Wie heiß kann Plasma werden?

Die höchste aufgezeichnete Temperatur eines Plasmas ist nicht heißer als Kernreaktionen. Es gibt ein Kontinuum von Phänomenen, die bei hohen Temperaturen auftreten, einschließlich und darüber hinaus Kernreaktionen.

Wenn die Temperaturen sehr hoch werden, ist es sinnvoll, über die Energien nachzudenken beteiligt, anstatt sich an die Kelvin-Skala (oder Fahrenheit, ugh) zu halten. Im thermodynamischen Gleichgewicht ist die durchschnittliche Energie eines " Freiheitsgrades " mit der Temperatur $ T. $ ist $ U = \ frac12 kT $ . Beispielsweise hat ein monoatomares ideales Gas eine mittlere Energie pro Partikel $ \ frac32 kT $ für dreidimensionale Übersetzungen. Wenn Sie ein System haben, in dem die zulässigen Energien in Klumpen vorliegen, wie Rotations- und Schwingungszustände in Molekülen, ist die mittlere Energie pro Modus Null , während die Temperatur $ kT ist $ ist viel weniger als die Energie $ E $ des ersten angeregten Zustands. Dies bedeutet, dass die meisten Systeme im heißen Zustand eine größere Wärmekapazität haben als im kalten Zustand, was das Erreichen hoher Temperaturen schwierig macht.

• Für Raumtemperatur $ kT \ ca. 25 $ Milli-eV; Dies ist eine typische Energie für ein Phonon in einem Festkörper.

• Bei $ kT \ ca. 1 $ eV, a Eine typische Atom-Atom-Kollision kann genug Energie haben, um ein Elektron freizusetzen. Dies ist die Mindesttemperatur, die erforderlich ist, um ein dichtes, ionisiertes Plasma aufrechtzuerhalten (Die Photosphäre der Sonne hat $ kT = 0,5 $ eV, was genau das gleiche " mit der Genauigkeit, die ich hier anstrebe.)

• Bei $ kT \ ca. 10 ^ 4 $ eV, selbst die schwersten Atome werden im Durchschnitt vollständig ionisiert. (Die Bindungsenergie für das letzte Elektron ist $ 13.6 \, \ mathrm {eV} \ cdot Z ^ 2 $ , wobei $ Z \ lesssim 100 $ ist die Protonenzahl.)

• Bei $ kT \ ca. 0,1 $ MeV Sie haben genug Energie, um Kerne intern anzuregen. Lichtkerne ohne stabile angeregte Zustände wie Deuterium und Helium-3 können dissoziiert sein. Stabile leichte Kerne können ihre elektrische Abstoßung und Verschmelzung überwinden. Dies ist die Temperaturskala im Kern eines Sterns; Fusionsorientierte Tokamaks müssen etwas heißer laufen, da Sterne den Vorteil der Größe haben. Elektronen bei dieser Temperatur beginnen relativistisch zu werden $ (m_ec ^ 2 = 0,5 \ rm \, MeV) $ . Wenn die Temperatur die Elektronenmasse überschreitet, entwickelt sich eine säkulare Population von Positronen.

• Irgendwo über $ kT \ ca. 10 $ MeV, die Heliumdissoziation wird durch Fusion mit der Heliumbildung ins Gleichgewicht gebracht. Die meisten Kollisionen zwischen schweren Kernen haben genug Energie, um ein Proton oder ein Neutron freizusetzen. Dies ist wahrscheinlich das Temperaturregime in schweren Sternen, in denen sich alle Kerne in Richtung Eisen-56 und Nickel-58 entwickeln.

• Bei $ kT \ ca. 100 $ MeV, die meisten Kollisionen haben genug Energie, um Pionen zu produzieren ( $ m_ \ pi c ^ 2 = 140 $ MeV), und Viele haben genug Energie, um Kaonen zu produzieren ( $ m_K c ^ 2 = 500 $ MeV). Diese instabilen Teilchen produzieren Neutrinos, wenn sie zerfallen.Neutrinos sind sehr effizient darin, Wärme aus dem Wechselwirkungsbereich abzuleiten, so dass langfristige astrophysikalische Temperaturen in diesem Bereich auftreten können. Die energischsten Kollisionen hier können Antiprotonen erzeugen ( $ m_ \ bar pc ^ 2 = 1 $ GeV).

• Es gibt einen Faktor von ungefähr tausend in der Energie, bei dem meine Intuition nicht sehr gut ist.

• Wie bei RHIC und LHC gezeigt, irgendwo um $ kT \ ca. 200 $ GeV Sie beginnen, Nukleonen in Quarks und Gluonen zu dissoziieren, genauso wie Sie um 1 eV herum begonnen haben, Atome in Kerne und Elektronen zu dissoziieren. Beachten Sie, dass dies " nur " ungefähr 20 Milliarden Kelvin ist. Der LHC strebt derzeit 8–14 TeV an, was einem fast hundertfach höheren Energieverbrauch entspricht.

Ich bin mit Ihrem Wolframverdampfungsexperiment nicht vertraut. Ich würde vermuten, dass das frisch verdampfte Wolfram eine Temperatur von 1–10 eV haben könnte und dass Sie durch Einschließen und Komprimieren des Plasmas seine Energiedichte um den Faktor 1000 erhöhen könnten. Das würde es irgendwo unter das untere Ende des Wolframs bringen Energiebereich für ein Plasma mit nuklearen Wechselwirkungen.

Kommentare

• In Weltraumplasmen gibt es Regionen, die das haben, was ich als sehr heiße Plasmen betrachten würde. Beispielsweise beobachten sie in Intra-Galaxien-Cluster-Medien häufig Hinweise auf ~ GeV-Elektronenthermieenergien. Ich stelle mir vor, dass in der Nähe von Pulsaren, Magnetaren und Schwarzen Löchern die lokalen Plasmen noch extremer werden können, aber ich müsste das überprüfen.
• GeV-Elektronen zwischen Galaxien müssen sich außerhalb des thermischen Gleichgewichts befinden. Durch magnetische Wiederverbindungsturbulenzen bleibt die Korona der Sonne ' jedoch heißer als ihre Photosphäre, und ich kann mir etwas Ähnliches auf galaktischer Ebene vorstellen. Ich ' wäre interessiert, eine Referenz zu sehen.
• Ich bin froh, dass Sie danach gefragt haben, weil ich mich geirrt habe. Die thermischen Energien im ICM betragen ~ 10 keV und der suprathermale Schwanz, der durch Synchrotronemission beobachtet wird, liegt im ~ GeV-Bereich. Übrigens beschäftige ich mich seit ~ 10 Jahren mit Weltraumplasmen und habe noch keine im thermischen Gleichgewicht gesehen …

Es hängt von der Art des Plasmas ab, über das Sie sprechen. Ich lege die Quark-Gluon-Plasmen beiseite, die sich von anderen Plasmen dadurch unterscheiden, dass die Nukleonen tatsächlich „in Stücke gebrochen“ sind.

Die heißesten Plasmen auf der Erde sind ansonsten im Allgemeinen diejenigen, die angestrebt werden Erzeugung von Kernfusionsreaktionen in beträchtlicher Menge (z. B. Energieerzeugung oder Untersuchung von Sternen, Planeten usw.). Im Labor haben einige große Instrumente beeindruckende Rekorde aufgestellt, die heißer sind als Sterne:

• Tokamaks : 100 Millionen Kelvin
• die Z-Maschine : 2 Milliarden Kelvin
• Lasereinrichtungen wie die NIF : 100 Millionen Kelvin

Es sieht so aus, als hätte die Z-Maschine die heißeste, aber ich bin mir nicht sicher, wie viel von diesem Plasma in jedem von ihnen produziert wird diese Einrichtungen. Im Allgemeinen können die Tokamaks die Temperatur für eine lange Zeit (Minuten) hoch halten, da sie sehr verdünnt sind. Die anderen beiden Techniken können das Plasma nur für Nanosekunden aufrechterhalten, da es sehr dicht ist.

Kommentare

• Ich denke, er wollte nur etwas über das wissen heißestes Plasma. Die Grenzfrage ist interessanter. Wäre die Grenze die verfügbare Energie nach dem Aufblasen vom Urknall um 100 Milliarden Kelvin?
• Das Experiment mit Wolframstäben, nach dem @Pete fragte, war tatsächlich die Z-Maschine, die ich glaube.

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