Większość ludzi zna ciała stałe, ciecze i gazy jako trzy stany materii. Jednak czwarty stan materii, zwany plazmą, jest najobfitszą formą materii we wszechświecie, występującą w całym naszym układzie słonecznym w Słońcu i innych ciałach planetarnych.
Plazma... w postaci Słońca...🤗😎
Duże w nowym oknie >>
Ponieważ gęsta plazma - gorąca zupa atomów ze swobodnie poruszającymi się elektronami i jonami - zazwyczaj tworzy się tylko pod wpływem ekstremalnego ciśnienia i temperatury, naukowcy wciąż pracują nad zrozumieniem podstaw tego stanu materii. Zrozumienie, jak atomy reagują w warunkach ekstremalnego ciśnienia - dziedzina znana jako fizyka wysokiej energii i gęstości (HEDP) - daje naukowcom możliwość lepszego zbadania planet, astrofizyki i energii termojądrowej.
Jednym z ważnych pytań w dziedzinie HEDP jest to, jak plazmy emitują i absorbują promieniowanie. Obecne modele przedstawiające transport promieniowania w gęstej plazmie są w dużej mierze oparte na teorii, a nie na dowodach eksperymentalnych.
W nowej pracy opublikowanej w Nature Communications, naukowcy z University of Rochester Laboratory for Laser Energetics (LLE) użyli lasera OMEGA w LLE do zbadania jak promieniowanie przemieszcza się przez gęstą plazmę.
Badania prowadzone przez Suxing Hu, wybitnego naukowca i lidera grupy teorii fizyki wysokiej gęstości energii w LLE i profesora nadzwyczajnego inżynierii mechanicznej, oraz Philipa Nilsona, starszego naukowca w grupie Laser-Plasma Interaction w LLE, dostarczają pierwszych w swoim rodzaju danych eksperymentalnych na temat zachowania atomów w ekstremalnych warunkach.
Dane zostaną wykorzystane do ulepszenia modeli plazmy, które pozwalają naukowcom lepiej zrozumieć ewolucję gwiazd i mogą pomóc w realizacji kontrolowanej fuzji jądrowej jako alternatywnego źródła energii.
"Eksperymenty wykorzystujące implozje napędzane laserem na OMEGA stworzyły ekstremalną materię pod ciśnieniem kilka miliardów razy wyższym niż ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Ziemi, abyśmy mogli zbadać, jak atomy i cząsteczki zachowują się w tak ekstremalnych warunkach" - mówi Hu. "Warunki te odpowiadają warunkom panującym wewnątrz tzw. otoczki białych karłów, jak również celów fuzji inercyjnej".
Wykorzystanie spektroskopii rentgenowskiej
Naukowcy wykorzystali spektroskopię rentgenowską, aby zmierzyć, jak promieniowanie jest transportowane przez plazmę. Spektroskopia rentgenowska polega na skierowaniu wiązki promieniowania w postaci promieni X na plazmę złożoną z atomów - w tym przypadku atomów miedzi - w warunkach ekstremalnego ciśnienia i ciepła. Naukowcy użyli lasera OMEGA zarówno do stworzenia plazmy, jak i do wytworzenia promieniowania X skierowanego na plazmę.
Kiedy plazma jest bombardowana promieniami X, elektrony w atomach "przeskakują" z jednego poziomu energetycznego na drugi, emitując lub absorbując fotony światła. Detektor mierzy te zmiany, ujawniając procesy fizyczne zachodzące wewnątrz plazmy, podobnie jak w przypadku badania rentgenowskiego złamanej kości.
Zerwanie z konwencjonalną teorią
Pomiary doświadczalne naukowców wskazują, że gdy promieniowanie przemieszcza się przez gęstą plazmę, zmiany poziomów energii atomowej nie są zgodne z konwencjonalnymi teoriami stosowanymi obecnie w modelach fizyki plazmy - tzw. modelami "continuum-lowering".
Naukowcy stwierdzili natomiast, że pomiary, które zaobserwowali w swoich eksperymentach, można wyjaśnić jedynie przy użyciu samozgodnego podejścia opartego na teorii funkcjonałów gęstości (DFT). DFT oferuje kwantowo-mechaniczny opis wiązań między atomami i cząsteczkami w złożonych układach. Metoda DFT została po raz pierwszy opisana w latach 60. i była przedmiotem Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 1998 roku.
"Ta praca ujawnia fundamentalne kroki w celu przepisania obecnych podręcznikowych opisów tego, jak generowanie i transport promieniowania zachodzi w gęstej plazmie" - mówi Hu. "Według naszych eksperymentów, użycie samozgodnego podejścia DFT dokładniej opisuje transport promieniowania w gęstej plazmie".
Nilson mówi: "Nasze podejście może zapewnić niezawodny sposób symulacji generacji i transportu promieniowania w gęstej plazmie spotykanej w gwiazdach i celach fuzji inercyjnej. Opisany tu schemat eksperymentalny, oparty na implozji napędzanej laserem, może być łatwo rozszerzony na szeroki zakres materiałów, otwierając drogę do daleko idących badań nad ekstremalną fizyką atomową przy ogromnych ciśnieniach."
Źródło: Phys.org: First-of-its-kind experimental evidence defies conventional theories about how plasmas emit or absorb radiation
S. X. Hu et al --> Nature Communications --> Probing atomic physics at ultrahigh pressure using laser-driven implosions --> DOI: 10.1038/s41467-022-34618-6
Jednym z ważnych pytań w dziedzinie HEDP jest to, jak plazmy emitują i absorbują promieniowanie. Obecne modele przedstawiające transport promieniowania w gęstej plazmie są w dużej mierze oparte na teorii, a nie na dowodach eksperymentalnych.
W nowej pracy opublikowanej w Nature Communications, naukowcy z University of Rochester Laboratory for Laser Energetics (LLE) użyli lasera OMEGA w LLE do zbadania jak promieniowanie przemieszcza się przez gęstą plazmę.
Badania prowadzone przez Suxing Hu, wybitnego naukowca i lidera grupy teorii fizyki wysokiej gęstości energii w LLE i profesora nadzwyczajnego inżynierii mechanicznej, oraz Philipa Nilsona, starszego naukowca w grupie Laser-Plasma Interaction w LLE, dostarczają pierwszych w swoim rodzaju danych eksperymentalnych na temat zachowania atomów w ekstremalnych warunkach.
Dane zostaną wykorzystane do ulepszenia modeli plazmy, które pozwalają naukowcom lepiej zrozumieć ewolucję gwiazd i mogą pomóc w realizacji kontrolowanej fuzji jądrowej jako alternatywnego źródła energii.
"Eksperymenty wykorzystujące implozje napędzane laserem na OMEGA stworzyły ekstremalną materię pod ciśnieniem kilka miliardów razy wyższym niż ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Ziemi, abyśmy mogli zbadać, jak atomy i cząsteczki zachowują się w tak ekstremalnych warunkach" - mówi Hu. "Warunki te odpowiadają warunkom panującym wewnątrz tzw. otoczki białych karłów, jak również celów fuzji inercyjnej".
Wykorzystanie spektroskopii rentgenowskiej
Naukowcy wykorzystali spektroskopię rentgenowską, aby zmierzyć, jak promieniowanie jest transportowane przez plazmę. Spektroskopia rentgenowska polega na skierowaniu wiązki promieniowania w postaci promieni X na plazmę złożoną z atomów - w tym przypadku atomów miedzi - w warunkach ekstremalnego ciśnienia i ciepła. Naukowcy użyli lasera OMEGA zarówno do stworzenia plazmy, jak i do wytworzenia promieniowania X skierowanego na plazmę.
Kiedy plazma jest bombardowana promieniami X, elektrony w atomach "przeskakują" z jednego poziomu energetycznego na drugi, emitując lub absorbując fotony światła. Detektor mierzy te zmiany, ujawniając procesy fizyczne zachodzące wewnątrz plazmy, podobnie jak w przypadku badania rentgenowskiego złamanej kości.
Zerwanie z konwencjonalną teorią
Pomiary doświadczalne naukowców wskazują, że gdy promieniowanie przemieszcza się przez gęstą plazmę, zmiany poziomów energii atomowej nie są zgodne z konwencjonalnymi teoriami stosowanymi obecnie w modelach fizyki plazmy - tzw. modelami "continuum-lowering".
Naukowcy stwierdzili natomiast, że pomiary, które zaobserwowali w swoich eksperymentach, można wyjaśnić jedynie przy użyciu samozgodnego podejścia opartego na teorii funkcjonałów gęstości (DFT). DFT oferuje kwantowo-mechaniczny opis wiązań między atomami i cząsteczkami w złożonych układach. Metoda DFT została po raz pierwszy opisana w latach 60. i była przedmiotem Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 1998 roku.
"Ta praca ujawnia fundamentalne kroki w celu przepisania obecnych podręcznikowych opisów tego, jak generowanie i transport promieniowania zachodzi w gęstej plazmie" - mówi Hu. "Według naszych eksperymentów, użycie samozgodnego podejścia DFT dokładniej opisuje transport promieniowania w gęstej plazmie".
Nilson mówi: "Nasze podejście może zapewnić niezawodny sposób symulacji generacji i transportu promieniowania w gęstej plazmie spotykanej w gwiazdach i celach fuzji inercyjnej. Opisany tu schemat eksperymentalny, oparty na implozji napędzanej laserem, może być łatwo rozszerzony na szeroki zakres materiałów, otwierając drogę do daleko idących badań nad ekstremalną fizyką atomową przy ogromnych ciśnieniach."
Źródło: Phys.org: First-of-its-kind experimental evidence defies conventional theories about how plasmas emit or absorb radiation
S. X. Hu et al --> Nature Communications --> Probing atomic physics at ultrahigh pressure using laser-driven implosions --> DOI: 10.1038/s41467-022-34618-6
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz