Jag kommer ihåg att jag läste om ett experiment där fina stänger av volfram överuppvärmdes med miljontals ampere av elektricitet, smälte dem till joniserad gas och komprimerades sedan ( av magnetfält?) till plasma.

Plasman värms upp till temperaturer som aldrig tidigare uppnåtts. Jag kommer inte ihåg exakt, men jag tror att det var några miljarder grader fahrenheit.

Det var för ett antal år sedan – och jag kan inte hitta rapporten via en sökmotor.

Finns det en gräns för plasmatemperaturen? Vad är den nuvarande högsta registrerade temperaturen i plasma? Är det varmare än kärnreaktioner?

Kommentarer

Svar

En plasmas högsta registrerade temperatur är inte hetare än kärnreaktioner. Det finns en kontinuerlig fenomen som inträffar vid hög temperatur som inkluderar och sträcker sig bortom kärnreaktioner.

När temperaturen blir väldigt hög, är det vettigt att börja tänka på energierna involverad snarare än att hålla sig till kelvinskalan (eller Fahrenheit, uhg). Vid termodynamisk jämvikt, den genomsnittliga energin för en " frihetsgrad " med temperatur $ T $ är $ U = \ frac12 kT $ . Till exempel har en monoatomisk idealgas medelenergi per partikel $ \ frac32 kT $ , för översättningar i tre dimensioner. Om du har ett system där de tillåtna energierna kommer i klumpar, som rotations- och vibrationstillstånd i molekyler, är den genomsnittliga energin per läge noll medan temperaturen $ kT $ är mycket mindre än energin $ E $ i det första upphetsade tillståndet. Detta innebär att de flesta system har en högre värmekapacitet när de är heta än när de är kalla, vilket gör det svårt att nå höga temperaturer.

  • För rumstemperatur $ kT \ cirka 25 $ milli-eV; detta är en typisk energi för ett fonon i ett fast ämne.

  • Vid $ kT \ approx 1 $ eV, a typisk atom-atomkollision kan ha tillräckligt med energi för att frigöra en elektron. Detta är den lägsta temperatur som krävs för att upprätthålla en tät joniserad plasma (Solens fotosfär har $ kT = 0,5 $ eV, vilket är " exakt samma " på precisionsnivån jag siktar på här.)

  • Vid $ kT \ ca 10 ^ 4 $ eV, även de tyngsta atomerna kommer i genomsnitt att vara helt joniserade. (Bindningsenergin för den senaste elektronen är $ 13,6 \, \ mathrm {eV} \ cdot Z ^ 2 $ , där $ Z \ lesssim 100 $ är protonnumret.)

  • Vid $ kT \ cirka 0,1 $ MeV du börjar ha tillräckligt med energi för att väcka kärnor internt. Lätta kärnor utan stabila exciterade tillstånd, som deuterium och helium-3, kan dissocieras. Stabila lätta kärnor kan övervinna deras elektriska avstötning och säkring. Detta är temperaturskalan inuti en stjärnas kärna; fusionsorienterade tokamaker måste springa lite hetare, eftersom stjärnor har fördelen med storlek. Elektroner vid denna temperatur börjar vara relativistiska $ (m_ec ^ 2 = 0,5 \ rm \, MeV) $ . När temperaturen passerar elektronmassan kommer en sekulär befolkning av positroner att utvecklas.

  • Någonstans över $ kT \ ca 10 $ MeV, heliumdissociation kommer i jämvikt med heliumbildning genom fusion. De flesta kollisioner mellan tunga kärnor kommer att ha tillräckligt med energi för att frigöra en proton eller en neutron. Detta är förmodligen temperaturregimen i tunga stjärnor, där alla kärnor tenderar att utvecklas mot järn-56 och nickel-58.

  • Vid $ kT \ ca 100 $ MeV, de flesta kollisioner har tillräckligt med energi för att producera pioner ( $ m_ \ pi c ^ 2 = 140 $ MeV), och många har tillräckligt med energi för att producera kaoner ( $ m_K c ^ 2 = 500 $ MeV). Dessa instabila partiklar kommer att producera neutriner när de sönderfaller.Neutrinoer är mycket effektiva för att transportera värme bort från interaktionsregionen, så långvariga astrofysiska temperaturer kan toppa runt denna skala. De mest energiska kollisionerna här kan ge antiprotoner ( $ m_ \ bar pc ^ 2 = 1 $ GeV).

  • Det finns en faktor tusen eller så i energi där min intuition inte är särskilt bra.

  • Som visas vid RHIC och vid LHC, någonstans runt $ kT \ approx 200 $ GeV du börjar dissociera nukleoner i kvarkar och gluoner, på samma sätt som runt 1 eV började du dissociera atomer i kärnor och elektroner. Observera att det här är " endast " cirka tjugo miljarder kelvin. LHC siktar för närvarande mot 8–14 TeV, nästan en faktor som är hundra högre i energi.

Jag känner inte till ditt volframförångningsexperiment. Jag skulle gissa att nyförångad volfram kan ha en temperatur på 1–10 eV och att genom att begränsa och komprimera plasma kan du öka dess energitäthet med en faktor på 1000. Det skulle placera den någonstans under den låga änden av energiområde för ett plasma med nukleära interaktioner.

Kommentarer

  • I rymdplasmer finns det regioner som har vad jag anser vara mycket heta plasma. Till exempel i klustermedier inom galaxen observerar de ofta bevis för ~ GeV-elektroniska termiska energier. Jag föreställer mig att nära lokala pulser, magnetar och svarta hål kan de lokala plasmorna bli ännu mer extrema, men jag måste kontrollera det.
  • GeV-elektroner mellan galaxer måste vara utanför termisk jämvikt. Magnetisk återanslutningsturbulens håller dock solen ' s korona varmare än dess fotosfär, och jag kan föreställa mig något liknande i galaktisk skala. Jag ' skulle vara intresserad av att se en referens.
  • Så jag är glad att du frågade om detta eftersom jag hade fel. De termiska energierna i ICM är ~ 10 keV och den supraterala svansen, som observeras genom synkrotronemission, ligger inom ~ GeV-området. Jag har förresten tittat på rymdplasmer i ~ 10 år nu och har ännu inte sett en i termisk jämvikt …

Svar

Det beror på vilken typ av plasma du pratar om. Jag avsätter kvark-gluon-plasmorna, som skiljer sig från andra plasmor genom att nukleonerna faktiskt är ”brutna i bitar”.

De hetaste plasmorna på jorden är annars i allmänhet de som är generera kärnfusionsreaktioner i en avsevärd mängd (till exempel energiproduktion, eller studera stjärnor, planeter etc.). I laboratoriet har några stora instrument satt imponerande rekord, hetare än stjärnor faktiskt:

Det ser ut som Z-maskinen har den hetaste, men jag är inte säker på hur mycket av denna plasma som produceras i var och en av dessa anläggningar. I allmänhet kan tokamaker hålla temperaturen hög under lång tid (minuter), eftersom den är mycket utspädd. De andra två teknikerna kan bara hålla plasman under nanosekunder, eftersom den är mycket tät.

Kommentarer

  • Jag tror att han bara ville veta om hetaste plasma. Gränsfrågan är mer intressant. Skulle gränsen vara den tillgängliga energin efter inflation från Big Bang runt 100 miljarder kelvin?
  • Experimentet med stänger av volfram som @Pete frågade om var faktiskt den Z-maskin som jag tror.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras. Obligatoriska fält är märkta *