¿Qué tan caliente puede llegar a estar el plasma?

Question

Recuerdo haber leído sobre un experimento en el que finas varillas de tungsteno fueron sobrecalentadas con millones de amperios de electricidad, fundiéndolas en gas ionizado y luego comprimidas (¿por campos magnéticos?) en plasma.

El plasma se calentó a temperaturas nunca antes alcanzadas. No puedo recordar exactamente, pero creo que eran unos cuantos mil millones de grados Fahrenheit.

Fue hace varios años, y no puedo encontrar el informe a través de un motor de búsqueda.

¿Hay un límite para la temperatura del plasma? ¿Cuál es la temperatura más alta registrada actualmente de plasma? ¿Es más caliente que las reacciones nucleares?

Answer 1

La temperatura más alta registrada de un plasma no es más caliente que las reacciones nucleares. Existe un continuo de fenómenos que ocurren a altas temperaturas que incluye y se extiende más allá de las reacciones nucleares.

Cuando las temperaturas son muy altas, tiene sentido empezar a pensar en términos de las energías involucradas en lugar de quedarse con la escala kelvin (o Fahrenheit, ugh). En equilibrio termodinámico, la energía promedio de un "grado de libertad" con temperatura $T$ es $U=\frac12 kT$. Por ejemplo, un gas ideal monoatómico tiene una energía media por partícula de $\frac32 kT$, para las traslaciones en tres dimensiones. Si tienes un sistema donde las energías permitidas vienen en partes, como los estados rotacionales y vibratorios en las moléculas, la energía media por modo es cero mientras que la temperatura $kT$ es mucho menor que la energía $E$ del primer estado excitado. Esto significa que la mayoría de los sistemas tienen una capacidad térmica mayor cuando están calientes que cuando están fríos, lo que hace que alcanzar altas temperaturas sea desafiante.

• Para la temperatura ambiente $kT \approx 25$ milielectronvoltios; esta es una energía típica para un fonón en un sólido.

• En $kT \approx 1$ electrón-voltio, una colisión típica átomo-átomo puede tener la suficiente energía para liberar un electrón. Esta es la temperatura mínima requerida para sostener un plasma denso e ionizado (La fotosfera del sol tiene $kT=0.5$ electrón-voltio, que es "exactamente la misma" en el nivel de precisión que busco aquí.)

• En $kT \approx 10^4$ electrón-voltios, incluso los átomos más pesados serán, en promedio, completamente ionizados. (La energía de unión para el electron número $Z \lesssim 100$ es $13.6\,\mathrm{eV}\cdot Z^2$.)

• En $kT \approx 0.1$ mega-electronvoltios comienzas a tener suficiente energía para excitar los núcleos internamente. Núcleos ligeros sin estados excitados estables, como el deuterio y el helio-3, pueden ser disociados. Los núcleos ligeros estables pueden superar su repulsión eléctrica y fusionarse. Esta es la escala de temperatura en el núcleo de una estrella; los tokamaks orientados a la fusión tienen que funcionar un poco más caliente, ya que las estrellas tienen la ventaja del tamaño. Los electrones a esta temperatura comienzan a ser relativistas $(m_ec^2 = 0.5\rm\,MeV)$. A medida que la temperatura pasa la masa del electrón, se desarrollará una población secular de positrones.

• En algún punto por encima de $kT \approx 10$ mega-electronvoltios, la disociación del helio estará en equilibrio con la formación de helio por fusión. La mayoría de las colisiones entre núcleos pesados tendrán suficiente energía para liberar un protón o un neutrón. Esta es probablemente la región de temperatura en estrellas pesadas, donde todos los núcleos tienden a evolucionar hacia el hierro-56 y el níquel-58.

• En $kT \approx 100$ mega-electronvoltios, la mayoría de las colisiones tienen suficiente energía para producir piones ($m_\pi c^2 = 140$ mega-electronvoltios), y muchas tienen suficiente energía para producir kaones ($m_K c^2 = 500$ mega-electronvoltios). Estas partículas inestables producirán neutrinos cuando se desintegren. Los neutrinos son muy eficientes en llevar el calor lejos de la región de interacción, por lo que las temperaturas astrofísicas a largo plazo pueden alcanzar esta escala. Las colisiones más energéticas aquí pueden producir antiprotones ($m_\bar p c^2 = 1$ giga-electronvoltios).

• Hay un factor de mil o así en energía donde mi intuición no es muy buena.

• Como se muestra en RHIC y en LHC, en algún punto alrededor de $kT \approx 200$ giga-electronvoltios comienzas a disociar los nucleones en quarks y gluones, de la misma manera que alrededor de 1 electrón-voltio comenzaste a disociar los átomos en núcleos y electrones. Nota que esto es "solo" alrededor de veinte mil millones de kelvin. El LHC actualmente apunta a 8-14 teraelectronvoltios, casi un factor de cien veces mayor en energía.

No estoy familiarizado con tu experimento de vaporización de tungsteno. Adivinaría que el tungsteno recién vaporizado podría tener una temperatura de 1-10 electrón-voltios y que al confinar y comprimir el plasma podrías aumentar su densidad de energía por un factor de 1000. Eso lo colocaría en algún lugar por debajo del extremo inferior del rango de energía para un plasma con interacciones nucleares.

Answer 2

Depende del tipo de plasma del que estés hablando. Estoy dejando de lado los plasmas de quarks y gluones, que son diferentes de otros plasmas en el sentido de que los nucleones en realidad están "rotos en pedazos".

Los plasmas más calientes en la tierra, por otro lado, son generalmente aquellos que tienen como objetivo generar reacciones de fusión nuclear en una cantidad considerable (por ejemplo, generación de energía, o estudio de estrellas, planetas, etc.). En el laboratorio, algunos instrumentos grandes han establecido impresionantes récords, más calientes que las estrellas en realidad:

• tokamaks: 100 millones de kelvin
• la Máquina Z: 2 mil millones de kelvin
• instalaciones de láser como NIF: 100 millones de kelvin

Parece que la Máquina Z es la que tiene el plasma más caliente, pero no estoy seguro de cuánto de este plasma se produce en cada una de estas instalaciones. En general, los tokamaks pueden mantener la temperatura alta durante mucho tiempo (minutos), ya que es muy diluido. Las otras dos técnicas solo pueden mantener el plasma durante nanosegundos, ya que es muy denso.