Физика высокой плотности энергии
Физика высокой плотности энергии (ФВЭД) — раздел физики, пересекающий физику конденсированного состояния , ядерную физику , астрофизику и физику плазмы . Это было определено как физика материи и излучения при плотности энергии, превышающей примерно 100 ГДж/м. 3 эквивалентно давлению около 1 Мбар (или примерно в 1 миллион раз атмосферное давление) [1] .
Определение
[ редактировать ]Наука о высокой плотности энергии (HED) включает изучение конденсированного вещества с плотностями, характерными для глубоких недр планет-гигантов, и горячей плазмы, типичной для недр звезд. [2] Эта междисциплинарная область обеспечивает основу для понимания широкого спектра астрофизических наблюдений, а также понимания и, в конечном итоге, управления режимом термоядерного синтеза. В частности, термоядерное зажигание за счет инерционного удержания в лаборатории, а также переход от планет к коричневым карликам и звездам в природе происходит через режим HED. Широкий спектр новых и появляющихся экспериментальных возможностей ( Национальная установка зажигания (NIF), Лазерная установка на Юпитере (JLF) и т. д.) вместе с стремлением к экзафлопсным вычислениям помогают сделать этот новый научный рубеж богатым открытиями. [3]
Область HED часто определяется плотностью энергии (единицы давления ) выше 1 Мбар = 100 ГПа ~ 1 миллион атмосферы . Это сравнимо с плотностью энергии химической связи , например, в молекуле воды. Таким образом, при давлении 1 Мбар химический состав, какой мы его знаем, меняется. Эксперименты в НИФ теперь регулярно исследуют вещество при давлении 100 Мбар. В этих условиях «атомного давления» плотность энергии сравнима с плотностью энергии внутренних электронов ядра, поэтому сами атомы изменяются. Плотный режим HED включает сильно вырожденную материю с межатомным расстоянием меньше длины волны де Бройля . Это похоже на квантовый режим, достигаемый при низких температурах. [4] (например, конденсация Бозе-Эйнштейна ), однако, в отличие от низкотемпературного аналога, этот режим HED одновременно исследует межатомные расстояния, меньшие, чем радиус Бора . Это открывает совершенно новую область квантовой механики, где электроны ядра, а не только валентные электроны, определяют свойства материала и порождают химию электронов ядра и новую структурную сложность твердых тел. Потенциальное экзотическое электронное, механическое и структурное поведение такой материи включает сверхпроводимость высокой плотности при комнатной температуре, электриды , переходы жидкость-жидкость первого рода и новые переходы изолятор-металл. Такая материя, вероятно, довольно распространена во Вселенной и существует на более чем 1000 недавно открытых экзопланетах . [3]
Важность
[ редактировать ]Условия HED при более высоких температурах важны для рождения и смерти звезд, а также для управления термоядерным синтезом в лаборатории. Возьмем, к примеру, рождение и остывание нейтронной звезды . Центральная часть звезды, масса которой примерно в 8-20 раз превышает массу Солнца, сплавляется с железом и не может идти дальше, поскольку железо имеет самую высокую энергию связи на нуклон среди всех элементов. По мере того, как железное ядро накапливает ~1,4 солнечных массы, давление электронного вырождения уступает силе гравитации и разрушается. Первоначально звезда охлаждается за счет быстрого испускания нейтрино . Внешний поверхностный слой Fe (~10 9 K) приводит к спонтанному образованию пар, а затем достигает температуры, при которой давление излучения сравнимо с тепловым давлением и где тепловое давление сравнимо с кулоновским взаимодействием . [3]
Недавние открытия включают металлический жидкий водород и суперионную воду . [3]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Национальные академии наук, техники и медицины (2023 г.). Фундаментальные исследования в области науки о плотности высокой энергии . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. дои : 10.17226/26728 . ISBN 978-0-309-69414-8 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ "Дом" . heds-center.llnl.gov .
- ^ Перейти обратно: а б с д «Наука о высокой плотности энергии: Направления исследований» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса Министерства энергетики США.
В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе . - ^ Бергесон, Скотт Д.; Баалруд, Скотт Д.; Эллисон, К. Леланд; Грант, Эдвард; Грациани, Фрэнк Р.; Киллиан, Томас С.; Мурильо, Майкл С.; Робертс, Джейкоб Л.; Стэнтон, Лиам Г. (01 октября 2019 г.). «Изучение пересечения между плазмой высокой плотности энергии и физикой ультрахолодной нейтральной плазмы» . Физика плазмы . 26 (10): 100501. Бибкод : 2019PhPl...26j0501B . дои : 10.1063/1.5119144 . ISSN 1070-664X .
