Ik herinner me dat ik las over een experiment waarbij fijne staafjes wolfraam werden oververhit met miljoenen ampère elektriciteit, ze smolten tot geïoniseerd gas en vervolgens werden samengeperst ( door magnetische velden?) in plasma.

Het plasma werd opgewarmd tot nooit eerder bereikte temperaturen. Ik kan het me niet precies herinneren, maar ik geloof dat het een paar miljard graden Fahrenheit was.

Het is een aantal jaren geleden – en ik kan het rapport niet vinden via een zoekmachine.

Is er een limiet aan de temperatuur van plasma? Wat is de huidige hoogste geregistreerde temperatuur van plasma? Is het heter dan nucleaire reacties?

Reacties

Antwoord

De hoogst gemeten temperatuur van een plasma is niet heter dan nucleaire reacties. Er is een continuüm van verschijnselen die optreden bij hoge temperaturen, waaronder en verder reiken dan kernreacties.

Als de temperatuur erg hoog wordt, is het logisch om in termen van energieën te gaan denken betrokken in plaats van vast te houden aan de Kelvin-schaal (of Fahrenheit, ugh). Bij thermodynamisch evenwicht is de gemiddelde energie van een " vrijheidsgraad " met temperatuur $ T $ is $ U = \ frac12 kT $ . Een ideaal mono-atomair gas heeft bijvoorbeeld gemiddelde energie per deeltje $ \ frac32 kT $ , voor vertalingen in drie dimensies. Als je een systeem hebt waarin de toegestane energieën in klonten komen, zoals rotatie- en vibratietoestanden in moleculen, is de gemiddelde energie per modus nul terwijl de temperatuur $ kT $ is veel minder dan de energie $ E $ van de eerste opgewonden toestand. Dit betekent dat de meeste systemen een grotere warmtecapaciteit hebben wanneer ze warm zijn dan wanneer ze koud zijn, waardoor het moeilijk wordt om hoge temperaturen te bereiken.

  • Voor kamertemperatuur $ kT \ circa 25 $ milli-eV; dit is een typische energie voor een fonon in een vaste stof.

  • Op $ kT \ approx 1 $ eV, a een typische atoom-atoombotsing kan voldoende energie hebben om een elektron vrij te maken. Dit is de minimumtemperatuur die nodig is om een dicht, geïoniseerd plasma in stand te houden (de fotosfeer van de zon heeft $ kT = 0,5 $ eV, wat " exact hetzelfde " op het niveau van precisie waar ik hier naar streef.)

  • Op $ kT \ ca. 10 ^ 4 $ eV, zelfs de zwaarste atomen zullen gemiddeld volledig geïoniseerd zijn. (De bindingsenergie voor het elektron dat als laatste moet gaan, is $ 13,6 \, \ mathrm {eV} \ cdot Z ^ 2 $ , waarbij $ Z \ lesssim 100 $ is het protonnummer.)

  • Op $ kT \ ongeveer 0,1 $ MeV je begint genoeg energie te hebben om intern kernen te prikkelen. Lichte kernen zonder stabiele aangeslagen toestanden, zoals deuterium en helium-3, kunnen worden gedissocieerd. Stabiele lichtgewicht kernen kunnen hun elektrische afstoting en zekering overwinnen. Dit is de temperatuurschaal in de kern van een ster; Fusion-georiënteerde tokamaks moeten wat warmer worden, aangezien sterren het voordeel hebben van grootte. Elektronen bij deze temperatuur beginnen relativistisch te worden $ (m_ec ^ 2 = 0,5 \ rm \, MeV) $ . Naarmate de temperatuur de elektronenmassa passeert, zal zich een seculiere populatie van positronen ontwikkelen.

  • Ergens boven $ kT \ ca. 10 $ MeV, zal helium dissociatie in evenwicht komen met heliumvorming door fusie. De meeste botsingen tussen zware kernen hebben genoeg energie om een proton of neutron vrij te maken. Dit is waarschijnlijk het temperatuurregime in zware sterren, waar alle kernen de neiging hebben te evolueren naar ijzer-56 en nikkel-58.

  • Bij $ kT \ ongeveer 100 $ MeV, de meeste botsingen hebben genoeg energie om pionen te produceren ( $ m_ \ pi c ^ 2 = 140 $ MeV), en veel hebben genoeg energie om kaons te produceren ( $ m_K c ^ 2 = 500 $ MeV). Deze onstabiele deeltjes zullen neutrinos produceren wanneer ze vervallen.Neutrinos zijn zeer efficiënt in het wegvoeren van warmte uit het interactiegebied, dus astrofysische temperaturen op lange termijn kunnen rond deze schaal uitkomen. De meest energieke botsingen hier kunnen antiprotonen produceren ( $ m_ \ bar pc ^ 2 = 1 $ GeV).

  • Er is een factor duizend of zo in energie waar mijn intuïtie niet erg goed is.

  • Zoals aangetoond bij RHIC en bij LHC, ergens rond $ kT \ approx 200 $ GeV je begint nucleonen te dissociëren in quarks en gluonen, op dezelfde manier waarop je rond 1 eV atomen begon te dissociëren in kernen en elektronen. Merk op dat dit " slechts " ongeveer twintig miljard Kelvin is. De LHC mikt momenteel op 8–14 TeV, bijna een factor honderd hoger in energie.

Ik ben niet bekend met je wolfraam-verdampingsexperiment. Ik zou gissen dat het vers verdampte wolfraam een temperatuur van 1–10 eV zou kunnen hebben en dat je door het plasma op te sluiten en samen te persen de energiedichtheid met een factor 1000 zou kunnen verhogen. energiebereik voor een plasma met nucleaire interacties.

Opmerkingen

  • In ruimte-plasmas zijn er gebieden met wat ik zou beschouwen als zeer hete plasmas. In clustermedia binnen de melkweg zien ze bijvoorbeeld vaak bewijs voor ~ GeV elektron thermische energieën. Ik stel me voor dat in de buurt van pulsars, magnetars en zwarte gaten de lokale plasmas nog extremer kunnen worden, maar dat zou ik moeten controleren.
  • GeV-elektronen tussen sterrenstelsels moeten buiten thermisch evenwicht zijn. Echter, magnetische herverbindingsturbulentie houdt de corona van de zon ' heter dan zijn fotosfeer, en ik kan me iets soortgelijks voorstellen op galactische schaal. Ik ' zou geïnteresseerd zijn in een referentie.
  • Dus ik ben blij dat je ernaar hebt gevraagd omdat ik me vergiste. De thermische energieën in de ICM zijn ~ 10 keV en de suprathermale staart, die wordt waargenomen door middel van synchrotronemissie, bevindt zich in het ~ GeV-bereik. Trouwens, ik kijk nu al ~ 10 jaar naar ruimteplasmas en heb er nog geen gezien in thermisch evenwicht …

Antwoord

Het hangt af van het soort plasma waar je het over hebt. Ik leg de quark-gluon-plasmas opzij, die verschillen van andere plasmas doordat de nucleonen eigenlijk “in stukken gebroken” zijn.

De heetste plasmas op aarde zijn over het algemeen degene die bedoeld zijn voor het genereren van kernfusiereacties in een aanzienlijke hoeveelheid (bijvoorbeeld energieopwekking, of het bestuderen van sterren, planeten, enz.). In het laboratorium hebben een paar grote instrumenten indrukwekkende records neergezet, heter dan sterren eigenlijk:

Het lijkt erop dat de Z-machine de heetste heeft, maar ik weet niet zeker hoeveel van dit plasma in elk van de deze faciliteiten. Over het algemeen kunnen de tokamaks de temperatuur lange tijd (minuten) hoog houden, omdat het erg verdund is. De andere twee technieken kunnen het plasma slechts nanoseconden ondersteunen, omdat het erg dicht is.

Opmerkingen

  • Ik denk dat hij alleen maar wilde weten over de heetste plasma. De limietvraag is interessanter. Zou de limiet de beschikbare energie zijn na inflatie van de oerknal rond 100 miljard kelvin?
  • Het experiment met staafjes wolfraam waar @Pete naar vroeg, was volgens mij eigenlijk de Z-machine.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *