Vedci skúmali šírenie radiácie v plazme. Ako sa správajú atómy v podmienkach, ktoré si nevieme ani len predstaviť?
Plazma je štvrté skupenstvo hmoty a je najrozšírenejším skupenstvom vo vesmíre. Napriek tomu jej stále úplne nerozumieme.
Plazma sa považuje za štvrté skupenstvo hmoty a je najrozšírenejšou formou vo vesmíre. Slnko je tvorené prevažne z plazmy a nájdeme ju aj naprieč našou sústavou a ďalšími sústavami nielen naprieč Mliečnou dráhou.
Plazma je vysoko ionizovaný plyn a vzniká odtrhnutím elektrónov z elektrónového obalu atómov plynu alebo ionizáciou. O existencii plazmy vieme už od roku 1879, no v tej dobe sa označovala ako žiarivá hmota. Plazmou sme ju začali nazývať od roku 1928. Plazma nie je len vesmírny fenomén, stretnúť sa s ňou môžeme aj na Zemi, napríklad počas búrky alebo keď vidíme polárnu žiaru.
Hustú formu plazmy tvoria atómy s voľnými elektrónmi a iónmi a vedci ju často popisujú ako „polievku“ častíc. Vzniká keď sa stretne extrémny tlak s extrémnymi teplotami, čo sú podmienky, ktoré sa v laboratóriu vytvárajú ťažko. Preto sa výskumníci stále pokúšajú zistiť viac o základných vlastnostiach tohto skupenstva hmoty.
Šírenie radiácie v plazme
Správaniu vysokoenergetickej plazmy s vysokou hustotou sa venuje odbor HEDP (pozn. redakcie: High-Energy-Density Physics), ktorý vedcom ponúka možnosť zistiť viac nielen o správaní planét a hviezd, ale aj o procese jadrovej fúzie. V rámci neho sa vedci pokúšajú zistiť, ako plazma vyžaruje alebo absorbuje radiáciu, pretože všetky modely, ktoré poznáme, sa prevažne zakladajú na teórii, nie na praktických dôkazoch.
V rámci štúdie zo 17. novembra vedci z University of Rochester prinášajú prvé experimentálne dôkazy o tom, ako sa správajú atómy v extrémnych podmienkach. Podarilo sa im získať neoceniteľné informácie, ktoré pomôžu vylepšiť existujúce modely plazmy. Nielenže veci získajú lepšie pochopenie toho, ako fungujú a ako sa vyvíjajú hviezdy, výsledky tohto výskumu by mohli priniesť kontrolovanú jadrovú fúziu bližšie k realite.
Neprehliadnite
Jadrová fúzia je proces, ktorý sa odohráva v jadrách väčšiny hviezd. Menšie atómy sa spájajú do jedného väčšieho, čím vzniká nový prvok a uvoľňuje sa obrovské množstvo energie. Na úspešnú jadrovú fúziu sú však potrebné vysoké teploty a tlak. Fúzia sa zároveň považuje za alternatívny a čistý zdroj energie, ktorý by mohol ľudstvo oslobodiť od fosílnych palív, ktorých spaľovanie momentálne ničí našu planétu.
Odohralo sa už niekoľko experimentov, ktoré dokázali dosiahnuť úspešnú jadrovú fúziu, no od použitia fúznych reaktorov v praxi sme ešte niekoľko rokov vzdialení. Nový experiment by nám však mohol pomôcť tento proces priblížiť k realite.
„Naše experimenty pomocou laserom poháňaných implózií vytvorili extrémnu formu hmoty. Tá mohla vzniknúť pri tlakoch niekoľko miliárdkrát prevyšujúcich atmosférický tlak Zeme. Vďaka tomu sme mohli zistiť, ako sa v takýchto podmienkach správajú atómy. Podarilo sa nám vytvoriť prostredie, ktoré pripomína obálku bieleho trpaslíka,“ vysvetľuje vedúci štúdie, Suxing Hu.
Biele trpaslíky sú mŕtve jadrá hviezd. Vznikajú, keď sa menšia hviezda dostane na koniec svojho životného cyklu a po nafúknutí sa do červeného obra odhodí svoje vonkajšie vrstvy. Ostane po nej husté jadro s hmotnosťou približne rovnakou ako hmotnosť Slnka. Toto jadro označujeme ako biely trpaslík.
Správanie plazmy
Po vytvorení extrémnych podmienok vedci využili možnosti röntgenovej spektroskopie na to, aby zistili presun radiácie cez plazmu. V tomto prípade autori štúdie vytvorili plazmu zloženú z atómov medi. Keď plazmu zasiahnu röntgenové lúče, elektróny atómov preskočia z jednej energetickej úrovne o druhej. Tento skok vykonajú buď vyžiarením alebo absorbovaním svetla. Špeciálny detektor odhalí tieto zmeny a odhaľuje i fyzikálne procesy, ktoré sa vyskytujú vo vnútri plazmy.
„Ide o podobný proces, ako keď pomocou röntgenu vyšetrujeme zlomenú kosť,“ vysvetľujú autori.
https://www.youtube.com/watch?v=xuUJwFLUpS0&ab_channel=MonkeySee
Experimenty autorom štúdie ukázali, že keď radiácia prechádza hustou plazmou, zmeny v energii atómov nekorešpondujú s akceptovanými teóriami kvantovej mechaniky. Tie sa pomerne často využívajú v modeloch, opisujúcich správanie plazmy. Oveľa lepšie možno merania vysvetliť funkcionálnou teóriou hustoty, ktorá opisuje väzby medzi atómami a molekulami v komplexných systémoch. Táto metóda sa označuje aj ako metóda DFT (pozn. redakcie: density-functonal theory) a po prvýkrát bola popísaná v 60. rokoch minulého storočia. Táto teória bola aj predmetom výskumu, ktorý v roku 1998 získal Nobelovu cenu za chémiu.
Autori štúdie zároveň vysvetľujú, že vo svojej práci položili základné stavebné kamene k ďalším štúdiám. Tie by mohli zmeniť učebnicové príklady toho, ako sa radiácia šíri v hustej plazme. Zároveň otvára dvere k študovaniu správania atómov v extrémnych podmienkach, napríklad v jadrách hviezd.
Komentáre