Astronomija

Kiek didelis vandens kamuolys gali būti be sintezės?

Kiek didelis vandens kamuolys gali būti be sintezės?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Kiek didelis vandens kamuolys gali būti be sintezės?

Savotiškas klausimas: gali prireikti paaiškinimo. Mano jaunas sūnus yra „kosminėje erdvėje“ ir astronomijoje. Viename jo plakate rašoma, kad Saturnas galėtų plūduriuoti, jei pavyktų rasti pakankamai didelį vandenyną. Akivaizdu, kad tai neveiktų: Saturno atmosfera atsiluptų ir prisijungtų arba taptų didesnio kūno atmosfera, o tada tanki Saturno šerdis nugrimztų.

Tačiau ar toks vandenynas galėtų egzistuoti be sintezės pradžios?


Jums tikrai reikia pilnaverčio žvaigždžių evoliucijos modelio, kad galėtumėte tiksliai į tai atsakyti, ir nesu tikra, ar kas nors būtų tai padaręs su žvaigžde, kurioje dominuoja deguonis.

Į nulis kad atsakymas būtų panašus į metalą turinčią žvaigždę - t. y. maždaug 0,075 karto didesnis už Saulės masę. Mažiau nei tai ir rudąjį nykštuką (nes tai mes vadiname žvaigžde, kurios centre niekada neįkaista pakankamai, kad pradėtų reikšmingą sintezę), gali palaikyti elektronų degeneracijos slėgis.

Jūsų siūloma kompozicija žvaigždė / rudas nykštukas būtų kiek kitoks. Kompozicija būtų kruopščiai ir homogeniškai sumaišyta konvekcijos būdu. Atkreipkite dėmesį, kad vanduo, išskyrus ploną sluoksnį šalia paviršiaus, visiškai atsiribotų, o vandenilio ir deguonies atomai būtų visiškai jonizuoti. Taigi protonų tankis šerdyje tuo pačiu masės tankiu būtų mažesnis nei „įprastoje žvaigždėje“. Tačiau priklausomybė nuo temperatūros yra tokia didelė, manau, kad tai būtų nedidelis veiksnys, o branduolių sintezė būtų reikšminga esant panašiai temperatūrai.

Daug svarbiau yra tai, kad tuo pačiu tankiu būtų mažiau elektronų ir mažiau dalelių. Tai sumažina tiek elektronų degeneracijos slėgį, tiek normalų dujų slėgį esant tam tikram masės tankiui. Todėl žvaigždė sugeba susitraukti daug mažesniais spinduliais, kol degeneracijos slėgis tampa svarbus, ir dėl to ta pati masė gali pasiekti aukštesnę temperatūrą.

Dėl šios priežasties manau, kad minimali vandenilio sintezės „vandens žvaigždės“ masė būtų mažesnis nei žvaigždei, pagamintai daugiausia iš vandenilio.

Bet kiek mažesnis? Atgal į voką!

Naudokite viralinę teoremą, kad gautumėte ryšį tarp tobulo dujų slėgio ir žvaigždės temperatūros, masės ir spindulio. Tegul būna gravitacinė potencialo energija $ Omega $, tada sakoma virusinėje teoremoje

$$ Omega = -3 int P dV $$

Jei turime tik tobulas dujas $ P = rho kT / mu m_u $, kur $ T $ yra temperatūra, $ rho $ masės tankis, $ m_u $ atominės masės vienetas ir $ mu $ vidutinis dujų dalelių masės vienetų skaičius.

Darant prielaidą, kad tada yra pastovaus tankio žvaigždė (voko gale) $ dV = dM / rho $, kur $ dM $ yra masinis apvalkalas ir $ Omega = -3GM ^ 2 / 5R $, kur $ R $ yra „žvaigždės“ spindulys. Taigi $$ frac {GM ^ 2} {5R} = frac {kT} { mu m_u} int dM $$ $$ T = frac {GM mu m_u} {5k R} $$ ir taip centrinė temperatūra $ T propto mu MR ^ {- 1} $.

Dabar mes sakome, kad žvaigždė susitraukia, kol esant tokiai temperatūrai yra fazių erdvė, kurią užima jos elektronai $ sim h ^ 3 $ ir elektronų degeneracija tampa svarbi.

Standartiškai tai sakant, kad fizinis tūris, kurį užima elektronas, yra $ 1 / n_e $, kur $ n_e $ yra elektronų skaičiaus tankis ir kad užimtas impulso tūris yra $ sim (6m_e kT) ^ {3/2} $. Elektronų skaičiaus tankis yra susijęs su masės tankiu pagal $ n_e = rho / mu_e m_u $, kur $ mu_e $ yra vieno elektrono masės vienetų skaičius. Jonizuotam vandeniliui $ mu_e = 1 $, bet deguoniui $ mu_e = 2 $ (visos dujos būtų jonizuojamos netoli branduolių sintezės temperatūros). Vidutinis tankis $ rho = 3M / 4 pi R ^ 3 $.

Sujungę šiuos dalykus gauname $$ h ^ 3 = frac {(6m_e kT) ^ {3/2}} {n_e} = frac {4 pi mu_e} {3} kairė ( frac {6 mu} {5} dešinėje) ^ {3/2} (Gm_e R) ^ {3/2} m_u ^ {5/2} M ^ {1/2} $$
Taigi spindulys, į kurį žvaigždė susitraukia, kad degeneracijos slėgis būtų svarbus $$ R propto mu_e ^ {- 2/3} mu ^ {- 1} M ^ {- 1/3} $$

Jei dabar tai pakeisime centrinės temperatūros išraiška, rasime $$ T propto mu M mu_e ^ {2/3} mu M ^ {1/3} propto mu ^ 2 mu_e ^ {2/3} M ^ {4/3} $$

Galiausiai, jei mes teigiame, kad sintezės temperatūra yra tokia pati "įprastoje" žvaigždėje ir mūsų "vandens žvaigždėje", tada masė, prie kurios bus susiliejimas, gaunama proporcingumo principu. $$ M propto mu ^ {- 3/2} mu_e ^ {- 1/2} $$ .

Normaliai žvaigždei, kurios vandenilio ir helio masės santykis yra 75:25, tada $ mu simeq 16/27 $ ir $ mu_e simeq 8/7 $. „Vandens žvaigždei“ $ mu = 18/11 $ ir $ mu_e = 9/5 $. Taigi, jei ankstesnis parametrų rinkinys lemia mažiausią sulydymo masę 0,075 USD M _ { odot} $, tada didinant $ mu $ ir $ mu_e $ tai tampa mažesnė atitinkamu koeficientu $ (18 kartų 27/11 kartus 16) ^ {- 3/2} (9 kartus 7/5 kartus 8) ^ {- 1/2} = 0,173 USD.

Taigi vandens žvaigždė susilies su H 0,013 USD M _ { odot} $ arba maždaug 13 kartų didesnė už Jupiterio masę!

NB Čia kalbama tik apie vandenilio sintezę. Mažas deuterio kiekis susiliedavo esant žemesnei temperatūrai. Panaši analizė leistų gauti mažiausią masę maždaug 3 Jupiterio masėms.


Susiliejimo karščio pavyzdžio problema: tirpstantis ledas

Leonidas Ikanas / „Getty Images“

  • Chemija
    • Pagrindai
    • Cheminiai dėsniai
    • Molekulės
    • Periodinė elementų lentelė
    • Projektai ir eksperimentai
    • Mokslinis metodas
    • Biochemija
    • Fizikinė chemija
    • Medicinos chemija
    • Chemija kasdieniame gyvenime
    • Garsūs chemikai
    • Veikla vaikams
    • Santrumpos ir akronimai

    Susiliejimo šiluma yra šilumos energijos kiekis, reikalingas medžiagos medžiagos būklei iš kietos į skystą pakeisti. Tai taip pat žinoma kaip sintezės entalpija. Jo vienetai paprastai yra džauliai už gramą (J / g) arba kalorijos už gramą (cal / g). Šis problemos pavyzdys parodo, kaip apskaičiuoti energijos kiekį, reikalingą ištirpinti vandens ledo mėginį.

    Pagrindiniai išsinešimai: lydymosi ledo lydymosi šiluma

    • Susiliejimo šiluma yra energijos kiekis šilumos pavidalu, reikalingas medžiagos būsenai pakeisti iš kietos į skystą (tirpstančią).
    • Lydymosi šilumos apskaičiavimo formulė yra tokia: q = m · ΔHf
    • Atkreipkite dėmesį, kad temperatūra faktiškai nesikeičia, kai materija keičia būseną, todėl jos nėra lygtyje ir jos nereikia skaičiuoti.
    • Lydymosi šiluma visada yra teigiama vertė, išskyrus lydantį helį.

    Turinys

    Cheminis simbolis Redaguoti

    Deuterį dažnai žymi cheminis simbolis D. Kadangi tai vandenilio izotas, kurio masė yra 2, jį taip pat žymi 2
    H
    . IUPAC leidžia ir D, ir 2
    H
    , nors 2
    H
    yra pageidaujama. [7] Patogumui naudojamas aiškus cheminis simbolis, nes izotopas dažnai naudojamas įvairiuose mokslo procesuose. Be to, didelis jo masės skirtumas su protium (1 H) (deuterio masė yra 2,014 102 u, palyginti su vidutine vandenilio atomo mase 1,007 947 u, o protium masė yra 1,007 825 u) suteikia nereikšmingų cheminių nepanašumų su protium turinčių junginių, tuo tarpu kitų cheminių elementų izotopų masės santykiai šiuo atžvilgiu yra labai nereikšmingi.

    Spektroskopija Redaguoti

    Kvantinėje mechanikoje elektronų energijos lygiai atomuose priklauso nuo sumažintos elektronų ir branduolio sistemos masės. Kalbant apie vandenilio atomą, sumažintos masės vaidmuo paprasčiausiai matomas Bohro atomo modelyje, kur sumažinta masė rodoma paprasčiausiai apskaičiuojant Rydbergo konstantos ir Rydbergo lygtį, tačiau sumažinta masė taip pat rodoma Schrödingerio lygtyje, ir „Dirac“ lygtis atominės energijos lygiams apskaičiuoti.

    Sumažinta sistemos masė šiose lygtyse yra artima vieno elektrono masei, tačiau skiriasi nuo jos nedideliu kiekiu, lygiu elektrono ir atomo branduolio masės santykiui. Vandeniliui šis kiekis yra apie 1837/1836 arba 1.000545, o deuterio atveju jis yra dar mažesnis: 3671/3670 arba 1.0002725. Todėl deuterio ir lengvojo vandenilio (vandenilis-1) spektroskopinių linijų energija skiriasi šių dviejų skaičių santykiu, kuris yra 1.000272. Visų deuterio spektroskopinių linijų bangos ilgiai yra mažesni nei atitinkamos lengvo vandenilio linijos, koeficientu 1,000272. Astronominio stebėjimo metu tai atitinka mėlyną Doplerio poslinkį, kuris yra 0,000272 kartus didesnis už šviesos greitį arba 81,6 km / s. [8]

    Skirtumai ryškesni vibracinėje spektroskopijoje, tokioje kaip infraraudonųjų spindulių spektras ir Ramano spektroskopija, [9] ir rotaciniuose spektruose, pavyzdžiui, mikrobangų spektroskopijoje, nes sumažinta deuterio masė yra žymiai didesnė nei protiumo. Atliekant branduolio magnetinio rezonanso spektroskopiją, deuterio BMR dažnis yra labai skirtingas (pvz., 61 MHz, kai protiumas yra 400 MHz) ir yra daug mažiau jautrus. Deuteruoti tirpikliai paprastai naudojami pirminėje BMR, kad būtų išvengta tirpiklio sutapimo su signalu, nors ir deuterio BMR taip pat yra įmanoma.

    Didžiojo sprogimo nukleosintezė Redaguoti

    Manoma, kad deuteris suvaidino svarbų vaidmenį nustatant didžiajame sprogime susidariusių elementų skaičių ir santykį. Derinant termodinamiką ir kosminio išsiplėtimo sukeltus pokyčius, galima apskaičiuoti protonų ir neutronų dalį pagal temperatūrą toje vietoje, kai visata pakankamai atvėso, kad būtų galima susidaryti branduoliams. Šis skaičiavimas nurodo septynis kiekvieno neutrono protonus nukleogenezės pradžioje - šis santykis išliktų stabilus net pasibaigus nukleogenezei. Ši frakcija iš pradžių buvo naudinga protonams, visų pirma todėl, kad mažesnė protono masė skatino jų gamybą. Kai Visata išsiplėtė, ji atvėso. Laisvieji neutronai ir protonai yra mažiau stabilūs nei helio branduoliai, o protonai ir neutronai turėjo stiprią energetinę priežastį formuoti helį-4. Tačiau helio-4 formavimui reikalingas tarpinis deuterio formavimo etapas.

    Per didžiąją dalį kelių minučių po Didžiojo sprogimo, kurio metu galėjo įvykti nukleosintezė, temperatūra buvo pakankamai aukšta, kad vidutinė dalelės energija būtų didesnė už silpnai surišto deuterio surišimo energiją, todėl visas susidaręs deuteris buvo nedelsiant sunaikintas. Ši situacija yra žinoma kaip deuterio butelio kaklelis. Butelio kaklelis atidėjo bet kurio helio-4 susidarymą, kol Visata tapo pakankamai vėsi, kad susidarytų deuteris (maždaug 100 keV temperatūroje). Šiuo metu staiga prasidėjo elementų susidarymas (pirmasis deuteris, kuris iškart susiliejo su heliu). Tačiau netrukus po dvidešimties minučių po Didžiojo sprogimo Visata tapo per kieta, kad įvyktų tolesnė branduolio sintezė ir nukleosintezė. Šiuo metu elementų gausa buvo beveik fiksuota, o vienintelis pokytis, nes kai kurie Didžiojo sprogimo nukleosintezės radioaktyvūs produktai (pvz., Tritis) irsta. [10] Deuterio susidariusi helio susidarymo kliūtis kartu su tuo, kad nėra stabilių būdų, kaip helis galėtų derintis su vandeniliu arba su savimi (nėra stabilių branduolių, kurių masės skaičius būtų penki ar aštuoni), reiškė, kad nereikšmingas anglies kiekis arba bet kokie elementai, sunkesni už anglį, susidarę Didžiajame sprogime. Šiems elementams reikėjo susidaryti žvaigždėse. Tuo pačiu metu dėl didelio nukleogenezės nesėkmės Didžiojo sprogimo metu buvo užtikrinta, kad vėlesnėje visatoje būtų daug vandenilio, galinčio suformuoti ilgaamžes žvaigždes, tokias kaip mūsų Saulė.

    Gausumo redagavimas

    Natūralus deuterio kiekis yra natūraliai kaip deuterio dujos, parašyta 2
    H
    2 arba D2, bet dauguma natūraliai Visatoje esančių atomų yra susieti su tipiniu 1
    H
    atomas, dujos, vadinamos vandenilio deuteridu (HD arba 1
    H
    2
    H
    ). [11]

    Deuterio egzistavimas Žemėje, kitur Saulės sistemoje (tai patvirtina planetų zondai) ir žvaigždžių spektruose, taip pat yra svarbus kosmologijos taškas. Paprasto branduolio sintezės gama spinduliuotė disutruoja deuterį į protonus ir neutronus, be to, nėra jokių žinomų natūralių procesų, išskyrus Didžiojo sprogimo nukleosintezę, galinčią sukelti deuterį bet kuriuo artimu stebėtam natūraliam gausumui. Deuterį gamina retas grupinis skilimas ir kartais natūraliai atsirandantys neutronai absorbuojami lengvojo vandenilio, tačiau tai yra nereikšmingi šaltiniai. Manoma, kad Saulės ir kitų žvaigždžių viduje deuterio yra nedaug, nes esant šiai temperatūrai branduolio sintezės reakcijos, kurios vartoja deuterį, vyksta daug greičiau nei protono-protono reakcija, kuri sukuria deuterį. Tačiau deuteris išorinėje Saulės atmosferoje išlieka maždaug tokia pat koncentracija kaip Jupiteryje, ir tai tikriausiai nepakito nuo pat Saulės sistemos atsiradimo. Natūrali deuterio gausa, atrodo, yra labai panaši vandenilio dalis visur, kur tik yra vandenilio, nebent darbe būtų akivaizdūs procesai, kurie jį sutelktų.

    Deuterio buvimas mažoje, bet pastovioje pirminio frakcijos visame vandenilyje yra dar vienas iš argumentų, pritariančių Didžiojo sprogimo teorijai, palyginti su Visatos pastoviosios būsenos teorija. Visatos pastebėtus vandenilio ir helio santykius su deuteriu sunku paaiškinti, išskyrus „Didžiojo sprogimo“ modelį. Manoma, kad deuterio gausa nuo jų gamybos maždaug prieš 13,8 mlrd. Metų žymiai nepasikeitė. [12] Paukščių tako galaktikos deuterio matavimai, atlikti ultravioletinių spindulių spektrinės analizės metu, rodo net 23 deuterio atomų milijonui vandenilio atomų santykį netrikdomuose dujų debesyse, o tai yra tik 15% žemiau WMAP apskaičiuoto pirminio santykio, kuris yra apie 27 atomai milijonui. nuo Didžiojo sprogimo. Tai buvo aiškinama taip, kad žvaigždžių formavimosi metu mūsų galaktikoje buvo sunaikinta mažiau deuterio, nei buvo tikėtasi, o gal deuterį papildė didelis nukritęs pirminis vandenilis iš galaktikos ribų. [13] Kosmone, esančiame už kelių šimtų šviesmečių nuo Saulės, deuterio gausa siekia tik 15 atomų milijonui, tačiau šiai vertei greičiausiai įtakos turi diferencinė deuterio adsorbcija ant anglies dulkių grūdelių tarpžvaigždinėje erdvėje. [14]

    Deuterio gausą Jupiterio atmosferoje kosminis zondas „Galileo“ tiesiogiai matavo kaip 26 atomus milijonui vandenilio atomų. ISO-SWS stebėjimai Jupiteryje nustato 22 atomus milijonui vandenilio atomų. [15] ir manoma, kad ši gausa atspindi pirmapradį Saulės sistemos santykį. [5] Tai yra apie 17% sausumos deuterio ir vandenilio santykio, kuriame yra 156 deuterio atomai milijonui vandenilio atomų.

    Išmatuota, kad tokiuose kometeriuose, kaip Hale-Boppo kometoje ir Halley kometoje, yra santykinai daugiau deuterio (apie 200 atomų D milijonui vandenilio), kurių santykis yra praturtintas, atsižvelgiant į numanomą protosolarinio ūko santykį, tikriausiai dėl kaitinimo, ir kurie yra panašus į Žemės jūros vandenyje esančius santykius. Neseniai išmatavus 161 atomų D milijonui vandenilio deuterio kiekį 103P / Hartley kometoje (buvęs Kuiperio juostos objektas), santykis beveik tiksliai lygus Žemės vandenynuose, pabrėžiama teorija, kad Žemės paviršinis vanduo gali būti daugiausia kometos. [4] [5] Paskutiniu metu deuterio ir protiumo (D – H) santykis 67P / Churyumov – Gerasimenko, matuojamas Rosetta yra maždaug tris kartus didesnis nei Žemės vandens, tai yra aukšta figūra. [6] Tai vėl sukėlė susidomėjimą pasiūlymais, kad Žemės vanduo iš dalies gali būti asteroidinės kilmės.

    Taip pat pastebėta, kad deuteris yra sutelktas vidutinei saulės gausai kitose antžeminėse planetose, ypač Marse ir Veneroje. [16]

    Gamybos redagavimas

    Deuteris gaminamas pramoniniais, moksliniais ir kariniais tikslais, pradedant įprastu vandeniu - kurio nedidelė dalis yra natūraliai atsirandantis sunkusis vanduo - ir tada atskiriant sunkųjį vandenį Girdlerio sulfido procesu, distiliuojant ar kitais būdais.

    Teoriškai deuteris sunkiajam vandeniui galėtų būti sukurtas branduoliniame reaktoriuje, tačiau atskyrimas nuo įprasto vandens yra pigiausias birių produktų gamybos procesas.

    Pagrindinis pasaulyje deuterio tiekėjas buvo „Atomic Energy of Canada Limited“ iki 1997 m., Kai buvo uždaryta paskutinė sunkiojo vandens gamykla. Kanada naudoja sunkųjį vandenį kaip neutronų moderatorių CANDU reaktoriaus konstrukcijai valdyti.

    Kita pagrindinė sunkiojo vandens gamintoja yra Indija. Visos Indijos atominės energijos gamyklos, išskyrus vieną, yra slėgio sunkiojo vandens augalai, kuriuose naudojamas natūralus (t. Y. Neprisodintas) uranas. Indijoje yra aštuoni sunkiojo vandens augalai, iš kurių septyni veikia. Šešios gamyklos, iš kurių penkios veikia, yra pagrįstos D – H mainais amoniako dujose. Kiti du augalai iš natūralaus vandens ekstrahuoja deuterį procese, kuriame aukštame slėgyje naudojamos vandenilio sulfido dujos.

    Nors Indija savarankiškai naudoja sunkųjį vandenį savo reikmėms, Indija dabar taip pat eksportuoja sunkųjį reaktoriaus vandenį.

    Fizinės savybės Redaguoti

    Fizinės deuterio junginių savybės gali turėti reikšmingą kinetinį izotopų poveikį ir kitų fizinių ir cheminių savybių skirtumų, palyginti su protiumo analogais. D2Pavyzdžiui, O yra klampesnis nei H2O. [17] Cheminiu požiūriu yra sunkiųjų vandenilio izotopų junginių jungties energijos ir ilgio skirtumų, palyginti su protiumu, kurie yra didesni nei bet kurio kito elemento izotopiniai skirtumai. Ryšiai, kuriuose yra deuterio ir tričio, yra šiek tiek stipresni už atitinkamus ryšius, ir šių skirtumų pakanka sukelti reikšmingus biologinių reakcijų pokyčius. Farmacijos firmas domina tai, kad deuterį iš anglies pašalinti yra sunkiau nei protium. [18]

    Deuteris gali pakeisti vandens molekulių protiumą, kad susidarytų sunkusis vanduo (D2O), kuris yra apie 10,6% tankesnis už įprastą vandenį (todėl iš jo pagamintas ledas skęsta paprastame vandenyje). Sunkusis vanduo eukariotiniams gyvūnams yra šiek tiek toksiškas. 25% kūno vandens pakeitimas sukelia ląstelių dalijimosi ir sterilumo problemas, o 50% - mirtį dėl citotoksinio sindromo (kaulų čiulpų ir virškinimo trakto gleivinės nepakankamumo). Tačiau prokariotiniai organizmai gali išgyventi ir augti gryname sunkiame vandenyje, nors jie vystosi lėtai. Nepaisant šio toksiškumo, sunkaus vandens vartojimas normaliomis aplinkybėmis nekelia pavojaus žmonių sveikatai. Manoma, kad 70 kg sveriantis asmuo be rimtų pasekmių gali išgerti 4,8 litro sunkiojo vandens. [20] Mažos sunkaus vandens dozės (keli gramai žmonėms, kurių sudėtyje esantis deuterio kiekis yra panašus į įprastą organizme esantį) yra paprastai naudojamos kaip nekenksmingos medžiagų apykaitos žymės žmonėms ir gyvūnams.

    Kvantinės savybės Redaguoti

    Deuteronas turi sukinį +1 („tripleto būsena“) ir todėl yra bozonas.Deuterio BMR dažnis gerokai skiriasi nuo paprastojo lengvo vandenilio. Infraraudonųjų spindulių spektroskopija taip pat lengvai atskiria daugelį deuteruotų junginių dėl didelio IR absorbcijos dažnio skirtumo, kuris pastebimas vibruojant cheminiam ryšiui, kuriame yra deuterio, palyginti su lengvuoju vandeniliu. Du stabilūs vandenilio izotopai taip pat gali būti atskirti naudojant masių spektrometriją.

    Trigubas deuterono nukleonas vos surištas ties EB = 2,23 MeV, ir nė viena iš aukštesnių energijos būsenų nėra susieta. Vienvietis deuteronas yra virtuali būsena, kurios neigiama surišimo energija yra

    60 keV. Tokios stabilios dalelės nėra, tačiau ši virtuali dalelė laikinai egzistuoja neelastingo neutronų-protonų sklaidos metu, o tai lemia neįprastai didelį protonų neutronų sklaidos skerspjūvį. [21]

    Branduolinės savybės (deuteronas) Redaguoti

    Deuterono masė ir spindulys Redaguoti

    Deuterio branduolys vadinamas a deuteronas. Jo masė yra 2,013 553 212 745 (40) u (šiek tiek daugiau nei 1,875 GeV). [22] [23]

    Deuterono įkrovos spindulys yra 2,127 99 (74) fm. [24]

    Kaip ir protonų spindulys, matavimai naudojant muoninį deuterį duoda mažesnį rezultatą: 2,125 62 (78) fm. [25]

    Sukimasis ir energijos redagavimas

    Deuteris yra vienas iš tik penkių stabilių nuklidų, turinčių nelyginį skaičių protonų ir nelyginį skaičių neutronų. (2
    H
    , 6
    Li
    , 10
    B
    , 14
    N
    , 180m
    Ta
    taip pat ilgalaikiai radioaktyvieji nuklidai 40
    K.
    , 50
    V
    , 138
    La
    , 176
    Lu
    atsiranda natūraliai.) Dauguma nelyginių nelyginių branduolių yra nestabilūs beta skilimo atžvilgiu, nes skilimo produktai yra tolygiai lygūs ir todėl yra stipriau surišti dėl branduolio poravimo poveikio. Tačiau deuteriui yra naudinga, kai jo protonas ir neutronas yra susieti su „spin-1“ būsena, o tai suteikia stipresnę branduolinę trauką. Atitinkama „spin-1“ būsena nėra dviejų neutronų arba dviejų protonų sistemoje dėl Pauli išskyrimo principas, reikalaujantis, kad viena ar kita identiška dalelė su tuo pačiu sukiniu turėtų kokį nors kitą skirtingą kvantinį skaičių, pavyzdžiui, orbitos kampinį impulsą. Bet kurio nors dalelės orbitinis kampinis impulsas suteikia mažesnę sistemos jungimosi energiją, visų pirma dėl didėjančio dalelių atstumo stačiame branduolio jėgos gradiente. Abiem atvejais dėl to diprotono ir dineutrono branduolys yra nestabilus.

    Deutterį sudarantys protonai ir neutronai gali atsiriboti dėl neutralios srovės sąveikos su neutrinais. Šios sąveikos skerspjūvis yra palyginti didelis, o deuteris buvo sėkmingai naudojamas kaip neutrino taikinys Sudbury Neutrino observatorijos eksperimente.

    Diatominis deuteris (D.2) turi orto ir para branduolio sukimo izomerus, tokius kaip diatominis vandenilis, tačiau skiriasi sukimosi būsenų skaičius ir populiacija bei sukimosi lygiai, kurie atsiranda dėl to, kad deuteronas yra bozonas, kurio branduolio sukimas yra lygus vienam. [26]

    Deuterono izospino singleto būsena Redaguoti

    Dėl protonų ir neutronų masės ir branduolinių savybių panašumo jie kartais laikomi dviem to paties objekto - nukleono - simetriškais tipais. Nors elektrinį krūvį turi tik protonas, tai dažnai yra nereikšminga dėl elektromagnetinės sąveikos silpnumo, palyginti su stipria branduolio sąveika. Simetrija, susijusi su protonu ir neutronu, yra žinoma kaip izospinas ir žymima (arba kartais T).

    „Isospin“ yra SU (2) simetrija, kaip ir įprastas sukimasis, todėl yra visiškai jai analogiškas. Protonai ir neutronai, kurių kiekvienas turi izospiną-1⁄2, sudaro izospino dubletą (analogišką sukimosi dubletei), o „žemyn“ būsena (↓) yra neutronas, o „aukštyn“ būsena (↑) yra protonas. [ reikalinga citata ] Nukleonų pora gali būti arba antisimetrinėje izospino, vadinamo singletu, būsenoje, arba simetriškoje būsenoje, vadinamoje tripletu. Kalbant apie būseną „žemyn“ ir „aukštyn“, singletas yra

    Tai yra branduolys su vienu protonu ir vienu neutronu, t. Y. Deuterio branduolys. Trynukas yra

    ir todėl susideda iš trijų tipų branduolių, kurie turėtų būti simetriški: deuterio branduolys (iš tikrųjų labai sužadinta jo būsena), branduolys su dviem protonais ir branduolys su dviem neutronais. Šios būsenos nėra stabilios.

    Apytikslė deuterono bangos funkcija Redaguoti

    Deutrono bangos funkcija turi būti antisimetriška, jei naudojamas izospino pavaizdavimas (kadangi protonas ir neutronas nėra tapačios dalelės, bangos funkcija apskritai neturi būti antisimetriška). Be jų izospino, du nukleonai taip pat turi bangos funkcijos sukimo ir erdvinius pasiskirstymus. Pastarasis yra simetriškas, jei deuteronas yra simetriškas pagal paritetą (t. Y. Turi „lygų“ arba „teigiamą“ paritetą), ir antisimetriškas, jei deuteronas yra antisimetriškas pagal paritetą (t. Y. Turi „nelyginį“ arba „neigiamą“ paritetą). Paritetą visiškai lemia bendras abiejų nukleonų orbitinis kampinis impulsas: jei jis yra lygus, paritetas yra lyginis (teigiamas), o jei jis yra nelyginis, paritetas yra nelyginis (neigiamas).

    Deuteronas, būdamas izospino singletu, yra nesimetriškas nukleonams keičiantis dėl izospino, todėl dvigubai keisdamas jų sukinį ir vietą, jis turi būti simetriškas. Todėl jis gali būti bet kurioje iš šių dviejų skirtingų būsenų:

    • Simetrinis sukimasis ir simetriškumas pagal paritetą. Šiuo atveju dviejų nukleonų mainai padaugins deuterio bangos funkciją iš (-1) iš izospino mainų, (+1) iš sukimosi mainų ir (+1) iš pariteto (vietos mainų), iš viso (−1) ), jei reikia antisimetrijai.
    • Antisimetrinis sukimasis ir antisimetriškas pagal paritetą. Šiuo atveju dviejų nukleonų mainai padaugins deuterio bangos funkciją iš (-1) iš izospino mainų, (-1) iš sukimosi keitimo ir (-1) iš pariteto (vietos mainai), vėlgi iš viso (- 1) kiek reikia antisimetrijai.

    Pirmuoju atveju deuteronas yra sukamasis trigubas, taigi visas jo sukimasis s yra 1. Jis taip pat turi tolygų paritetą ir todėl net orbitos kampinį impulsą l Kuo žemesnis jo orbitos kampinis impulsas, tuo mažesnė jo energija. Todėl turi kuo žemesnę energijos būseną s = 1 , l = 0 .

    Antruoju atveju deuteronas yra sukamasis singletas, taigi visas jo sukimasis s yra 0. Jis taip pat turi nelyginį paritetą ir todėl nelyginį orbitos kampinį impulsą l. Todėl turi kuo žemesnę energijos būseną s = 0 , l = 1 .

    Nuo s = 1 suteikia stipresnę branduolinę trauką, deuterio pagrindinė būsena yra s =1 , l = 0 būsenos.

    Tie patys svarstymai lemia galimas izospino tripleto būsenas s = 0 , l = lyginis arba s = 1 , l = nelyginis. Taigi mažiausios energijos būsena s = 1 , l = 1, didesnis nei izospino singleto.

    Ką tik pateikta analizė iš tikrųjų yra tik apytikslė tiek dėl to, kad izospinas nėra tiksli simetrija, tiek dar svarbiau dėl to, kad stipri abiejų nukleonų branduolio sąveika yra susijusi su kampiniu impulso sukimosi ir orbitos sąveikos momentu, kuris maišosi skirtingai. s ir l teigia. Tai yra, s ir l nėra pastovūs laike (jie nekeliauja su Hamiltono) ir laikui bėgant tokia būsena kaip s = 1 , l = 0 gali tapti būsena s = 1 , l = 2. Paritetas vis dar yra pastovus, todėl jie nesimaišo su nelyginiais l valstijos (tokios kaip s = 0 , l = 1). Todėl deuterio kvantinė būsena yra superpozicija (tiesinė kombinacija) s = 1 , l = 0 būsena ir s = 1 , l = 2 būsena, nors pirmasis komponentas yra daug didesnis. Nuo viso kampinio impulso j taip pat yra geras kvantinis skaičius (jis yra pastovus laike), abu komponentai turi būti vienodi j, ir todėl j = 1. Tai yra bendras deuterio branduolio sukimasis.

    Apibendrinant galima pasakyti, kad deuterio branduolys izospino atžvilgiu yra antisimetriškas, jo sukimosi laipsnis yra 1 ir lygus (+1). Santykinis jos nukleonų kampinis impulsas l nėra gerai apibrėžtas, o deuteronas yra daugumos superpozicija l = 0 su kai kuriais l = 2 .

    Magnetiniai ir elektriniai daugiapoliai Redaguoti

    Norint teoriškai rasti deuterio magnetinio dipolio momentą μ, reikia naudoti branduolio magnetinio momento formulę

    g (l) ir g (s) yra nukleonų g faktoriai.

    Kadangi protonų ir neutronų g (l) ir g (s) vertės skiriasi, reikia atskirti jų indėlį. Kiekvienas gauna pusę deuterio orbitos kampinio impulso l → < displaystyle < vec >> ir sukite s → < displaystyle < vec >>. Vienas atvyksta į

    kur p ir n abonentai reiškia protoną ir neutroną, o g (l) n = 0 .

    Naudojant tas pačias tapatybes kaip čia ir naudojant g (l) p = 1, gauname tokį rezultatą branduolio magnetono μ vienetaisN

    s = 1 , l = 0 būsenos ( j = 1), gauname

    s = 1 , l = 2 būsena ( j = 1), gauname

    Išmatuota deuterio magnetinio dipolio momento vertė yra 0,857 μN , kuris yra 97,5% nuo 0,879 μN vertė, gaunama paprasčiausiai pridedant protono ir neutrono momentus. Tai rodo, kad deuterio būklė iš tikrųjų yra gerai apytikslė s = 1 , l = 0 būsena, kuri įvyksta abiem nukleonams sukantis ta pačia kryptimi, tačiau jų magnetiniai momentai atimami dėl neigiamo neutrono momento.

    Bet šiek tiek mažesnis eksperimentinis skaičius nei tas, kuris gaunamas paprasčiausiai pridedant protonų ir (neigiamų) neutronų momentų, rodo, kad deuteris iš tikrųjų yra tiesinis daugumos s = 1 , l = 0 būsena, šiek tiek sumaišius s = 1 , l = 2 būsena.

    Išmatuotas deuterio elektrinis kvadrupolis yra 0,2859 e · fm 2. Nors dydžio tvarka yra pagrįsta, kadangi deuterio spindulys yra 1 femtometro (žr. Toliau) ir jo elektrinis krūvis yra e, aukščiau nurodyto modelio nepakanka jo skaičiavimui. Tiksliau tariant, elektrinis kvadrupolis negauna įnašo iš l = 0 būsena (kuri yra dominuojanti) ir gauna indėlį iš termino, sumaišiusio l = 0 ir l = 2 būsenos, nes elektrinis kvadrupolo operatorius nekeičia kampinio impulso.

    Pastarasis indėlis yra dominuojantis, jei nėra gryno l = 0 indėlis, bet jo negalima apskaičiuoti nežinant tikslios deuterio viduje esančios nukleonų bangos funkcijos erdvinės formos.

    Didesnių magnetinių ir elektrinių daugiapolių momentų aukščiau pateiktas modelis negali apskaičiuoti dėl panašių priežasčių.

    Deuteris turi daug komercinių ir mokslinių paskirčių. Jie apima:

    Branduoliniai reaktoriai Redaguoti

    Deuteris naudojamas sunkaus vandens skilimo reaktoriuose, dažniausiai kaip skystas D2O, lėtiems neutronams be didelio įprasto vandenilio absorbcijos. [27] Tai yra įprasta komercinė didesnių deuterio kiekių paskirtis.

    Tyrimo reaktoriuose skystas D2 yra naudojamas šaltuose šaltiniuose vidutiniam neutronų ir labai mažos energijos ir bangos ilgiui, tinkamiems sklaidos eksperimentams.

    Eksperimentiškai deuteris yra dažniausiai naudojamas branduolių sintezės reaktorių projektuose naudojamas nuklidas, ypač derinant su tričiu, dėl didelio reakcijos greičio (arba branduolio skerspjūvio) ir didelio D – T reakcijos energijos kiekio. Yra dar didesnis derlius D– 3
    Jis
    sintezės reakcija, nors D– 3 lūžio taškas
    Jis
    yra didesnis nei daugumos kitų sintezės reakcijų kartu su 3 trūkumu
    Jis
    , tai daro jį neįtikėtinu kaip praktinį energijos šaltinį, kol komerciniu mastu nebus atliktos bent D – T ir D – D sintezės reakcijos. Komercinė branduolių sintezė dar nėra pasiekta technologija.

    BMR spektroskopija Redaguoti

    Deuteris vandenilio branduolio magnetinio rezonanso spektroskopijoje (protonų BMR) dažniausiai naudojamas tokiu būdu. BMR paprastai reikalauja, kad dominantys junginiai būtų ištirti ištirpę tirpale. Dėl deuterio branduolio sukimosi savybių, kurios skiriasi nuo lengvo vandenilio, paprastai esančio organinėse molekulėse, vandenilio / proto BMR spektrai labai skiriasi nuo deuterio, ir praktiškai deuterio „nemato“ lengvo vandenilio sureguliuotas BMR prietaisas. . Deuterinti tirpikliai (įskaitant sunkųjį vandenį, bet ir tokius junginius kaip deuteruotas chloroformas, CDCl3) todėl įprastai naudojamos BMR spektroskopijoje, kad būtų galima išmatuoti tik dominančio junginio šviesos ir vandenilio spektrus be tirpiklio signalo trukdžių.

    Branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija taip pat gali būti naudojama norint gauti informaciją apie deuterono aplinką izotopiškai pažymėtuose mėginiuose (Deuterio BMR). Pavyzdžiui, deuterio žymėtų lipidų molekulėse uodegos, kuri yra ilga angliavandenilių grandinė, lankstumą galima nustatyti naudojant kietojo kūno deuterio BMR. [28]

    Deuterio BMR spektrai yra ypač informatyvūs kietoje būsenoje, nes jos santykinai mažas kvadrupolio momentas, palyginti su didesnių keturkampių branduolių, tokių kaip chloras-35, pavyzdžiais.

    Redaguoti

    Chemijos, biochemijos ir aplinkos moksluose deuteris naudojamas kaip neradioaktyvus, stabilus izotopinis žymeklis, pavyzdžiui, atliekant dvigubai pažymėtą vandens testą. Vykdant chemines reakcijas ir medžiagų apykaitos kelius, deuteris elgiasi šiek tiek panašiai kaip įprastas vandenilis (kaip pažymėta keletu cheminių skirtumų). Lengviausiai jį galima atskirti nuo įprasto vandenilio pagal masę, naudojant masių spektrometriją arba infraraudonųjų spindulių spektrometriją. Deuterį galima aptikti femtosekundine infraraudonųjų spindulių spektroskopija, nes masių skirtumas drastiškai veikia molekulinių virpesių dažnį. Deuterio ir anglies jungties vibracijos randamos spektriniuose regionuose, kuriuose nėra kitų signalų.

    Natūralių deuterio kiekių, taip pat stabilių sunkiųjų deguonies izotopų 17 O ir 18 O, nedidelių svyravimų matavimai yra svarbūs hidrologijoje, siekiant atsekti geografinę Žemės vandenų kilmę. Lietaus vandenyje esantys sunkieji vandenilio ir deguonies izotopai (vadinamasis meteorinis vanduo) praturtinami priklausomai nuo regiono, kuriame iškrenta krituliai, aplinkos temperatūros (taigi sodrinimas yra susijęs su vidutine platuma). Santykinis sunkiųjų izotopų praturtėjimas lietaus vandenyje (atsižvelgiant į vidutinį vandenyno vandenį), kai atvaizduojamas temperatūros kritimas, nuspėjamai palei liniją, vadinamą pasauline meteorinio vandens linija (GMWL). Šis apskaitos barelis leidžia nustatyti kritulių kilmės vandens mėginius ir bendrą informaciją apie klimatą, kuriame jis kilo. Garavimo ir kiti vandens telkinių procesai, taip pat požeminio vandens procesai taip pat skirtingai keičia sunkiojo vandenilio ir deguonies izotopų santykį gėluose ir druskinguose vandenyse, būdingu ir dažnai regioniniu požiūriu būdingu būdu. [29] 2 H ir 1 H koncentracijos santykis paprastai nurodomas delta kaip δ 2 H, o šių reikšmių geografiniai modeliai pavaizduoti žemėlapiuose, vadinamuose izoscape. Stabilūs izotopai yra įterpiami į augalus ir gyvūnus, o migruojančio paukščio ar vabzdžio santykių analizė gali padėti apytiksliai nurodyti jų kilmę. [30] [31]

    Kontrasto ypatybės Redaguoti

    Neutronų sklaidos metodai ypač naudingi iš deuteruotų mėginių prieinamumo: H ir D skerspjūviai yra labai skirtingi ir skiriasi ženklais, o tai leidžia tokiuose eksperimentuose keisti kontrastą. Be to, nemalonaus įprasto vandenilio problema yra jo didelis nenuoseklus neutronų skerspjūvis, kuris yra nulinis D. Taigi deuterio atomų pakeitimas vandenilio atomais sumažina sklaidos triukšmą.

    Vandenilis yra svarbus ir pagrindinis visų organinės chemijos ir gyvybės mokslų medžiagų komponentas, tačiau jis vos sąveikauja su rentgeno spinduliais. Vandeniliui (ir deuteriui) stipriai sąveikaujant su neutronais, neutronų sklaidos metodai kartu su modernia deuteravimo įranga [32] užpildo nišą daugelyje biologijos makromolekulių tyrimų ir daugelyje kitų sričių.

    Branduoliniai ginklai Redaguoti

    Tai aptariama toliau. Pažymėtina, kad nors dauguma žvaigždžių, įskaitant ir Saulę, per visą savo gyvenimą generuoja energiją, sulydydamos vandenilį į sunkesnius elementus, tokia lengvojo vandenilio (protium) sintezė niekada nebuvo sėkminga Žemėje pasiekiamomis sąlygomis. Taigi visam dirbtiniam sintezei, įskaitant vandenilio sintezę, vykstančią vadinamosiose vandenilio bombose, reikalingas sunkusis vandenilis (arba tričio, arba deuterio, arba abiejų), kad procesas veiktų.

    Narkotikų redagavimas

    Deuteruotas vaistas yra mažos molekulės vaistinis preparatas, kuriame vienas ar keli iš vaisto molekulėje esančių vandenilio atomų buvo pakeisti deuteriu. Dėl kinetinio izotopo efekto vaistų, kurių sudėtyje yra deuterio, medžiagų apykaita gali būti žymiai mažesnė, todėl pusinės eliminacijos laikas yra ilgesnis. [33] [34] [35] 2017 m. Deutetrabenazinas tapo pirmuoju deuterizuotu vaistu, kuriam buvo suteiktas FDA patvirtinimas. [36]

    Sustiprintos svarbiausios maistinės medžiagos Redaguoti

    Deuteris gali būti naudojamas tam, kad sustiprintų specifinius oksidacijai jautrius C-H ryšius būtinose ar sąlyginai būtinose maistinėse medžiagose, [37] tokiose kaip tam tikros amino rūgštys arba polinesočiosios riebalų rūgštys (PUFA), kad jos būtų atsparesnės oksidacinei žalai. Deuterintos polinesočiosios riebalų rūgštys, tokios kaip linolo rūgštis, sulėtina lipidų peroksidacijos grandinės reakciją, pažeidžiančią gyvas ląsteles. [38] [39] Deuteruotas linolo rūgšties etilo esteris (RT001), kurį sukūrė „Retrotope“, yra atliekamas gailestingo vartojimo kūdikių neuroaaksonų distrofijoje bandyme ir sėkmingai baigė I / II fazės tyrimą Friedreicho ataksijoje. [40] [36]

    Termostabilizavimo redagavimas

    Gyvas vakcinas, tokias kaip geriamoji polioviruso vakcina, deuteriu galima stabilizuoti atskirai arba kartu su kitais stabilizatoriais, tokiais kaip MgCl2. [41]

    Lėtėjantis paros svyravimas Redaguoti

    Įrodyta, kad deuteris pailgina cirkadano laikrodžio svyravimo periodą, kai dozė yra skiriama žiurkėms, žiurkėnams ir Gonyaulax dinoflagellatams. [42] [43] [44] [45] Žiurkėms lėtinis 25% D suvartojimas2O sutrikdo paros ritmiką, pailgindamas smegenų pagumburio suprachiasmatinių nuo branduolio priklausomų ritmų paros periodą. [46] Eksperimentai su žiurkėnais taip pat patvirtina teoriją, kad deuteris tiesiogiai veikia suprachiasmatinį branduolį, kad pailgintų laisvai bėgantį paros periodą. [47]

    Įtarimas dėl lengvesnių elementų izotopų Redaguoti

    Neoninių radioaktyviųjų lengvesnių elementų izotopų buvimas buvo įtariamas tyrinėjant neoną jau 1913 m., O tai įrodyta 1920 m. Šviesos elementų masės spektrometrija. Tuo metu vyravo teorija, kad elemento izotopai skiriasi dėl to, kad yra papildomų elementų. protonai branduolyje lydimas vienodo skaičiaus branduoliniai elektronai. Pagal šią teoriją deuterio branduolyje, kurio masė yra viena ir kuris įkrauna vieną, būtų du protonai ir vienas branduolio elektronas. Tačiau buvo tikimasi, kad vandenilio elementas, kurio išmatuota vidutinė atominė masė yra labai artima 1 u, žinoma protono masė, visada turi branduolį, sudarytą iš vieno protono (žinomos dalelės), ir jame negali būti antrojo protono. . Taigi manyta, kad vandenilis neturi sunkiųjų izotopų.

    Deuteris aptiko Redaguoti

    Pirmą kartą spektroskopiškai jį 1931 m. Pabaigoje aptiko Kolumbijos universiteto chemikas Haroldas Urey.Urey bendradarbis Ferdinandas Brickwedde'as, naudodamasis žemos temperatūros fizikos laboratorija, neseniai įsteigta Nacionaliniame standartų biure Vašingtone (dabar - Nacionalinis standartų institutas), distiliavo penkis litrus kriogeniškai pagaminto skysto vandenilio iki 1 ml skysčio. Technologijos). Ši technika anksčiau buvo naudojama sunkiesiems neono izotopams izoliuoti. Kriogeninio virimo technika sutelkė vandenilio masės-2 izotopo dalį iki laipsnio, dėl kurio jo spektroskopinis identifikavimas tapo vienareikšmis. [48] ​​[49]

    Izotopo pavadinimas ir Nobelio premijos redagavimas

    Urey sukūrė vardus protium, deuterioir tričio straipsnyje, paskelbtame 1934 m., pavadinimas iš dalies pagrįstas G. N. Lewiso, kuris pasiūlė pavadinimą „deutium“, patarimais. Pavadinimas kilęs iš graikų kalbos deuteros („antrasis“), o branduolį vadinti „deuteronu“ arba „deutonu“. Izotopams ir naujiems elementams tradiciškai buvo suteiktas vardas, kurį nusprendė jų atradėjas. Kai kurie Didžiosios Britanijos mokslininkai, pavyzdžiui, Ernestas Rutherfordas, norėjo, kad izotopas būtų vadinamas graikų graikų diplomu. diploos („dvigubas“), o branduolį vadinti „diplonu“. [3] [50]

    Normalus šio sunkaus vandenilio izotopo kiekis buvo toks mažas (vandenyno vandenyje tik apie 1 atomas iš 6400 vandenilio atomų (156 deuterijai milijonui vandenilio)), kad jis nepastebėjo ankstesnių (vidutinės) vandenilio atominės masės matavimų. . Tai paaiškino, kodėl anksčiau eksperimentiškai nebuvo įtariama. Urey sugebėjo sutelkti vandenį, kad parodytų dalinį deuterio praturtėjimą. Pirmuosius gryno sunkiojo vandens mėginius Lewisas paruošė 1933 m. Deuterio atradimas, kuris buvo pasiektas iki neutrono atradimo 1932 m., Buvo eksperimentinis teorijos šokas, tačiau pranešus apie neutroną, dėl kurio deuterio egzistavimas tapo aiškesnis, deuteris laimėjo Urey Nobelio chemijos premija 1934 m. Lewisas buvo sujaudintas, kai buvo perduotas už šį buvusiam studentui suteiktą pripažinimą. [3]

    „Sunkiojo vandens“ eksperimentai Antrojo pasaulinio karo metais Redaguoti

    Netrukus prieš karą Hansas von Halbanas ir Lewas Kowarskis neutrono saiko tyrimus perkėlė iš Prancūzijos į Didžiąją Britaniją, kontrabandos būdu perveždami visą pasaulinį sunkiojo vandens kiekį (kuris buvo pagamintas Norvegijoje) dvidešimt šešiuose plieniniuose būgnuose. [51] [52]

    Antrojo pasaulinio karo metu nacistinė Vokietija vykdė eksperimentus, naudodama sunkųjį vandenį kaip moderatorių projektuojant branduolinį reaktorių. Tokie eksperimentai kėlė nerimą, nes jie galėjo leisti jiems gaminti plutonį atominei bombai. Galiausiai tai paskatino sąjungininkų operaciją, vadinamą „Norvegijos sunkiojo vandens sabotažu“, kurios tikslas buvo sunaikinti Vemorko deuterio gamybos / sodrinimo įrenginį Norvegijoje. Tuo metu tai buvo laikoma svarbia galimam karo progresui.

    Pasibaigus Antrajam pasauliniam karui, sąjungininkai atrado, kad Vokietija nededa tiek rimtų pastangų programai, kiek manyta anksčiau. Jie negalėjo išlaikyti grandininės reakcijos. Vokiečiai baigė tik nedidelį, iš dalies pastatytą eksperimentinį reaktorių (kuris buvo paslėptas). Karo pabaigoje vokiečiai neturėjo net penktadalio sunkaus vandens kiekio, reikalingo reaktoriui paleisti, [ reikalingas paaiškinimas ] iš dalies dėl Norvegijos sunkiojo vandens sabotažo operacijos. Tačiau net jei vokiečiams būtų pavykę pradėti eksploatuoti reaktorių (kaip 1942 m. Pabaigoje JAV padarė su grafito reaktoriumi), jie vis tiek būtų bent kelerius metus nutolę nuo atominės bombos kūrimo. Inžinerijos procesas, net ir naudojant maksimalias pastangas ir finansavimą, reikalavo maždaug dvejų su puse metų (nuo pirmo kritinio reaktoriaus iki bombos) tiek JAV, tiek JAV.

    Termobranduoliniuose ginkluose Redaguoti

    Jungtinių Valstijų pastatytas 62 tonų Ivy Mike prietaisas, kuris sprogo 1952 m. Lapkričio 1 d., Buvo pirmoji visiškai sėkminga „vandenilio bomba“ (termobranduolinė bomba). Šiame kontekste tai buvo pirmoji bomba, kurioje didžioji išskiriamos energijos dalis kilo iš branduolinės reakcijos etapų, einančių po pirminės atominės bombos branduolio dalijimosi stadijos. „Ivy Mike“ bomba buvo panašus į gamyklą, o ne tiekiamas ginklas. Jo centre - labai didelė cilindrinė, izoliuota vakuuminė kolba arba kriostatas, kuriame laikomas kriogeninis skystas deuteris maždaug 1000 litrų tūrio (160 kg masės, jei šis tūris buvo visiškai užpildytas). Tada vienoje bombos gale naudojama įprasta atominė bomba („pirminė“), kad būtų sukurtos ekstremalios temperatūros ir slėgio sąlygos, reikalingos termobranduolinei reakcijai sukelti.

    Per keletą metų buvo sukurtos vadinamosios „sausosios“ vandenilio bombos, kurioms nereikėjo kriogeninio vandenilio. Paskelbta informacija rodo, kad visuose nuo tada pagamintuose termobranduoliniuose ginkluose antriniuose etapuose yra deuterio ir ličio cheminių junginių. Medžiaga, kurioje yra deuterio, daugiausia yra ličio deuteridas, o ličio sudėtyje yra ličio-6 izotopas. Kai ličio-6 bombarduojama greitais atominės bombos neutronais, susidaro triitis (vandenilis-3), o tada deuteris ir tritis greitai įsitraukia į termobranduolinę sintezę, išskirdami daug energijos, helio-4 ir dar daugiau laisvųjų neutronų. .

    Šiuolaikiniai tyrimai Redaguoti

    2018 m. Rugpjūtį mokslininkai paskelbė, kad dujinis deuteris virsta skysta metaline forma. Tai gali padėti tyrėjams geriau suprasti milžiniškas dujų planetas, tokias kaip Jupiteris, Saturnas ir susijusios egzoplanetos, nes manoma, kad tokiose planetose yra daug skysto metalinio vandenilio, kuris gali būti atsakingas už pastebėtus galingus magnetinius laukus. [53] [54]

    • Tankis: 0.180 kg / m 3 esant STP (0 ° C, 101.325 kPa).
    • Atominė masė: 2,014 101 7926 u.
    • Vidutinis vandenyno vandens kiekis (iš VSMOW) 155,76 ± 0,1 ppm (santykis 1 dalis maždaug 6420 dalims), tai yra, apie 0,015% mėginio atomų (skaičiumi, o ne svoriu)

    Duomenys maždaug 18 K temperatūroje2 (trigubas taškas):

    • Tankis:
      • Skystis: 162,4 kg / m 3
      • Dujos: 0,452 kg / m 3
      • Kieta medžiaga: 2950 J / (kg · K)
      • Dujos: 5200 J / (kg · K)

      An antideuteronas yra deuterio branduolio antimaterijos atitikmuo, susidedantis iš antiprotono ir antineutrono. Pirmą kartą antideuteronas buvo pagamintas 1965 m. Protonų sinchrotrone CERN [55] ir Kintamojo gradiento sinchrotrone Brookhaveno nacionalinėje laboratorijoje. [56] Būtų vadinamas pilnas atomas, kurio pozitronas skrieja aplink branduolį antiduteriumas, tačiau nuo 2019 m. [atnaujinimas] antideuteris dar nebuvo sukurtas. Siūlomas antiduterio simbolis yra
      D
      , tai yra, D su perdanga. [57]


      Turinys

      Pavaros kosmose prasideda nuo viršutinės raketos pakopos, atliekančios pirminio varymo, reakcijos valdymo, stoties išlaikymo, tikslaus nukreipimo ir orbitos manevravimo funkcijas. Pagrindiniai kosmose naudojami varikliai teikia pagrindinę varomąją jėgą orbitos pernešimui, planetų trajektorijoms ir papildomam planetų nusileidimui ir pakilimui. Reakcijos valdymo ir orbitos manevravimo sistemos suteikia varomąją jėgą orbitos palaikymui, padėties valdymui, stoties išlaikymui ir erdvėlaivio padėties valdymui. [4] [2] [3]

      Esant kosmose, varomosios sistemos paskirtis yra pakeisti greitį arba v, erdvėlaivio. Kadangi masyvesniems erdvėlaiviams tai yra sunkiau, dizaineriai paprastai aptaria erdvėlaivių našumą impulso pokyčio suma vienam suvartotam raketinio kuro vienetui dar vadinamas specifiniu impulsu. [5] Kuo didesnis specifinis impulsas, tuo didesnis efektyvumas. Joniniai varikliai turi didelį specifinį impulsą (

      3000 s) ir mažos traukos jėgos [6], o cheminių raketų, tokių kaip monopropelentas arba bipropeliantiniai raketiniai varikliai, specifinis impulsas yra mažas (

      Paleidžiant erdvėlaivį iš Žemės, varymo metodas turi įveikti didesnę gravitacinę trauką, kad gautų teigiamą grynąjį pagreitį. [8] Orbitoje bet koks papildomas impulsas, net ir labai mažas, pakeis orbitos kelią.

      1) „Prograde“ / „Retrogade“ (t. Y. Pagreitis tangentine / priešinga tangentine kryptimi) - padidina / sumažina orbitos aukštį

      2) statmena orbitos plokštumai - keičia orbitos nuolydį

      Greičio kitimo greitis vadinamas pagreičiu, o impulso pokyčio greitis - jėga. Norint pasiekti tam tikrą greitį, galima pritaikyti nedidelį pagreitį per ilgą laiką arba pritaikyti didelį pagreitį per trumpą laiką. Panašiai galima pasiekti duotą impulsą didele jėga per trumpą laiką arba maža jėga per ilgą laiką. Tai reiškia, kad manevruojant kosmose varomosios jėgos metodas, sukeliantis mažus pagreičius, bet veikiantis ilgą laiką, gali sukelti tą patį impulsą kaip ir varymo būdas, kuris trumpam sukuria didelius pagreičius. Paleidžiant iš planetos, maži pagreičiai negali įveikti planetos traukos traukos, todėl jų negalima naudoti.

      Žemės paviršius yra gana giliai gravitaciniame šulinyje. Pabėgimo greitis, reikalingas iš jo išlipti, yra 11,2 kilometro per sekundę. Kai žmonės vystosi 1g (9,8 m / s²) gravitaciniame lauke, ideali žmogaus kosminių skrydžių varomoji sistema užtikrintų nuolatinį greitį. 1g (nors žmogaus kūnai per trumpą laiką gali toleruoti daug didesnius pagreičius). Raketos ar erdvėlaivio, turinčio tokią varomąją sistemą, keleiviai neturėtų jokių blogo laisvo kritimo padarinių, tokių kaip pykinimas, raumenų silpnumas, sumažėjęs skonio pojūtis ar kalcio išplovimas iš kaulų.

      Impulsų išsaugojimo dėsnis reiškia, kad norint, kad varymo būdas pakeistų kosminio laivo impulsą, jis turi pakeisti ir kažko kito impulsą. Keli projektai naudojasi tokiais dalykais kaip magnetiniai laukai ar šviesos slėgis, kad pakeistų erdvėlaivio impulsą, tačiau laisvoje erdvėje raketa turi atsinešti tam tikrą masę, kad paspartėtų, kad galėtų pasistumti į priekį. Tokia masė vadinama reakcijos mase.

      Norint, kad raketa veiktų, jai reikia dviejų dalykų: reakcijos masės ir energijos. Impulsas, paleidžiamas masės turinčios reakcijos masės dalelę m greičiu v yra mv. Bet ši dalelė turi kinetinę energiją mv² / 2, kurie turi būti iš kažkur. Įprastoje kietoje, skystoje ar hibridinėje raketoje kuras deginamas suteikiant energiją, o reakcijos produktams leidžiama ištekėti iš galo, suteikiant reakcijos masę. Jonų skvarboje elektra naudojama pagreitinti jonus. Čia elektrą turi tiekti kitas šaltinis (galbūt saulės kolektorius ar branduolinis reaktorius), o jonai - reakcijos masę. [8]

      Raketa su dideliu išmetimo greičiu gali pasiekti tą patį impulsą su mažesne reakcijos mase. Tačiau tam impulsui reikalinga energija yra proporcinga išmetamųjų dujų greičiui, todėl labiau masę taupantiems varikliams reikia daug daugiau energijos ir jie paprastai yra mažiau energiškai efektyvūs. Tai yra problema, jei variklis turi didelę trauką. Norėdami generuoti didelį impulsą per sekundę, jis turi sunaudoti didelį energijos kiekį per sekundę. Taigi didelio našumo varikliams reikalingi milžiniški energijos kiekiai per sekundę, kad būtų sukurta didelė traukos jėga. Todėl dauguma didelio našumo variklių konstrukcijų taip pat užtikrina mažesnę trauką dėl to, kad nėra didelio energijos kiekio.

      Varymas kosmose reiškia technologijas, kurios gali žymiai pagerinti daugelį kritinių misijos aspektų. Kosmoso tyrinėjimai yra saugus kur nors nuvykimas (įgalinant misiją), greitas atvykimas (sutrumpintas tranzito laikas), ten daug masės (padidėjusi naudingojo krovinio masė) ir pigiai (pigiau). Paprastas „patekimo“ veiksmas reikalauja naudoti kosmose veikiančią varomąją sistemą, o kita metrika yra šio pagrindinio veiksmo modifikatoriai. [4] [3]

      Kuriant technologijas bus parengti techniniai sprendimai, kurie pagerins traukos lygį, Isp, galią, savitąją masę (arba specifinę galią), tūrį, sistemos masę, sistemos sudėtingumą, operatyvumą, bendrumą su kitomis erdvėlaivių sistemomis, gaminamumą, ilgaamžiškumą ir kainą. Tokio tipo patobulinimai leis sutrumpinti tranzito laiką, padidinti naudingosios apkrovos masę, saugesnį erdvėlaivį ir sumažinti išlaidas. Kai kuriais atvejais, plėtojant technologijas šioje technologijų srityje (TA), bus pasiekti misiją įgalinantys proveržiai, kurie sukels revoliuciją kosmoso tyrinėjimuose. Nėra vienos varymo technologijos, kuri būtų naudinga visoms misijoms ar misijų tipams. Reikalavimai varymui kosmose labai skiriasi, atsižvelgiant į jų paskirtį. Apibūdintos technologijos turėtų padėti viskam, pradedant mažais palydovais ir robotizuotais giluminės kosmoso tyrimais, baigiant kosminėmis stotimis ir žmonių misijomis, baigiant Marso programomis. [4] [3]

      Technologijų apibrėžimas Redaguoti

      Be to, terminas „misijos traukimas“ apibrėžia technologiją ar eksploatacines charakteristikas, reikalingas planuojamam NASA misijos reikalavimui įvykdyti. Bet koks kitas ryšys tarp technologijos ir misijos (pavyzdžiui, alternatyvios varymo sistemos) yra priskiriamas kategorijai „technologija“. Kosmoso demonstracija taip pat reiškia tam tikros technologijos ar kritinės technologijos posistemio išplėstinės versijos skrydį į kosmosą. Kita vertus, kosmoso patvirtinimas būtų kvalifikacijos skrydis būsimai misijai įgyvendinti. Sėkmingam patvirtinimo skrydžiui nereikėtų atlikti jokių papildomų tam tikros technologijos bandymų kosmose, kol ji bus pritaikyta mokslo ar žvalgybos misijai. [4]

      Erdvėlaiviai veikia daugelyje kosmoso sričių. Tai apima orbitos manevravimą, tarpplanetines ir tarpžvaigždines keliones.

      Orbital Edit

      Dirbtiniai palydovai pirmiausia į norimą aukštį nuleidžiami įprastomis skystomis / kietomis varomosiomis raketomis, po kurių palydovas orbitos stočių palaikymui gali naudoti borto varomąsias sistemas. Patekę į norimą orbitą, jiems dažnai reikia tam tikros formos valdymo, kad jie būtų teisingai nukreipti Žemės, Saulės ir galbūt kokio nors astronominio objekto atžvilgiu. [9] Jie taip pat gali būti paveikti iš plonos atmosferos, todėl norint ilgam likti orbitoje, kartais reikia atlikti tam tikrą pavarą, kad būtų galima atlikti nedideles korekcijas (orbitinės stoties išlaikymas). [10] Daugelis palydovų turi būti kartkartėmis perkeliami iš vienos orbitos į kitą, o tam taip pat reikia varymo. [11] Palydovo naudingo tarnavimo laikas paprastai pasibaigia, kai jis išnaudoja savo galimybes koreguoti savo orbitą.

      Tarpplanetinis redagavimas

      Tarpplanetinėms kelionėms erdvėlaivis gali naudoti savo variklius palikti Žemės orbitą. Tai nėra aiškiai reikalinga, nes Saulės sistemos tyrimams pakanka pradinio raketos, gravitacijos šrato, monopropelento / bipropelento padėties valdymo varomosios jėgos sistemos postūmio (žr. „Naujieji horizontai“). Tai padaręs, jis kažkaip turi pasiekti savo tikslą. Dabartiniai tarpplanetiniai erdvėlaiviai tai daro atlikdami trumpalaikių trajektorijos koregavimų seriją. [12] Tarp šių koregavimų erdvėlaivis tiesiog juda savo trajektorija, neįsibėgėdamas. Efektyviausias būdas pereiti iš vienos žiedinės orbitos į kitą yra Hohmanno perdavimo orbita: erdvėlaivis prasideda maždaug apskritoje orbitoje aplink Saulę. Trumpas traukos laikotarpis judėjimo kryptimi pagreitina arba sulėtina erdvėlaivį į elipsės formos orbitą aplink Saulę, kuri liečia ankstesnę ir paskirties vietą. Erdvėlaivis laisvai krenta palei šią elipsinę orbitą, kol pasiekia tikslą, kur kitas trumpas traukos periodas jį pagreitina arba sulėtina, kad atitiktų paskirties orbitą. [13] Šiam galutiniam orbitos koregavimui kartais naudojami specialūs metodai, tokie kaip aerobraking arba aerocapture. [14]

      Kai kurie erdvėlaivio varymo metodai, tokie kaip saulės burės, suteikia labai mažą, bet neišsenkančią trauką [15], tarpplanetinė transporto priemonė, naudodama vieną iš šių metodų, eitų gana kitokia trajektorija, arba nuolat stumdamasi prieš jos judėjimo kryptį, kad sumažintų atstumą nuo Saulės, arba nuolat stumdamasis savo judėjimo kryptimi, kad padidintų atstumą nuo Saulės. Koncepciją sėkmingai išbandė Japonijos „IKAROS“ saulės burių erdvėlaivis.

      Tarpžvaigždinis redagavimas

      Dar nebuvo pastatytas erdvėlaivis, galintis trumpai (palyginti su žmogaus gyvenimo trukme) keliauti tarp žvaigždžių, tačiau aptarta daugybė hipotetinių konstrukcijų. Kadangi tarpžvaigždiniai atstumai yra labai dideli, norint pasiekti erdvėlaivį iki tikslo per protingą laiką, reikia didžiulio greičio. Tokio greičio įgijimas paleidimo metu ir jo atsikratymas atvykus išlieka didžiuliu iššūkiu erdvėlaivių dizaineriams. [16]

      Technologijų sritys yra suskirstytos į keturias pagrindines grupes: (1) cheminė varomoji jėga, (2) nekeminė varomoji jėga, (3) pažangiosios varomosios jėgos technologijos ir (4) palaikomosios technologijos, pagrįstos varymo sistemos fizika ir kaip joje gaunama trauka. kaip jo techninė branda. Be to, gali būti patikimų nuopelnų kosmose varymo koncepcijų, kurios nebuvo numatytos ar peržiūrėtos paskelbimo metu ir kurios gali būti naudingos būsimoms misijos programoms. [17]

      Cheminis varymas Redaguoti

      Didelė dalis šiandien naudojamų raketų variklių yra cheminės raketos, tai yra, jie gauna jėgą, reikalingą traukai generuoti cheminėmis reakcijomis, kad būtų sukurtos karštos dujos, kurios išsiplėtusios, kad būtų sukurta trauka. Reikšmingas cheminio varymo apribojimas yra tas, kad jis turi palyginti mažą specifinį impulsą (Isp), kuris yra sukurtos traukos ir propelento masės, reikalingos tam tikru srauto greičiu, santykis. [4]

      Reikšmingą specifinio impulso pagerėjimą (virš 30%) galima pasiekti naudojant kriogeninius propelentus, pavyzdžiui, skystą deguonį ir skystą vandenilį. Istoriškai šie varikliai nebuvo naudojami virš viršutinių pakopų. Be to, daugybė pažangių varomųjų technologijų, tokių kaip elektrinė, koncepcijos paprastai naudojamos stočių palaikymui komerciniuose ryšių palydovuose ir pagrindiniam varymui kai kurioms mokslinėms kosminėms misijoms, nes jose yra žymiai didesnės specifinio impulso vertės. Tačiau jie paprastai turi labai mažas traukos vertes, todėl turi būti naudojami ilgą laiką, kad būtų užtikrintas visas misijai reikalingas impulsas. [4] [18] [19] [20]

      Kelios iš šių technologijų pasižymi žymiai geresniu našumu, nei pasiekiama naudojant cheminę jėgą.

      Glenno tyrimų centras siekia sukurti pirmines varymo technologijas, kurios galėtų būti naudingos artimiausioms ir vidutinės trukmės mokslo misijoms sumažinant išlaidas, masę ir (arba) kelionės laiką. Ypatingai GRC susidomėjusios varymo architektūros yra elektrinės varomosios sistemos, tokios kaip jonų ir halo varikliai. Viena sistema apjungia saulės bures - varomąją jėgą, kuri varomoji energija remiasi natūraliai atsirandančia žvaigždės šviesa, ir „Hall“ variklius.Kitos kuriamos varymo technologijos yra pažangus cheminis varymas ir aerokaptūras. [3] [21] [22]

      Reakcijos varikliai Redaguoti

      Reakcijos varikliai sukuria trauką išstumdami reakcijos masę pagal trečiąjį Niutono judėjimo dėsnį. Šis judesio dėsnis dažniausiai perfrazuojamas taip: „Kiekvienai veikiančiai jėgai yra vienoda, bet priešinga reakcijos jėga“.

      Raketų varikliai Redaguoti

      Dauguma raketinių variklių yra vidaus degimo šiluminiai varikliai (nors yra ir nedegių formų). Raketiniai varikliai paprastai sukuria aukštos temperatūros reakcijos masę kaip karštas dujas. Tai pasiekiama deginant kietą, skystą ar dujinį kurą su oksidatoriumi degimo kameroje. Tuomet leidžiama pasišalinti itin karštoms dujoms per didelio išsiplėtimo laipsnio purkštuką. Šis varpo formos antgalis suteikia raketos varikliui būdingą formą. Purkštuko poveikis yra dramatiškai pagreitinti masę, didžiąją dalį šilumos energijos paverčiant kinetine energija. Išmetimo greitis, pasiekiantis net 10 kartų didesnį nei garso greitis jūros lygyje, yra įprastas.

      Raketiniai varikliai iš esmės suteikia didžiausią bet kokio variklio, naudojamo erdvėlaivių varymui, specifinę galią ir didelę specifinę jėgą.

      Joninės varomosios raketos gali įkaitinti plazmą arba įelektrintas dujas magnetiniame butelyje ir išleisti per magnetinį antgalį, kad su plazma nereikėtų liestis jokios kietosios medžiagos. Žinoma, tam reikalinga technika yra sudėtinga, tačiau branduolių sintezės tyrimais buvo sukurti metodai, kai kuriuos iš jų buvo pasiūlyta naudoti varymo sistemose, o kai kurie buvo išbandyti laboratorijoje.

      Žr. Raketų variklį, kuriame rasite įvairių rūšių raketų variklius, naudojančius skirtingus šildymo metodus, įskaitant cheminius, elektrinius, saulės ir branduolinius.

      Nekeminis varymas Redaguoti

      Elektromagnetinis varymas Redaguoti

      Užuot pasikliavus aukšta temperatūra ir skysčių dinamika, norint pagreitinti reakcijos masę iki didelio greičio, yra įvairių metodų, kurie naudoja elektrostatines ar elektromagnetines jėgas, kad reakcija būtų tiesiogiai pagreitinta. Paprastai reakcijos masė yra jonų srautas. Toks variklis paprastai naudoja elektros energiją, pirmiausia jonams jonizuoti atomus, o tada sukuria įtampos gradientą, kad jonai pagreitėtų iki didelio išmetimo greičio.

      Elektrinio varymo idėja atsirado dar 1906 m., Kai Robertas Goddardas apsvarstė galimybę savo asmeniniame sąsiuvinyje. [23] Konstantinas Ciolkovskis šią idėją paskelbė 1911 m.

      Šių pavarų didžiausiu išmetimo greičiu energinis efektyvumas ir trauka yra atvirkščiai proporcingi išmetimo greičiui. Jų labai didelis išmetimo greitis reiškia, kad jiems reikia daug energijos, todėl praktiški energijos šaltiniai užtikrina mažą trauką, tačiau beveik nenaudoja kuro.

      Kai kurioms misijoms, ypač pakankamai arti Saulės, saulės energijos gali pakakti ir ji dažnai buvo naudojama, tačiau kitoms, esančioms toliau ar esant didesnei galiai, branduolinė energija yra būtina. raketos.

      Naudojant bet kokį dabartinį elektros energijos šaltinį, cheminį, branduolinį ar saulės energiją, maksimalus galimas generuoti energijos kiekis riboja traukos, kurią galima pagaminti, kiekį iki mažos vertės. Elektros generavimas erdvėlaiviui suteikia nemažą masę, o galiausiai energijos šaltinio svoris riboja transporto priemonės našumą.

      Dabartiniai branduolinės energijos generatoriai yra maždaug pusė saulės baterijų svorio vienam patiekiamam vatui sausumos atstumu nuo Saulės. Cheminiai elektros generatoriai nenaudojami dėl gerokai mažesnės bendros energijos. Spinduliuojanti erdvėlaivio galia rodo tam tikrą potencialą.

      Kai kurie elektromagnetiniai metodai:

        (pirmiausia pagreitinkite jonus ir vėliau neutralizuokite jonų pluoštą elektronų srautu, skleidžiamu iš katodo, vadinamo neutralizatoriumi)

      Elektroterminiuose ir elektromagnetiniuose traukikliuose abu jonai ir elektronai pagreitėja vienu metu, neutralizatoriaus nereikia.

      Be vidinės reakcijos masės Redaguoti

      Impulsų išsaugojimo dėsnis paprastai reiškia, kad bet kuris variklis, nenaudojantis reakcijos masės, negali pagreitinti kosminio laivo masės centro (kita vertus, galima pakeisti orientaciją). Tačiau erdvė nėra tuščia, ypač Saulės sistemos viduje yra gravitacijos laukai, magnetiniai laukai, elektromagnetinės bangos, saulės vėjas ir saulės spinduliuotė. Visų pirma žinoma, kad elektromagnetinėse bangose ​​yra impulsas, nepaisant to, kad impulsų srauto tankis yra be masės P EM bangos kiekybiškai 1 / c ^ 2 kartus viršija Poyntingo vektorių S, t.y. P = S/ c ^ 2, kur c yra šviesos greitis. Taigi lauko jėgos metodai, kurie nesiremia reakcijos mase, turi bandyti pasinaudoti šiuo faktu, susiedami su impulsą turinčiu lauku, pavyzdžiui, EM banga, esančia šalia plaukiojančios priemonės. Tačiau kadangi daugelis šių reiškinių yra difuzinio pobūdžio, atitinkamos varymo struktūros turi būti proporcingai didelės. [ originalus tyrimas? ]

      Yra keli skirtingi kosminiai įrenginiai, kuriems veikti reikia mažai reakcijos masės arba jos visai nereikia. Pririšimo varomojoje sistemoje naudojamas ilgas laidas su dideliu tempimo stiprumu, kad būtų galima pakeisti erdvėlaivio orbitą, pvz., Sąveikaujant su planetos magnetiniu lauku ar perduodant impulsą su kitu objektu. [24] Saulės burės priklauso nuo elektromagnetinės energijos radiacijos slėgio, tačiau joms efektyviai funkcionuoti reikalingas didelis surinkimo paviršius. Magnetinė burė magnetiniu lauku nukreipia įkrautas saulės vėjo daleles ir taip suteikia erdvėlaiviui impulsą. Variantas yra mini-magnetosferinės plazmos varomoji sistema, kuri naudoja mažą plazmos debesį, laikomą magnetiniame lauke, kad nukreiptų įkrautas Saulės daleles. „E“ burė naudotų labai plonus ir lengvus laidus, laikančius elektrinį krūvį, kad nukreiptų šias daleles, ir gali būti labiau kontroliuojamas.

      Kaip koncepcijos įrodymą, „NanoSail-D“ tapo pirmuoju nanopalydovu, skriejančiu aplink Žemę. [25] Nuo 2017 m. Rugpjūčio mėn. NASA patvirtino, kad saulės burių projektas „Sunjammer“ buvo baigtas 2014 m., Pasimokant iš būsimų kosminių burių projektų. [26] „Cubesail“ bus pirmoji misija, demonstruojanti saulės plaukimą žemoje Žemės orbitoje, ir pirmoji misija, rodanti visišką trijų ašių saulės burės valdymą. [27]

      2010 m. Gegužės mėn. Japonija taip pat paleido savo saulės burėmis varomą erdvėlaivį „IKAROS“. IKAROS sėkmingai demonstravo varymą ir vadovavimą ir skraido iki šiol.

      Palydovui ar kitai kosminei transporto priemonei taikomas kampinio impulso išsaugojimo dėsnis, kuris varžo kūną nuo grynojo kampinio greičio pokyčio. Taigi, norint, kad transporto priemonė pakeistų savo santykinę orientaciją neišeikvodama reakcijos masės, kita transporto priemonės dalis gali pasisukti priešinga kryptimi. Nekonservatyvios išorinės jėgos, pirmiausia gravitacinės ir atmosferos, gali sukelti kampinį pagreitį iki kelių laipsnių per dieną [28], todėl antrinės sistemos yra skirtos „nukraujuoti“ nepageidaujamoms sukimosi energijoms, sukurtoms laikui bėgant. Atitinkamai, daugelis erdvėlaivių naudoja reakcijos ratus arba valdo momento giroskopus, kad valdytų orientaciją erdvėje. [29]

      Gravitacinis šliuzas gali nešti reakcijos masę kosminį zondą į kitas paskirties vietas. Pasinaudodamas kitų dangaus objektų gravitacine energija, erdvėlaivis gali pasiimti kinetinę energiją. [30] Tačiau dar daugiau energijos galima gauti iš gravitacijos pagalbinės priemonės, jei naudojamos raketos.

      Sijos varomas varymas yra dar vienas varymo būdas be reakcijos masės. Sijos varomoji jėga apima bures, stumiamas lazerio, mikrobangų krosnelės ar dalelių pluoštais.

      Pažangi varymo technologija Redaguoti

      Pažangios, o kai kuriais atvejais ir teorinės, varomosios technologijos gali panaudoti cheminę ar ne cheminę fiziką, kad sukurtų traukos jėgą, tačiau paprastai jos laikomos žemesnės techninės brandos su iššūkiais, kurie nebuvo įveikti. [31] Tiek žmonių, tiek robotų tyrinėjimams Saulės sistemos perėjimas yra kova su laiku ir atstumu. Tolimiausios planetos yra 4,5–6 milijardai kilometrų nuo Saulės ir norint jas pasiekti bet kuriuo protingu laiku reikia daug pajėgesnių varymo sistemų nei įprastų cheminių raketų. Greitos vidinės Saulės sistemos misijos su lanksčiomis paleidimo datomis yra sunkios, reikalaujančios varymo sistemų, kurios viršija dabartinę šiuolaikinę pažangą. Logistika, taigi ir visa sistemos masė, reikalinga palaikomam žmogaus tyrinėjimui už Žemės ribų į tokias paskirties vietas kaip Mėnulis, Marsas ar Netoliese esantys Žemės objektai, yra bauginanti, nebent būtų sukurtos ir pritaikytos efektyvesnės varymo kosmose technologijos. [32] [33]

      Svarstyta įvairių hipotetinių varymo būdų, kuriems reikia giliau suprasti erdvės savybes, ypač inercinius rėmus ir vakuumo būseną. Iki šiol tokie metodai yra labai spekuliaciniai ir apima:

      NASA atliktas „Proveržio varomosios fizikos programos“ vertinimas suskirsto tokius pasiūlymus į tuos, kurie yra neperspektyvūs varant, į neapibrėžto potencialo ir į tuos, kurie pagal dabartines teorijas nėra neįmanomi. [34]

      Metodų lentelė Redaguoti

      Žemiau pateikiama kai kurių populiaresnių, patikrintų technologijų santrauka, po kurios seka vis spekuliatyvesni metodai.

      Rodomi keturi skaičiai. Pirmasis yra faktinis išmetimo greitis: ekvivalentinis greitis, kurį propelentas palieka transporto priemonėje. Tai nebūtinai yra svarbiausia varomosios jėgos metodo trauka, energijos suvartojimas ir kiti veiksniai. Tačiau:

      • jei delta-v yra daug didesnis nei išmetamųjų dujų greitis, tada reikalingi pernelyg dideli degalų kiekiai (žr. aukščiau esantį skyrių „Skaičiavimai“)
      • jei jis yra daug didesnis nei delta-v, tada, jei galia yra ribota, reikia proporcingai daugiau energijos, kaip ir saulės energijai, tai reiškia, kad kelionė trunka proporcingai ilgiau

      Antrasis ir trečiasis yra būdingi traukos dydžiai ir tipiški metodo degimo laikai. Už gravitacinio potencialo nedideli traukos kiekiai, taikomi ilgą laiką, duos tą patį efektą, kaip ir dideli traukos kiekiai per trumpą laikotarpį. (Šis rezultatas netaikomas, kai objektą smarkiai veikia gravitacija.)

      Ketvirtasis yra didžiausias delta-v, kurį ši technika gali suteikti (be inscenizacijos). Raketų tipo varomosiose sistemose tai priklauso nuo masės dalies ir išmetimo greičio. Į raketas panašių sistemų masės dalį paprastai riboja varomosios sistemos svoris ir cisternos svoris. Kad sistema pasiektų šią ribą, naudingoji apkrova paprastai gali būti nereikšminga procentinė transporto priemonės dalis, todėl kai kurių sistemų praktinė riba gali būti daug mažesnė.

      • 9: Lengvo slėgio padėties valdymo skrydis įrodytas
      • 6: modelis, 196 m 2, 1,12 mN, 400 m / s delta-v, parodytas tarpplanetinėje erdvėje [41]

      Tikrinamas redagavimas

      Erdvėlaivių varymo sistemos dažnai pirmiausia statiškai išbandomos Žemės paviršiuje, atmosferoje, tačiau norint išbandyti daugelį sistemų, reikia vakuuminės kameros. Raketos saugumo sumetimais paprastai bandomos raketų variklių bandymų įstaigoje, toli nuo gyvenamųjų vietų ir kitų pastatų. Joninės pavaros yra kur kas mažiau pavojingos ir reikalauja ne tokio griežto saugumo, paprastai reikia tik didelio dydžio vakuuminės kameros.

      Garsias statinio bandymo vietas galite rasti „Rocket Ground Test Facilities“

      Kai kurių sistemų negalima tinkamai išbandyti ant žemės, o raketų paleidimo aikštelėje gali būti naudojami bandomieji paleidimai.


      Kas daro sintezę sunkią

      Paprasta kliūtis stovi tarp mūsų ir sintezės. Tai vadinama Kulono barjeras. Protonai nekenčia priartėti vienas prie kito dėl abipusio teigiamo krūvio ir gretutinio elektrostatinio atstūmimo. Ir jie turi gauti labai arti - apie 10 −15 m - prieš stiprios branduolinės jėgos užvaldymą Coulomb & # 8217 Net vykstant tobulam susidūrimo kursui, dviejų protonų uždarymo greitis turėtų būti 20 milijonų metrų per sekundę (7% šviesos greitis), kad jie galėtų patekti per 10–15 m atstumu vienas nuo kito, o tai atitinka maždaug 5 milijardų laipsnių temperatūrą! Net jei greitis yra pakankamas, menkiausias nesutapimas paskatins atstumiantį duetą nukrypti nuo kurso, net flirtuoti su kontaktu. Kvantinis tuneliavimas gali šiek tiek pralenkti, reikalaujantis gal dviejų mažiau energijos / artumo faktoriaus, bet vis tiek tas pats, tai yra # 8217s. sunku kad susidarytų protonai.

      Vis dėlto mūsų Saulei tai pavyksta padaryti, esant vos 16 milijonų laipsnių temperatūrai. Kaip jai pavyksta gauti pelną? Tomas. Saulės protonai lenktyniauja įvairiais greičiais pagal temperatūrą. Nors tipinis greitis yra per mažas norint įveikti Kulono barjerą, kai kurie greičio demonai greičio pasiskirstymo kreivės uodegoje padaryti turėti reikiamą energiją. Jų yra pakankamai dideliame Saulės šerdies tūryje, kad kartkartėmis atsitrenktų į galvą ir susikibtų. Vienas iš protonų turi greitai beta-plus suskaidyti į neutroną ir presto-mundo, mes turime deuteroną! Tada deuteronai gali susidurti, kad gautų helį (taip pat einami kiti keliai į helį). Greitas ir neapdorotas skaičiavimas rodo, kad mums reikia apie 10 38 & # 8220sticky & # 8221 susidūrimų per sekundę, kad išlaikytume Saulę, o šerdyje mes gauname apie 10 64 smūgius / sąveikas per sekundę, o tai reiškia, kad reikia tik vieną iš 10 26 susidūrimų. būti sėkmingu sintezės renginiu.

      Deuteronams lengviau atsitrenkti vienas į kitą nei vienišiems protonams, daugiausia todėl, kad jų fizinis dydis yra didesnis. Tiesą sakant, deuterono & # 8217 s santykinai silpnas rišimas padaro juos dar pūstesnius už labiau pririštą tričio branduolį (eikit tritonais!). Esant tam tikrai temperatūrai, atgrasikliai judės lėčiau nei protonai, o tritonai - lėčiau nei deuteronai. Visuose skoniuose yra vienas protonas, todėl jie daro tą pačią atstumiančią jėgą vienas kitam, tačiau padidėjusi papildomų neutronų inercija tiksliai sumažina lėtesnį greitį, todėl kiekvienas turi vienodą tikimybę važiuoti per Kulono barjerą. Tada mes paliekame dydį. Deuteronai yra didesni už tritonus, todėl D-D guzai bus dažnesni nei D-T guzai.

      Bet yra laimikis. Kai tik D ir T liečiasi, jie sulimpa. Ir atvirkščiai, kai D paliečia D, turi išsiskirti fotonas (šviesa), kad jie priliptų, o tai paprastai neįvyksta. Todėl sakoma, kad D-T turi didesnę skerspjūvis sintezei nei D-D. Kritinės temperatūros, reikalingos susiliejimui pasiekti, apskaičiavimai yra 400 milijonų Kelvinų D-D sintezei ir 45 milijonai K D-T veislės atveju. Tačiau šios temperatūros ribos priklauso nuo dalyvaujančios plazmos tankio, todėl jų nereikėtų vertinti kaip kietų ir greitų. Vis dėlto mums reikia, kad mūsų sintezės reaktoriai būtų karštesni už Saulės centrą, nes mes neturime tokios saulės ir branduolio prabangos, kokia jai patinka. Ar šis faktas suteikia jums pauzę?


      Vandens raketos

      Pirmas dalykas, ko jums reikia raketai, yra tam tikros formos butelis butelio dugne, per kurį galite pumpuoti šiek tiek oro. Yra įvairių būdų tai padaryti, vienas iš geriausių yra naudoti guminę gumą ar kamštį, panašų į tą, kuris naudojamas gamtos pamokose ir vyno gamyboje. Jums reikės tokio, kuris gerai įstrigs į butelio kaklą.

      Jei negalite gauti guminės gumos, galite ją pagaminti iš vyno butelio kamštienos, idealiausia, jei ji siaurėja, todėl ji yra platesnė už vieną galą. Tačiau vyno butelių kamščiai dažnai būna per maži, o norint idealios raketos iš butelio jums reikės kažko, turinčio didesnį sukibimą. Geras būdas užsikimšti yra kamščio uždengimas pora pirštų, nupjautų iš senos guminės pirštinės, - pasukite juos į vidų, kad butelio viduje gerai užsandarintų. Klijuokite viską kartu, kad užsandarintumėte spragas.

      Guminė guma su rutuliniu pripūtimuGuminė guma su dviračio vožtuvuKamštis, padengtas guminiais pirštinių pirštais, su rutuliniu pripūtimuKamštis su dviračio vožtuvu per vidurį.

      Tada jūs turite sugebėti prijungti kamštį prie siurblio. Jei turite futbolo pripučiamą adapterį, galite jį įstumti į kamštį, tačiau gali tekti gręžti iš kitos pusės, kad padarytumėte skylę, kad ji galėtų susitikti. Norėdami sukurti tvirtesnę versiją, taip pat galite naudoti dviračio padangos vožtuvą.

      Būkite saugūs - paprašykite, kad suaugę žmonės atliktų gręžinius yra suaugęs žmogus turi būti labai atsargus gręždamas gumą - jos nenuspėjama ir ji pagaus netikėtai. Galite pabandyti kamštį laikyti butelio viršuje.

      Kai sukursite savo kamštį, jums reikės paleidimo priemonės. Tai gali būti taip paprasta, kaip 4 ar 5 medienos gabaliukai ar kaištis, įmušti į žemę aplink raketą, kad ji būtų stabili paleidimo metu.

      Į butelį įpilkite šiek tiek (arba be jokio) vandens, įkiškite kamštį ir perpumpuokite!

      Būkite atsargūs ir nestovėkite virš raketos yra raketa, todėl tuoj greitai skris į viršų !!

      Pabandykite naudoti skirtingus vandens kiekius, kad sužinotumėte, kaip tai veikia skrydį.

      Galite pabandyti pridėti pelekų, kad jis skristų tiesiau.

      Rezultatas

      Turėtumėte pastebėti, kad kamštis yra išstumtas, o tada raketa labai patenkinta pakyla į orą.

      Mes bandėme paleisti su savimi (labai pigų) skaitmeninį fotoaparatą, o rezultatai pateikti žemiau:

      Labai ačiū „Cavendish“ laboratorijos „Lūžių grupei“ už greitojo fotoaparato naudojimą.

      Paaiškinimas

      Seras Issacas Newtonas sukūrė visatoje kažką labai svarbaus, jis sakė, kad „kiekvienas veiksmas turi vienodą ir priešingą reakciją“ - tai reiškia, kad kiekvienai jėgai visada yra lygus ir priešingas jėga. Taigi, jei jūs stumiate ką nors į vieną pusę, tai jus atstums.

      Jei ką nors stumsi, tai atstums - kiekvienas veiksmas turi vienodą ir priešingą reakciją.Taigi, jei sversite svarmenį į vieną pusę, jis nustums jus kita.

      Taip veikia jūsų butelio raketa. Raketa stumia vandenį žemyn, o tai reiškia, kad vanduo taip stipriai stumia raketą į viršų, kad ji įveikia gravitaciją ir skris!

      Išsamiau

      Siurbiant orą į butelį, susidaro slėgis viduje, šis oras išstumiamas visomis kryptimis, taip pat ir į apačią.

      Esant tam tikram slėgiui, trintis tarp kamštelio ir butelio nėra pakankamai stipri, kad jį būtų galima laikyti, o kamštis išstumiamas. Tai leidžia vandenį išstumti iš jūsų pumpuoto oro. Tai taip pat reiškia, kad pagrindinis veiksnys, kontroliuojantis, kokį slėgį raketa paleidžia, taigi ir į tai, koks yra aukštas, yra trinties dydis ant gumos. Štai kodėl slidžią kamštį turėtumėte uždengti su labai sukibusia gumine pirštine.

      Kai vanduo išstumiamas, oras išsiplečia, oro slėgis šiek tiek sumažėja.

      Galų gale, paprastai po 2–3 m, raketoje trūksta vandens ir ji pakrantėje išlenda likusią savo kelionės dalį.

      Siurbiant orą į butelį, padidėja jo slėgisGaliausiai šiukšlė išstumiama, kad vanduo galėtų išbėgtiOras stumia vandenį žemyn, o tai reiškia, kad vanduo jį stumia atgal. Tada ši jėga perkeliama į raketą.Galų gale raketoje trūksta vandens ir ji tiesiog pakrantėje.

      Kodėl jis vis dar veikia be vandens?

      Net jei butelio viduje nėra vandens, butelio raketa vis tiek skris aukštyn.Tai yra todėl, kad butelyje esantis oras turi masę, taigi, kai jis stumiamas žemyn, vis tiek vyksta vienoda ir priešinga reakcija. Tačiau, kadangi oras yra labai lengvas, butelis labai greitai ištuštės. Tai reiškia, kad jėga trunka neilgai, tačiau kadangi raketa yra labai lengva, ji įsibėgės labai greitai.

      Oras, stumiamas žemyn, taip pat sukelia raketos jėgą aukštyn.Bet oras išbėga labai greitai, todėl jėga trunka neilgai.Galų gale raketa pradeda byrėti, lėtindama ją. Pelekai linkę tai sustabdyti ir keliauti toliau.

      Kodėl beveik pilna raketa neveikia gerai?

      Šiuo atveju raketa turės didelę jėgą aukštyn, stumdama vandenį žemyn, tačiau butelis bus labai sunkus. Šis antsvoris reikš, kad jis neįsibėgėja labai greitai. Be to, kadangi raketoje yra mažai oro, norint išstumti visą vandenį, oras turėtų išsiplėsti iki 3–4 kartus didesnio už pradinį tūrį. Tai reiškia, kad slėgis smarkiai sumažės ir oras nebegalės išstumti vandens. Raketa dažnai atsitrenkia į žemę vis dar puse vandens.

      Pradėti reikia daug jėgų, tačiau raketa yra sunki, todėl greitai neįsibėgėja.Plečiantis orui, slėgis greitai mažėja.Galų gale slėgis pasiekia tokį patį kaip lauke, todėl vanduo nebėra išstumtas, o raketa sulėtės ir nukris.

      Kiek vandens turėčiau įpilti?

      Tai priklauso nuo daugelio dalykų, pavyzdžiui, nuo to, kokį slėgį išleis jungtis, nuo jūsų raketos oro pasipriešinimo ir nuo to, kiek ji neša naudingos apkrovos, tačiau nuo ketvirtadalio iki trečdalio pilna veikia gerai.


      Turinys

      Kvantinis tunelis buvo sukurtas tyrinėjant radioaktyvumą [4], kurį 1896 m. Atrado Henris Becquerelis. [10] Radioaktyvumą toliau nagrinėjo Marie Curie ir Pierre Curie, už kuriuos jie pelnė Nobelio fizikos premiją 1903 m. [10] Ernestas Rutherfordas ir Egonas Schweidleris ištyrė jo pobūdį, kurį vėliau empiriškai patikrino Friedrichas Kohlrauschas. Jų gyvenimo metu buvo sukurta pusinio gyvenimo idėja ir galimybė numatyti irimą. [4]

      1901 m. Robertas Francisas Earhartas atrado netikėtą laidumo režimą, naudodamasis Michelsono interferometru tyrinėdamas dujų laidumą tarp glaudžiai išdėstytų elektrodų. J. J. Thomsonas pakomentavo, kad ši išvada reikalauja tolesnio tyrimo. 1911 m., O po to - 1914 m. Tuometinis magistrantas Franzas Rotheris tiesiogiai matavo pastovias lauko emisijos sroves. Jis naudojo Earharto metodą elektrodų atskyrimui valdyti ir matuoti, tačiau naudodamas jautrų platformos galvanometrą. 1926 m. Rother išmatavo lauko emisijos sroves „kietame“ vakuume tarp glaudžiai išdėstytų elektrodų. [11]

      Pirmą kartą 1927 m. Kvantinį tunelį pastebėjo Friedrichas Hundas, skaičiuodamas dvigubo gręžinio potencialo pagrindinę būseną [10]. Leonidas Mandelstamas ir Michailas Leontovičius tais pačiais metais atrado savarankiškai. Jie analizavo tuometinės naujos Schrödingerio bangos lygties pasekmes. [12]

      Pirmasis jo taikymas buvo alfa skilimo matematinis paaiškinimas, kurį 1928 m. Sukūrė George'as Gamowas (kuris žinojo apie Mandelstamo ir Leontovičiaus išvadas [13]) ir nepriklausomai nuo Ronaldo Gurney ir Edwardo Condono. [14] [15] [16] [17] Pastarieji tyrėjai tuo pačiu metu išsprendė Schrödingerio lygtį modelio branduoliniam potencialui ir nustatė santykį tarp dalelės pusinės eliminacijos periodo ir emisijos energijos, kuri tiesiogiai priklausė nuo matematinės tikimybės. tuneliavimas.

      Dalyvavęs „Gamow“ seminare Maxas Bornas pripažino tuneliavimo bendrumą. Jis suprato, kad tai neapsiriboja branduoline fizika, bet tai yra bendras kvantinės mechanikos rezultatas, pritaikytas daugeliui skirtingų sistemų. [4] Netrukus po to abi grupės apsvarstė dalelių, tuneliuojančių į branduolį, atvejį. Puslaidininkių tyrimas ir tranzistorių bei diodų kūrimas paskatino elektronų tuneliavimą kietosiose medžiagose priimti iki 1957 m. Leo Esaki, Ivaras Giaeveris ir Brianas Josephsonas numatė superlaidžiųjų Cooperio porų tunelį, už kurį jie 1973 m. Gavo Nobelio fizikos premiją. [4] 2016 m. Buvo atrastas vandens kvantinis tunelis. [18]

      Kvantinis tunelis patenka į kvantinės mechanikos sritį: tai, kas vyksta kvantinėje skalėje, tyrimas. Tunelio negalima tiesiogiai suvokti. Didžiąją jo supratimo dalį formuoja mikroskopinis pasaulis, kurio klasikinė mechanika negali paaiškinti. Norint suprasti šį reiškinį, daleles, bandančias keliauti per potencialų barjerą, galima palyginti su kamuoliu, bandančiu apvirsti kalvą.

      Kvantinė mechanika ir klasikinė mechanika skiriasi savo požiūriu į šį scenarijų. Klasikinė mechanika prognozuoja, kad dalelės, neturinčios pakankamai energijos, kad klasiškai įveiktų barjerą, negali pasiekti kitos pusės. Taigi kamuolys, neturintis pakankamai energijos įveikti kalvą, riedėtų atgal. Kamuolys, kuriam trūksta energijos įsiskverbti į sieną, atšoka. Arba rutulys gali tapti sienos dalimi (absorbcija).

      Kvantinėje mechanikoje šios dalelės su maža tikimybe gali tunelis į kitą pusę, taip peržengdamas užtvarą. Tam tikra prasme kamuolys skolinasi energijos iš savo aplinkos pereiti sieną. Tada ji grąžina energiją padarydama atspindėtus elektronus [ reikalingas paaiškinimas ] energingesni, nei būtų buvę kitaip. [19]

      Šio skirtumo priežastis kyla dėl to, kad medžiaga traktuojama kaip turinti bangų ir dalelių savybes. Viena šio dvilypumo interpretacija apima Heisenbergo neapibrėžtumo principą, kuris apibrėžia ribą, kaip tiksliai galima tuo pačiu metu žinoti dalelės padėtį ir impulsą. [10] Tai reiškia, kad jokiems sprendimams tikimybė nėra lygi nuliui (arba vienai), nors jis gali artėti prie begalybės. Jei, pavyzdžiui, jos padėties apskaičiavimas būtų laikomas 1 tikimybe, jo greitis turėtų būti begalinis (neįmanoma). Vadinasi, tam tikros dalelės egzistavimo tikimybė, esanti priešingoje kliūties pusėje, nėra nulis, ir tokios dalelės proporcingai šiai tikimybei atsiras „kitoje“ (šiuo atveju semantiškai sunkus žodis) pusėje.

      Tunelio problema Redaguoti

      Bangos dalelės funkcija apibendrina viską, ką galima žinoti apie fizinę sistemą. [20] Todėl kvantinės mechanikos problemos analizuoja sistemos bangų funkciją. Naudojant matematines formuluotes, tokias kaip Schrödingerio lygtis, galima išvesti bangos funkciją. Šios bangos funkcijos absoliučios vertės kvadratas yra tiesiogiai susijęs su dalelės padėties tikimybės pasiskirstymu, kuris apibūdina tikimybę, kad dalelė yra bet kurioje tam tikroje vietoje. Kuo platesnė užtvara ir kuo didesnė užtvaros energija, tuo mažesnė tunelio tikimybė.

      Algebriniu būdu galima išanalizuoti ir išspręsti paprastą tunelinės užtvaros modelį, pvz., Stačiakampę užtvarą. Kanoninio lauko teorijoje tuneliavimas apibūdinamas bangos funkcija, kurios amplitudė tunelyje nėra nulis, tačiau srovė ten lygi nuliui, nes konjuguotos bangos funkcijos (laiko išvestinės) amplitudės santykinė fazė yra jai stačiakampė .

      Modeliavimas parodo vieną tokią sistemą.

      2-oje iliustracijoje parodytas neapibrėžtumo principas darbe. Banga, atsitrenkusi į barjerą, užtvarą priverčia ją tapti aukštesne ir siauresne. Banga tampa daug labiau lokalizuota - dabar ji yra abiejose barjero pusėse, ji yra platesnė kiekvienoje pusėje ir mažesnė maksimalia amplitude, bet lygi bendra amplitudė. Abiejose iliustracijose bangos lokalizacija erdvėje sukelia barjero veikimo lokalizaciją laike ir taip išsklaido bangos energiją / impulsą.

      Realiame gyvenime problemos dažnai neturi, todėl buvo sukurti „pusklasikiniai“ arba „kvaziklasikiniai“ metodai, skirti siūlyti apytikslius sprendimus, pavyzdžiui, WKB aproksimaciją. Tikimybės gali būti gaunamos savavališkai tiksliai, kaip suvaržyta skaičiavimo išteklių, Feynmano kelio integraliniu metodu. Toks tikslumas inžinerijos praktikoje reikalingas retai. [ reikalinga citata ]

      Kvantinio tunelio sąvoka gali būti išplėsta ir toms situacijoms, kai egzistuoja kvantinis transportas tarp regionų, kurie nėra klasiškai susiję, net jei nėra susijusios potencialios kliūties. Šis reiškinys yra žinomas kaip dinaminis tuneliavimas. [21] [22]

      Tuneliavimas fazių erdvėje Redaguoti

      Dinaminio tuneliavimo koncepcija ypač tinka sprendžiant kvantinio tuneliavimo problemą dideliais matmenimis (d & gt1). Integruojamos sistemos atveju, kai ribotos klasikinės trajektorijos yra apribotos tori fazinėje erdvėje, tuneliavimas gali būti suprantamas kaip kvantinis transportas tarp pusiau klasikinių būsenų, pastatytų ant dviejų skirtingų, bet simetriškų torių. [23]

      Chaoso pagalba tuneliai Redaguoti

      Realiame gyvenime dauguma sistemų nėra integruojamos ir jose vyrauja įvairus chaosas. Tuomet sakoma, kad klasikinė dinamika yra mišri, o sistemos fazės erdvę paprastai sudaro taisyklingų orbitų salos, kurias supa didelė chaotiškų orbitų jūra. Chaotiška jūra, kur klasikiniu būdu leidžiamas transportas, egzistuoja tarp dviejų simetriškų torių, o tai padeda kvantiniam tuneliui tarp jų. Šis reiškinys vadinamas chaosu paremtu tuneliu. [24] ir būdingas aštrus tunelinio dažnio rezonansas keičiant bet kurį sistemos parametrą.

      Rezonanso pagalba atliekami tuneliai Redaguoti

      Keli reiškiniai elgiasi taip pat, kaip kvantiniai tuneliai, ir juos galima tiksliai apibūdinti tuneliais. Kaip pavyzdį galima paminėti klasikinės bangų ir dalelių asociacijos tunelį, [26] evansizuojančių bangų sujungimą (Maksvelo bangos lygties taikymą šviesai) ir nedispersinės akustikos bangos lygties taikymą „bangoms ant stygų“. Kraunančių bangų jungimasis dar neseniai kvantinėje mechanikoje buvo vadinamas tik tuneliu, dabar jis naudojamas kituose kontekstuose.

      Šie efektai modeliuojami panašiai kaip stačiakampio potencialo barjeras. Šiais atvejais viena perdavimo terpė, per kurią sklinda banga, yra ta pati arba beveik vienoda visame, ir antra terpė, per kurią banga keliauja skirtingai. Tai galima apibūdinti kaip ploną B terpės sritį tarp dviejų A terpės regionų. Stačiakampio barjero analizę naudojant Schrödingerio lygtį galima pritaikyti šiems kitiems efektams, jei bangos lygtis turi judančių bangų sprendimus A terpėje, tačiau realūs eksponentiniai sprendimai B terpėje.

      Optikoje terpė A yra vakuumas, o terpė B yra stiklas. Akustikoje terpė A gali būti skystis arba dujos, o terpė B - kieta medžiaga. Abiem atvejais terpė A yra erdvės sritis, kurioje dalelės bendra energija yra didesnė už jos potencialią energiją, o terpė B yra potencialus barjeras. Jie turi gaunamą bangą ir gaunamas bangas į abi puses. Terpių ir barjerų gali būti daugiau, o kliūtys neturi būti atskiros. Šiuo atveju naudingi apytiksliai skaičiai.

      Tuneliavimas yra kai kurių svarbių makroskopinių fizinių reiškinių priežastis. Kvantinis tunelis turi svarbų poveikį nanotechnologijų veikimui. [9]

      Elektronika Redaguoti

      Tuneliavimas yra labai didelio masto integracijos (VLSI) elektronikos srovės nuotėkio šaltinis, dėl kurio atsiranda didelis energijos nutekėjimo ir šildymo poveikis, kuris kankina tokius įrenginius. Tai laikoma apatine mikroelektroninių prietaisų elementų gamybos riba. [27] Tuneliavimas yra pagrindinė technika, naudojama programuojant plūduriuojančius „flash“ atminties vartus.

      Šaltas išmetimas Redaguoti

      Šaltas elektronų spinduliavimas yra svarbus puslaidininkiams ir superlaidininkų fizikai. Tai panašu į termioninę emisiją, kai elektronai atsitiktinai šokinėja nuo metalo paviršiaus, kad laikytųsi įtampos poslinkio, nes statistiškai susidaro daugiau energijos nei užtvara atsitiktinių susidūrimų su kitomis dalelėmis dėka. Kai elektrinis laukas yra labai didelis, barjeras tampa pakankamai plonas, kad elektronai iš tunelio išstumtų iš atominės būsenos, o tai lemia srovę, kuri, priklausomai nuo elektrinio lauko, kinta maždaug eksponentiškai. [28] Šios medžiagos yra svarbios „flash“ atminčiai, vakuuminiams vamzdeliams, taip pat kai kuriems elektroniniams mikroskopams.

      Tunelio sankryža Redaguoti

      Paprastą barjerą galima sukurti atskyrus du laidininkus labai plonu izoliatoriumi. Tai yra tunelių sankryžos, kurias tiriant reikia suprasti kvantinius tunelius. [29] Džozefsono sankryžos naudoja kvantinį tunelį ir kai kurių puslaidininkių superlaidumą, kad sukurtų Džozefsono efektą. Tai taikoma tiksliems įtampų ir magnetinių laukų matavimams [28], taip pat daugiafunkcinei saulės baterijai.

      Kvantinių taškų korinio automatai Redaguoti

      QCA yra molekulinės dvejetainės logikos sintezės technologija, veikianti tarp salų esančių elektronų tuneliavimo sistemoje. Tai labai mažos galios ir greitas prietaisas, galintis veikti maksimaliu 15 PHz dažniu. [30]

      Tunelio diodas Redaguoti

      Diodai yra elektriniai puslaidininkiniai įtaisai, leidžiantys elektros srovei tekėti viena kryptimi labiau nei kita. Įrenginys priklauso nuo išeikvojimo sluoksnio tarp N tipo ir P tipo puslaidininkių, kad jis atitiktų jo paskirtį. Kai jie yra labai legiruoti, išeikvojimo sluoksnis gali būti pakankamai plonas tuneliams tiesti. Taikant nedidelį priekinį poslinkį, srovė dėl tunelių yra reikšminga. Tai turi maksimumą toje vietoje, kur įtampos poslinkis yra toks, kad p ir n laidumo juostų energijos lygis yra vienodas. Padidėjus įtampos šališkumui, dvi laidumo juostos nebesirikiuoja ir diodas veikia paprastai. [31]

      Kadangi tunelinė srovė greitai nukrinta, gali būti sukurti tunelio diodai, kurių įtampos diapazonas mažėja, didėjant įtampai. Ši savita savybė naudojama kai kuriose programose, pvz., Greitaeigiuose įtaisuose, kur būdinga tunelio tikimybė keičiasi taip pat greitai, kaip ir įtampa. [31]

      Rezonansinis tunelinis diodas naudoja kvantinį tunelį labai skirtingai, kad gautų panašų rezultatą. Šis diodas turi rezonansinę įtampą, kuriai daug srovės teikia pirmenybę tam tikrai įtampai, pasiekiamai šalia vienas kito uždėjus du plonus sluoksnius su dideliu energijos laidumo diapazonu. Tai sukuria kvantinį potencialo šulinį, kurio energijos lygis yra diskretus. Kai šis energijos lygis yra didesnis nei elektronų, tunelis nevyksta ir diodas yra atvirkštinis. Kai dvi įtampos energijos sutampa, elektronai teka kaip atvira viela. Toliau didėjant įtampai tuneliavimas tampa neįtikėtinas ir diodas vėl veikia kaip įprastas diodas, kol antrasis energijos lygis tampa pastebimas. [32]

      Tunelio lauko tranzistoriai Redaguoti

      Europos mokslinių tyrimų projektas parodė lauko tranzistorius, kuriuose vartai (kanalas) valdomi kvantiniais tuneliais, o ne terminiu įpurškimu, sumažinant vartų įtampą nuo ~ 1 voltų iki 0,2 voltų ir sumažinant energijos suvartojimą iki 100 ×. Jei šiuos tranzistorius būtų galima išplėsti į VLSI mikroschemas, jie pagerintų integruotų grandinių galingumą. [33] [34]

      Branduolio sintezė Redaguoti

      Kvantinis tunelis yra esminis branduolių sintezės reiškinys. Temperatūra žvaigždžių šerdyse paprastai yra nepakankama, kad atomo branduoliai galėtų įveikti Kulono barjerą ir pasiekti termobranduolinę sintezę. Kvantinis tunelis padidina tikimybę prasiskverbti į šį barjerą. Nors ši tikimybė vis dar yra maža, pakanka ypač didelio branduolių skaičiaus žvaigždės šerdyje, kad būtų palaikoma tolygi sintezės reakcija. [35]

      Radioaktyvus skilimas Redaguoti

      Radioaktyvus skilimas yra dalelių ir energijos emisija iš nestabilaus atomo branduolio, kad susidarytų stabilus produktas. Tai daroma dalelę tuneliuojant iš branduolio (į branduolį tuneliuojantis elektronas yra elektronų gaudymas). Tai buvo pirmasis kvantinio tunelio pritaikymas. Radioaktyvus skilimas yra aktuali astrobiologijos problema, nes ši kvantinio tunelio pasekmė sukuria pastovų energijos šaltinį per ilgą laiką aplinkai, esančiai už aplinkinės gyvenamosios zonos ribų, kur insoliacija nebūtų įmanoma (požeminiai vandenynai) arba veiksminga. [35]

      Astrochemija tarpžvaigždiniuose debesyse Redaguoti

      Įtraukiant kvantinį tunelį, galima paaiškinti įvairių molekulių astrochemines sintezes tarpžvaigždiniuose debesyse, pavyzdžiui, molekulinio vandenilio, vandens (ledo) ir svarbaus prebiotiko formaldehido sintezę. [35]

      Kvantinė biologija Redaguoti

      Kvantinis tunelis yra vienas iš pagrindinių ne trivialių kvantinių efektų kvantinėje biologijoje. Čia tai svarbu tiek kaip elektronų tunelis, tiek kaip protonų tuneliavimas. [36] Elektronų tuneliavimas yra pagrindinis daugelio biocheminių redoksinių reakcijų (fotosintezės, ląstelių kvėpavimo) ir fermentinės katalizės veiksnys. Protonų tuneliavimas yra pagrindinis spontaniškos DNR mutacijos veiksnys. [35]

      Spontaniška mutacija įvyksta, kai normali DNR replikacija įvyksta po to, kai ypač reikšmingas protonas išnyksta. [37] Vandenilio ryšys sujungia DNR bazių poras. Dvigubas šulinio potencialas palei vandenilio jungtį atskiria potencialų energijos barjerą. Manoma, kad dvigubo šulinio potencialas yra asimetriškas, o vienas šulinys yra gilesnis už kitą, todėl protonas paprastai ilsisi gilesniame šulinyje. Norint įvykti mutacija, protonas turi būti įsitvėręs į seklesnį šulinį. Protono judėjimas iš įprastos padėties vadinamas tautomeriniu perėjimu. Jei DNR replikacija vyksta šioje būsenoje, gali kilti pavojus pagrindinei DNR susiejimo taisyklei, sukeliančiai mutaciją. [38] Per-Olovas Lowdinas pirmasis sukūrė šią spontaniškos mutacijos dvigubos spiralės viduje teoriją. Manoma, kad kiti biologinių kvantinio tunelio sukeltų mutacijų atvejai yra senėjimo ir vėžio priežastis. [39]

      Kvantinis laidumas Redaguoti

      Nors „Drude“ elektrinio laidumo modelis leidžia puikiai prognozuoti metalų laidumo elektronuose pobūdį, jį galima toliau naudoti naudojant kvantinį tunelį, kad būtų galima paaiškinti elektrono susidūrimo pobūdį. [28] Kai laisvo elektronų bangos paketas susiduria su ilgu vienodai išdėstytų barjerų masyvu, atspindėta bangos paketo dalis vienodai trukdo perduotam tarp visų barjerų, kad būtų įmanoma perduoti 100%. Teorija prognozuoja, kad jei teigiamai įkrauti branduoliai suformuos visiškai stačiakampę masyvą, elektronai tuneliuos per metalą kaip laisvieji elektronai, dėl to susidarys itin didelis laidumas, o metalo priemaišos jį žymiai sutrikdys. [28]

      Skenuojantis tunelinis mikroskopas Redaguoti

      Gerdo Binnigo ir Heinricho Rohrerio išrastas nuskaitymo tunelinis mikroskopas (STM) gali leisti vaizduoti atskirus atomus ant medžiagos paviršiaus. [28] Jis veikia pasinaudodamas santykiu tarp kvantinio tuneliavimo ir atstumo.Kai STM adatos galas priartinamas prie laidaus paviršiaus, turinčio įtampos šališkumą, matuojant tarp adatos ir paviršiaus tuneliuojančių elektronų srovę, nustatomas atstumas tarp adatos ir paviršiaus. Naudojant pjezoelektrinius strypus, kurių dydis keičiasi, kai naudojama įtampa, galiuko aukštį galima reguliuoti, kad tunelio srovė būtų pastovi. Šiems strypams pritaikytos kintančios įtampos gali būti užregistruotos ir panaudotos laidininko paviršiui vaizduoti. [28] STM tikslumas yra 0,001 nm, arba maždaug 1% atomo skersmens. [32]

      Kinetinio izotopo efektas Redaguoti

      Cheminėje kinetikoje elemento lengvo izotopo pakeitimas sunkesniu paprastai lemia lėtesnį reakcijos greitį. Tai paprastai siejama su nulinio taško vibracinių energijų skirtumais cheminėms jungtims, turinčioms lengvesnius ir sunkesnius izotopus, ir paprastai modeliuojama naudojant perėjimo būsenos teoriją. Tačiau tam tikrais atvejais pastebimas didelis izotopų poveikis, kurio neįmanoma atsiskaityti atliekant pusiau klasikinį apdorojimą, todėl reikalingas kvantinis tunelis. R. P. Bellas sukūrė modifikuotą Arrhenius kinetikos gydymą, kuris paprastai naudojamas šio reiškinio modeliavimui. [40]

      Kai kurie fizikai teigė, kad tunelio metu nulinės nugaros dalelės gali judėti greičiau nei šviesos greitis. [4] Tai akivaizdžiai pažeidžia priežastingumo principą, nes tada egzistuoja atskaitos sistema, kurioje dalelė atkeliauja dar neišeidama. 1998 m. Francisas E. Lowas trumpai apžvelgė nulinio laiko tuneliavimo reiškinį. [41] Visai neseniai eksperimentinius fononų, fotonų ir elektronų tunelio laiko duomenis paskelbė Günteris Nimtzas. [42]

      Kiti fizikai, pavyzdžiui, Herbertas Winfulas [43], ginčijo šiuos teiginius. Winfulas teigė, kad tuneliuojančios dalelės bangų paketas plinta lokaliai, todėl dalelė negali tuneliuoti per barjerą ne lokaliai. Winfulas taip pat teigė, kad eksperimentai, kurie, kaip teigiama, rodo ne vietinį sklidimą, buvo klaidingai interpretuoti. Visų pirma, bangų paketo grupinis greitis nematuoja jo greičio, bet yra susijęs su laiko kiekiu, kurį banginis paketas saugomas užtvare. Tačiau problema išlieka ta, kad bangų funkcija vis tiek kyla barjero viduje visuose taškuose tuo pačiu metu. Kitaip tariant, bet kuriame regione, prie kurio negalima prieiti, matavimas matematiniu požiūriu vis tiek yra ne lokalus.

      2020 m. Atliktas eksperimentas, kurį prižiūrėjo Aephraimas Steinbergas, parodė, kad dalelės turėtų galėti tuneliu matomu greičiu viršyti šviesą. [44] [45]


      Išpilstykite šalčiausią pasaulyje plazmą, kad atskleistumėte sintezės energijos paslaptis

      Ryžių universiteto fizikai atrado būdą, kaip į magnetinį butelį įstrigti šalčiausią pasaulyje plazmą - tai technologinis pasiekimas, galintis paspartinti švarios energijos, kosminio oro ir astrofizikos tyrimus.

      "Norint suprasti, kaip saulės vėjas sąveikauja su Žeme, arba generuoti švarią energiją iš branduolio sintezės, reikia suprasti, kaip plazma - elektronų ir jonų sriuba - elgiasi magnetiniame lauke", - sakė Rice'o gamtos mokslų dekanas Tomas Killianas. , atitinkamas paskelbto tyrimo apie Kroatijoje autorius Fizinės apžvalgos laiškai.

      Naudodami lazeriu aušinamą stroncį, Killianas ir magistrantai Grantas Gormanas ir MacKenzie Warrensas pagamino plazmą maždaug 1 laipsniu aukščiau absoliutaus nulio arba maždaug -272 laipsnius Celsijaus ir trumpam ją įstrigo aplinkinių magnetų jėgomis. Tai yra pirmas kartas, kai ultragarta plazma yra magnetiškai uždaryta, o Killianas, daugiau nei du dešimtmečius tyrinėjęs ultrą šaltą plazmą, teigė, kad tai atveria duris tirti plazmas daugeliu atvejų.

      "Tai suteikia švarų ir kontroliuojamą bandomąjį kalną neutralioms plazmoms tirti kur kas sudėtingesnėse vietose, tokiose kaip saulės atmosfera ar baltosios nykštukinės žvaigždės", - sakė fizikos ir astronomijos profesorius Killianas. „Tikrai naudinga, kad plazma yra tokia šalta ir šios labai švarios laboratorinės sistemos. Pradėję nuo paprastos, mažos, gerai valdomos, gerai suprantamos sistemos, galite pašalinti dalį netvarkos ir tikrai izoliuoti norimą pamatyti reiškinį “.

      Ryžių universiteto absolventė MacKenzie Warrens koreguoja lazerio aušinimo eksperimentą „Rice's Ultracold Atoms and Plasmas Lab“. Kreditas: Jeffo Fitlowo / Ryžių universiteto nuotrauka

      Tai svarbu tyrimo bendraautoriui Stephenui Bradshawui, ryžių astrofizikui, kuris specializuojasi plazmos reiškinių saulėje tyrime.

      „Saulės atomosferoje (stiprus) magnetinis laukas viską pakeičia, palyginti su tuo, ko tikėtumėtės be magnetinio lauko, tačiau labai subtiliais ir sudėtingais būdais, kurie gali jus iš tikrųjų pakelti, jei neturite iš tikrųjų gerai tai suprasti “, - sakė fizikos ir astronomijos docentas Bradshawas.

      Saulės fizikai retai gali aiškiai pastebėti specifinius saulės atmosferos bruožus, nes dalis atmosferos yra tarp fotoaparato ir tų funkcijų, o nesusiję reiškiniai įsiterpiančioje atmosferoje užgožia tai, ką jie norėtų stebėti.

      "Deja, dėl šios regėjimo problemos stebėjimo plazmos savybių matavimai yra susiję su gana dideliu neapibrėžtumu", - sakė Bradshawas. "Bet kai mes geriau suprasime reiškinius ir, svarbiausia, naudosime laboratorijos rezultatus, kad išbandytume ir kalibruotume savo skaitmeninius modelius, tikimės, kad mes galime sumažinti šių matavimų neapibrėžtumą".

      Vaizdai, pagaminti naudojant lazerio sukeltą fluorescenciją, rodo, kaip greitai besiplečiantis ultravioletinės plazmos (geltonos ir auksinės) debesys elgiasi, kai jį riboja kvadrupolio magnetas. Itin šaltos plazmos sukuriamos kameros centre (kairėje) ir greitai plečiasi, paprastai išsisklaido per kelias tūkstantąsias sekundės dalis. Naudodami stiprius magnetinius laukus (rožinius), Rice'o universiteto fizikai keletą šimtųjų sekundžių dalį užstrigo ir laikė ultracold plazmas. Tyrinėdami, kaip atliekant tokius eksperimentus plazmos sąveikauja su stipriais magnetiniais laukais, mokslininkai tikisi atsakyti į klausimus, susijusius su švaria sintezės energija, saulės fizika, kosminiu oru ir kt. Kreditas: Vaizdo leidimas iš T. Killian / Rice universiteto

      Plazma yra viena iš keturių pagrindinių materijos būsenų, tačiau, skirtingai nuo kietųjų medžiagų, skysčių ir dujų, plazmos paprastai nėra kasdienio gyvenimo dalis, nes jos dažniausiai būna labai karštose vietose, tokiose kaip saulė, žaibas ar žvakių liepsna. Kaip ir tos karštos plazmos, Killiano plazmos yra elektronų ir jonų sriubos, tačiau jas atšaldo lazerinis aušinimas - technika, sukurta prieš ketvirtį amžiaus, kad sulaikytų ir sulėtintų materiją šviesa.

      Killianas teigė, kad kvadrupolinė magnetinė sąranka, kuri buvo naudojama plazmos sulaikymui, yra standartinė ultrinio šalčio sąrankos dalis, kurią jo laboratorija ir kiti naudoja ultragalvoms plazmoms gaminti. Tačiau išsiaiškinti, kaip sulaikyti plazmą su magnetais, buvo nemaloni problema, nes magnetinis laukas suardo optinę sistemą, kuria fizikai naudojasi ultravioletinėms plazmoms žiūrėti.

      "Mūsų diagnostika yra lazerio sukelta fluorescencija, kai mes spinduliuojame lazerio spindulį ant savo plazmos jonų, o jei pluošto dažnis yra tinkamas, jonai labai efektyviai išsklaidys fotonus", - sakė jis. „Galite juos nufotografuoti ir pamatyti, kur yra jonai, ir netgi galite išmatuoti jų greitį, žiūrėdami į Doplerio poslinkį, lygiai taip pat, kaip naudodamiesi radaro pistoletu, pamatysite, kaip greitai automobilis juda. Tačiau magnetiniai laukai iš tikrųjų keičiasi aplink rezonansinius dažnius, ir mes turime atskirti spektro poslinkius, atsirandančius iš magnetinio lauko iš Doplerio poslinkių, kuriuos mes norime stebėti. “

      Tai labai apsunkina eksperimentus, o kad viskas būtų dar sudėtingiau, magnetiniai laukai dramatiškai keičiasi plazmoje.

      Ryžių universiteto fizikai (iš kairės) Grantas Gormanas, Tomas Killianas ir MacKenzie Warrensas atrado, kaip į magnetinį butelį įstrigti šalčiausią pasaulyje plazmą - tai technologinis laimėjimas, galintis paspartinti švarios energijos, kosminio oro ir saulės fizikos tyrimus. Kreditas: Jeffo Fitlowo / Ryžių universiteto nuotrauka

      "Taigi mes turime spręsti ne tik magnetinį lauką, bet ir magnetinį lauką, kuris erdvėje kinta gana pagrįstai, kad suprastume duomenis ir išsiaiškintume, kas vyksta plazmoje", - sakė Killianas. „Mes metus praleidome tik bandydami išsiaiškinti, ką matome, kai gavome duomenis.“

      Eksperimentų metu plazmos elgseną dar labiau apsunkina magnetinis laukas. Būtent todėl gaudymo spąstais technika gali būti tokia naudinga.

      "Yra labai sudėtinga, nes mūsų plazma plečiasi per šias lauko linijas ir pradeda jausti jėgas ir įstrigti", - sakė Killianas. "Tai tikrai dažnas reiškinys, tačiau tai labai sudėtinga ir tai, ką mes tikrai turime suprasti".

      Vienas iš gamtos pavyzdžių yra saulės vėjas, didelės energijos plazmos srautai iš saulės, kurie sukelia aurora borealis arba šiaurės pašvaistę. Kai Saulės vėjo plazma smogia Žemei, ji sąveikauja su mūsų planetos magnetiniu lauku, o tų sąveikų detalės vis dar nėra aiškios. Kitas pavyzdys yra sintezės energijos tyrimai, kai fizikai ir inžinieriai tikisi atkurti sąlygas saulės viduje, kad sukurtų didžiulį švarios energijos kiekį.

      Ryžių universiteto plazmos fizikas Stephenas Bradshawas tiria saulės spindesius, kaitinimą saulės atmosferoje, saulės vėją ir kitus saulės fizikos reiškinius. Autorius: Jeffas Fitlowas / Ryžių universitetas

      Killianas teigė, kad keturkampio magnetinė sąranka, kurią jis, Gormanas ir Warrensas naudojo supilstydami į savo ultrakaltas plazmas, yra panašus į modelius, kuriuos sintezės energijos tyrinėtojai sukūrė 1960-aisiais. Lydymui reikalinga plazma turi būti apie 150 milijonų laipsnių Celsijaus, ir magnetinis jos talpinimas yra iššūkis, sakė Bradshawas, iš dalies dėl neatsakytų klausimų, kaip plazma ir magnetiniai laukai sąveikauja ir veikia vienas kitą.

      "Viena pagrindinių problemų yra išlaikyti magnetinį lauką pakankamai stabilų pakankamai ilgai, kad faktiškai sulaikytų reakciją", - sakė Bradshaw. „Kai tik atsiranda nedidelis magnetinio lauko sutrikimas, jis auga ir„ pfft “, branduolinė reakcija yra sugadinta.

      „Kad viskas gerai veiktų, turite išlaikyti dalykus tikrai labai stabilius“, - sakė jis. „Ir vėl pažvelgę ​​į dalykus tikrai gražioje, nesugadintoje laboratorijos plazmoje, galime geriau suprasti, kaip dalelės sąveikauja su lauku.“

      Nuoroda: & # 8220Magnetinis ultragarsinės neutralios plazmos uždarymas & # 8221, autorius: G. M. Gorman, M. K. Warrens, S. J. Bradshaw ir T. C. Killian, 2021 m. Fizinės apžvalgos laiškai.
      DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.085002

      Tyrimą palaikė Karinių oro pajėgų mokslinių tyrimų biuras ir Nacionalinio mokslo fondo absolventų tyrimų stipendijų programa.


      Įrenginio testavimas

      Norėdami patikrinti priemonės veiksmingumą, mokslininkai iš Teksaso universiteto Sveikatos mokslo centro San Antonijuje išsiuntė „HiccAway“ daugiau nei 600 žmonių, kurie bent kartą per mėnesį pranešė, kad turi žagsėjimą. Rezultatai parodė, kad įrankis sustabdė žagsėjimą 92 procentais laiko 249 dalyviams, kurių atsakymai buvo patvirtinti tyrime. Daugiau nei 90 procentų dalyvių teigė, kad tai veiksmingesnė nei namų gynimo priemonės.

      „Daugelį namų gydymo būdų sudaro fiziniai manevrai, skirti skatinti diafragmos susitraukimą ir (arba) pilvo viršaus uždarymą“, - teigiama tyrime, paskelbtame „JAMA“ tinklas atidarytas. "Šiems manevrams trūksta aiškių, standartizuotų nurodymų, juos atlikti gali būti sudėtinga, be to, yra mažai mokslinių tyrimų, jei jų yra."

      Vis dėlto verta paminėti, kad rezultatai buvo pagrįsti pačių pateiktais duomenimis, o tyrime nebuvo kontrolinės grupės. Būsimi tyrimai galėtų palyginti „HiccAway“ efektyvumą su prietaisu, kuris atrodo panašiai, bet neveikia.

      Taip pat verta atkreipti dėmesį į tai, kad jums nereikia 14 USD kainuojančio prietaiso, kuris stimuliuoja makštį ir nervinius nervus. Jums gali prireikti tik stiklinės vandens ir šiaudų. 2006 m. Straipsnis, paskelbtas Britų medicinos žurnalas pažymėjo, kad „tvirtai užkišti abi ausis, stumti tiek dešinę, tiek kairę tragus ir visą stiklinę vandens išgerti per šiaudelį be pauzės, neatleidžiant slėgio per ausis“ yra „beveik neklystantis“ būdas sustabdyti žagsėjimą.

      Ką daryti, jei niekas nesustabdo jūsų žagsėjimo? Apsvarstykite galimybę pasikonsultuoti su gydytoju: nuolatinis žagsėjimas gali signalizuoti apie pagrindines sveikatos ligas, įskaitant pankreatitą, nėštumą ir kepenų vėžį.


      Kitas žingsnis

      Suplanuokite pakabos patikrinimą

      Populiariausia šio straipsnio skaitytojų užsakyta paslauga yra pakabos tikrinimas. Nustačius problemą, jums bus pateikta išankstinė rekomenduojamos pataisos kaina ir 20,00 USD nuolaida kaip kreditas remontui. „YourMechanic“ technikai atneša jums atstovybę, atlikdami šį darbą namuose ar biure 7 dienas per savaitę nuo 7 iki 9 val. Šiuo metu aprėpiame daugiau nei 2000 miestų ir turime 100 tūkst. Ir 5 žvaigždučių apžvalgas. SUŽINOKITE DAUGIAU


      Žiūrėti video įrašą: kamuoliai 3014 (Spalio Mėn 2022).