Lembro-me de ter lido sobre um experimento em que bastões finos de tungstênio foram superaquecidos com milhões de amperes de eletricidade, derretendo-os em gás ionizado e, em seguida, comprimidos ( por campos magnéticos?) em plasma.
O plasma aqueceu a temperaturas nunca antes alcançadas. Não consigo me lembrar exatamente, mas acredito que fez alguns bilhões de graus Fahrenheit.
Foi há alguns anos – e não consigo encontrar o relatório por meio de um mecanismo de pesquisa.
Existe um limite para a temperatura do plasma? Qual é a temperatura mais alta registrada atualmente no plasma? É mais quente do que as reações nucleares?
Comentários
- IINM, um plasma de quark-gluon é reivindicado ter atingido alguns trilhões de graus.
- ALICE afirma ter atingido 9,9 trilhões de graus F. wired.com/2012/08/hottest-temperature-record
- Quem mede essas temperaturas em graus Fahrenheit? ' é como medir a galáxia em pés.
- @BlackbodyBlacklight Certamente. Essas unidades fazem com que as missões espaciais falhem. en.wikipedia.org/wiki/Mars_Climate_Orbiter
Resposta
A temperatura mais alta registrada de um plasma não é mais quente do que as reações nucleares. Há um continuum de fenômenos que acontecem em altas temperaturas que inclui e se estende além reações nucleares.
Quando as temperaturas ficam muito altas, faz sentido começar a pensar em termos de energias envolvida em vez de seguir a escala de Kelvin (ou Fahrenheit, ugh). Em equilíbrio termodinâmico, a energia média de um " grau de liberdade " com temperatura $ T $ é $ U = \ frac12 kT $ . Por exemplo, um gás ideal monoatômico tem energia média por partícula $ \ frac32 kT $ , para translações em três dimensões. Se você tem um sistema onde as energias permitidas vêm em pedaços, como estados rotacionais e vibracionais em moléculas, a energia média por modo é zero enquanto a temperatura $ kT $ é muito menos do que a energia $ E $ do primeiro estado de excitação. Isso significa que a maioria dos sistemas tem uma capacidade de calor maior quando estão quentes do que quando estão frios, o que torna difícil atingir altas temperaturas.
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Para temperatura ambiente $ kT \ approx 25 $ milli-eV; esta é uma energia típica para um fônon em um sólido.
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Em $ kT \ approx 1 $ eV, a a colisão átomo-átomo típica pode ter energia suficiente para liberar um elétron. Esta é a temperatura mínima necessária para sustentar um plasma denso ionizado (a fotosfera do sol tem $ kT = 0,5 $ eV, que é " exatamente o mesmo " no nível de precisão que estou buscando aqui.)
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Em $ kT \ approx 10 ^ 4 $ eV, mesmo os átomos mais pesados estarão, em média, completamente ionizados. (A energia de ligação para o último elétron a ir é $ 13,6 \, \ mathrm {eV} \ cdot Z ^ 2 $ , onde $ Z \ lesssim 100 $ é o número do próton.)
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Em $ kT \ approx 0.1 $ MeV você começa a ter energia suficiente para excitar os núcleos internamente. Núcleos leves sem estados excitados estáveis, como deutério e hélio-3, podem estar dissociados. Núcleos leves estáveis podem superar sua repulsão elétrica e se fundir. Esta é a escala de temperatura dentro do núcleo de uma estrela; os tokamaks orientados para a fusão precisam ficar um pouco mais quentes, já que as estrelas têm a vantagem do tamanho. Elétrons nesta temperatura estão começando a ser relativísticos $ (m_ec ^ 2 = 0,5 \ rm \, MeV) $ . Conforme a temperatura passa da massa do elétron, uma população secular de pósitrons se desenvolverá.
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Em algum lugar acima de $ kT \ approx 10 $ MeV, a dissociação do hélio entrará em equilíbrio com a formação do hélio por fusão. A maioria das colisões entre núcleos pesados terá energia suficiente para liberar um próton ou um nêutron. Este é provavelmente o regime de temperatura em estrelas pesadas, onde todos os núcleos tendem a evoluir para ferro-56 e níquel-58.
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Em $ kT \ approx 100 $ MeV, a maioria das colisões tem energia suficiente para produzir píons ( $ m_ \ pi c ^ 2 = 140 $ MeV), e muitos têm energia suficiente para produzir kaons ( $ m_K c ^ 2 = 500 $ MeV). Essas partículas instáveis produzirão neutrinos quando se decomporem.Os neutrinos são muito eficientes em transportar o calor para longe da região de interação, de modo que as temperaturas astrofísicas de longo prazo podem atingir o pico em torno desta escala. As colisões mais enérgicas aqui podem produzir antiprótons ( $ m_ \ bar pc ^ 2 = 1 $ GeV).
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Há um fator de cerca de mil energia em que minha intuição não é muito boa.
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Conforme mostrado no RHIC e no LHC, algo em torno de $ kT \ approx 200 $ GeV você começa a dissociar núcleons em quarks e glúons, da mesma forma que por volta de 1 eV você começa a dissociar átomos em núcleos e elétrons. Observe que se trata de " apenas " cerca de vinte bilhões de Kelvin. O LHC visa atualmente a 8–14 TeV, quase um fator cem a mais em energia.
Não estou familiarizado com seu experimento de vaporização de tungstênio. Eu imagino que o tungstênio recém-vaporizado pode ter uma temperatura de 1–10 eV e que, confinando e comprimindo o plasma, você pode aumentar sua densidade de energia por um fator de 1000. Isso o colocaria em algum lugar abaixo do limite inferior do faixa de energia para um plasma com interações nucleares.
Comentários
- Em plasmas espaciais, há regiões que têm o que eu consideraria plasmas muito quentes. Por exemplo, em meios de aglomerados intragaláxicos, eles costumam observar evidências de energias térmicas de elétrons de ~ GeV. Eu imagino que perto de pulsares, magnetares e buracos negros os plasmas locais podem ficar ainda mais extremos, mas eu teria que verificar isso.
- Os elétrons GeV entre galáxias devem estar fora de equilíbrio térmico. No entanto, a turbulência de reconexão magnética mantém a ' coroa do sol mais quente do que sua fotosfera, e posso imaginar algo semelhante em escala galáctica. Eu ' d estaria interessado em ver uma referência.
- Fico feliz que você tenha perguntado sobre isso porque me enganei. As energias térmicas no ICM são ~ 10 keV e a cauda supratérmica, que é observada através da emissão síncrotron, está na faixa de ~ GeV. A propósito, estive observando plasmas espaciais por aproximadamente 10 anos e ainda não vi nenhum em equilíbrio térmico …
Resposta
Depende do tipo de plasma que você está falando. Estou deixando de lado os plasmas de quark-gluon, que são diferentes de outros plasmas porque os nucleons são, na verdade, “quebrados em pedaços”.
Os plasmas mais quentes da Terra, por outro lado, são geralmente aqueles que visam gerar reações de fusão nuclear em uma quantidade considerável (por exemplo, geração de energia ou estudo de estrelas, planetas, etc.). No laboratório, alguns instrumentos grandes estabeleceram recordes impressionantes, mais quentes do que estrelas na verdade:
- tokamaks : 100 milhões de kelvin
- a Z-machine : 2 bilhões de kelvin
- instalações de laser, como NIF : 100 milhões de kelvin
Parece que a máquina Z tem o mais quente, mas não tenho certeza de quanto desse plasma é produzido em cada um essas instalações. Em geral, os tokamaks conseguem manter a temperatura elevada por muito tempo (minutos), pois é muito diluída. As outras duas técnicas só podem sustentar o plasma por nanossegundos, pois é muito denso.
Comentários
- Acho que ele só queria saber sobre o plasma mais quente. A questão do limite é mais interessante. O limite seria a energia disponível após a inflação do big bang em torno de 100 bilhões de kelvin?
- O experimento com hastes de tungstênio que @Pete perguntou era na verdade a máquina Z, eu acredito.