica per un fonone in un solido.
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A $ kT \ approx 1 $ eV, a la tipica collisione atomo-atomo può avere energia sufficiente per liberare un elettrone. Questa è la temperatura minima richiesta per sostenere un plasma ionizzato denso (la fotosfera del sole ha $ kT = 0,5 $ eV, che è " esattamente lo stesso " al livello di precisione a cui sto mirando qui.)
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A $ kT \ approx 10 ^ 4 $ eV, anche gli atomi più pesanti saranno, in media, completamente ionizzati. (Lenergia di legame per lultimo elettrone è $ 13.6 \, \ mathrm {eV} \ cdot Z ^ 2 $ , dove $ Z \ lesssim 100 $ è il numero di protoni.)
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In $ kT \ circa 0,1 $ MeV inizi ad avere abbastanza energia per eccitare i nuclei internamente. I nuclei leggeri senza stati eccitati stabili, come il deuterio e lelio-3, possono essere dissociati. I nuclei leggeri stabili possono superare la repulsione elettrica e il fusibile. Questa è la scala della temperatura allinterno del nucleo di una stella; I tokamak orientati alla fusione devono essere un po più caldi, poiché le stelle hanno il vantaggio delle dimensioni. Gli elettroni a questa temperatura stanno cominciando a essere relativistici $ (m_ec ^ 2 = 0.5 \ rm \, MeV) $ . Man mano che la temperatura supera la massa dellelettrone, si svilupperà una popolazione secolare di positroni.
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Da qualche parte sopra $ kT \ approx 10 $ MeV, la dissociazione dellelio entrerà in equilibrio con la formazione dellelio per fusione. La maggior parte delle collisioni tra nuclei pesanti avrà energia sufficiente per liberare un protone o un neutrone. Questo è probabilmente il regime di temperatura nelle stelle pesanti, dove tutti i nuclei tendono ad evolversi verso il ferro-56 e il nichel-58.
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A $ kT \ approx 100 $ MeV, la maggior parte delle collisioni ha energia sufficiente per produrre pioni ( $ m_ \ pi c ^ 2 = 140 $ MeV) e molti hanno abbastanza energia per produrre kaons ( $ m_K c ^ 2 = 500 $ MeV). Queste particelle instabili produrranno neutrini quando decadono.I neutrini sono molto efficienti nel trasportare il calore lontano dalla regione di interazione, quindi le temperature astrofisiche a lungo termine possono superare questa scala. Le collisioni più energiche qui possono produrre antiprotoni ( $ m_ \ bar pc ^ 2 = 1 $ GeV).
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Cè un fattore di circa un migliaio di energia in cui la mia intuizione non è molto buona.
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Come mostrato a RHIC e LHC, da qualche parte intorno a $ kT \ approx 200 $ GeV inizi a dissociare i nucleoni in quark e gluoni, nello stesso modo in cui intorno a 1 eV hai iniziato a dissociare gli atomi in nuclei ed elettroni. Nota che questo è " solo " circa venti miliardi di kelvin. LLHC punta attualmente a 8-14 TeV, quasi cento in più in termini di energia.
Non ho familiarità con il tuo esperimento di vaporizzazione del tungsteno. Immagino che il tungsteno appena vaporizzato potrebbe avere una temperatura di 1–10 eV e che confinando e comprimendo il plasma potresti aumentare la sua densità di energia di un fattore 1000. Ciò lo collocherebbe da qualche parte sotto il limite inferiore del intervallo di energia per un plasma con interazioni nucleari.
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- Nei plasmi spaziali ci sono regioni che hanno quello che io considererei plasmi molto caldi. Ad esempio, nei mezzi di ammasso intra-galassia spesso osservano prove di energie termiche di elettroni ~ GeV. Immagino che vicino a pulsar, magnetar e buchi neri i plasmi locali possano diventare ancora più estremi, ma dovrei controllarlo.
- Gli elettroni GeV tra le galassie devono essere fuori dallequilibrio termico. Tuttavia, la turbolenza di riconnessione magnetica mantiene la corona del sole ' più calda della sua fotosfera, e posso immaginare qualcosa di simile su scala galattica. ' sarei interessato a vedere un riferimento.
- Quindi sono contento che tu abbia chiesto informazioni in merito perché mi sbagliavo. Le energie termiche nellICM sono ~ 10 keV e la coda sovratermica, che si osserva attraverso lemissione di sincrotrone, è nel range ~ GeV. A proposito, sto osservando i plasmi spaziali da circa 10 anni ormai e devo ancora vederne uno in equilibrio termico …
Risposta
Dipende dal tipo di plasma di cui parli. Metto da parte i plasmi di quark-gluoni, che sono diversi dagli altri plasmi in quanto i nucleoni sono effettivamente “spezzati”.
I plasmi più caldi sulla terra, altrimenti, sono generalmente quelli a cui mirano generare reazioni di fusione nucleare in quantità considerevole (per esempio generazione di energia, o studio di stelle, pianeti, ecc.). In laboratorio, alcuni grandi strumenti hanno stabilito record impressionanti, più caldi delle stelle in realtà:
- tokamaks : 100 milioni di kelvin
- la macchina Z : 2 miliardi di kelvin
- impianti laser come NIF : 100 milioni di kelvin
Sembra che la macchina Z abbia la più calda, ma non sono sicuro di quanta parte di questo plasma sia prodotta in ciascuno di queste strutture. In generale, i tokamak possono mantenere la temperatura alta per molto tempo (minuti), poiché sono molto diluiti. Le altre due tecniche possono sostenere il plasma solo per nanosecondi, poiché è molto denso.
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- Penso che volesse solo sapere del plasma più caldo. La domanda limite è più interessante. Il limite sarebbe lenergia disponibile dopo linflazione del big bang intorno ai 100 miliardi di kelvin?
- Lesperimento con le bacchette di tungsteno di cui @Pete ha chiesto era in realtà la macchina Z, credo.