Физика высокой плотности энергии
Физика высокой плотности энергии (HEDP) — это подраздел физики, пересекающий физику конденсированного состояния , ядерную физику , астрофизику и физику плазмы . Она была определена как физика материи и излучения при плотностях энергии , превышающих примерно 100 ГДж/м3 , что эквивалентно давлению около 1 Мбар (или примерно в 1 миллион раз больше атмосферного давления). [1]
Определение
Наука о высокой плотности энергии (HED) включает в себя изучение конденсированного вещества при плотностях, обычных для глубоких недр гигантских планет, и горячей плазмы, типичной для недр звезд. [2] Эта междисциплинарная область обеспечивает основу для понимания широкого спектра астрофизических наблюдений и понимания и, в конечном счете, управления режимом синтеза. В частности, термоядерное зажигание путем 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 ( Национальный центр зажигания (NIF), Лазерный центр Юпитера (JLF) и т. д.) вместе с толчком к Exascale Computing помогают сделать этот новый научный рубеж богатым на открытия. [3]
Область HED часто определяется плотностью энергии (единицы давления ) выше 1 Мбар = 100 ГПа ~ 1 миллион атмосфер . Это сопоставимо с плотностью энергии химической связи , например, в молекуле воды. Таким образом, при 1 Мбар химия, какой мы ее знаем, меняется. Эксперименты в NIF теперь регулярно исследуют вещество при 100 Мбар. При этих условиях «атомного давления» плотность энергии сравнима с плотностью энергии электронов внутреннего ядра, поэтому изменяются сами атомы. Плотный режим HED включает в себя сильно вырожденное вещество 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 меньше радиуса Бора . Это открывает совершенно новую квантово-механическую область, где основные электроны — а не только валентные электроны — определяют свойства материалов и порождают химию основных электронов и новую структурную сложность в твердых телах. Потенциальное экзотическое электронное, механическое и структурное поведение такой материи включает сверхпроводимость при комнатной температуре, электриды высокой плотности , переходы жидкость-жидкость первого порядка и новые переходы изолятор-металл. Такая материя, вероятно, довольно распространена во всей Вселенной, существуя в более чем 1000 недавно открытых экзопланетах . [3]
Важность
Условия HED при более высоких температурах важны для рождения и смерти звезд и управления термоядерным синтезом в лабораторных условиях. Возьмем в качестве примера рождение и остывание нейтронной звезды . Центральная часть звезды, масса которой составляет ~8-20 масс Солнца, сплавляется с железом и не может двигаться дальше, поскольку железо имеет самую высокую энергию связи на нуклон среди всех элементов. По мере того, как железное ядро накапливается до ~1,4 масс Солнца, давление вырождения электронов уступает гравитации и разрушается. Сначала звезда охлаждается за счет быстрого испускания нейтрино . Внешний поверхностный слой Fe (~10 9 К) вызывает спонтанное рождение пар, затем достигает температуры, при которой давление излучения сравнимо с тепловым давлением, а тепловое давление сравнимо с кулоновскими взаимодействиями . [3]
Недавние открытия включают металлический жидкий водород и суперионную воду . [3]
Смотрите также
Ссылки
- ^ Национальные академии наук, инженерии и медицины (2023). Фундаментальные исследования в области науки о высокой плотности энергии. Вашингтон, округ Колумбия: National Academies Press. doi : 10.17226/26728. ISBN 978-0-309-69414-8.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ "Главная". heds-center.llnl.gov .
- ^ abcd "High energy density science: Research areas". Национальная лаборатория Лоуренса в Ливерморе, Министерство энергетики США. Архивировано из оригинала 2019-02-13 . Получено 2019-02-13 .
В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии . - ^ Бергесон, Скотт Д.; Баалруд, Скотт Д.; Эллисон, К. Леланд; Грант, Эдвард; Грациани, Фрэнк Р.; Киллиан, Томас К.; Мурильо, Майкл С.; Робертс, Джейкоб Л.; Стэнтон, Лиам Г. (2019-10-01). «Изучение перехода между физикой высокоэнергетической плотности плазмы и ультрахолодной нейтральной плазмы». Физика плазмы . 26 (10): 100501. Bibcode : 2019PhPl...26j0501B. doi : 10.1063/1.5119144 . ISSN 1070-664X.
