אַסטרוֹנוֹמִיָה

כמה גדול יכול להיות כדור מים בלי שמתחיל היתוך?

כמה גדול יכול להיות כדור מים בלי שמתחיל היתוך?

כמה גדול יכול להיות כדור מים בלי שמתחיל היתוך?

שאלה מוזרה: ייתכן שיהיה צורך בהסבר כלשהו. בני הצעיר עוסק ב'חלל 'ובאסטרונומיה. באחד הכרזות שלו כתוב כי שבתאי יכול לצוף אם היה ניתן למצוא אוקיינוס ​​גדול מספיק. ברור שזה לא יעבוד: האטמוספירה של שבתאי תתקלף ותצטרף לאווירת הגוף הגדול יותר, ואז הליבה הצפופה של שבתאי תשקע.

אבל האם אוקיינוס ​​כזה יכול להתקיים אפילו בלי שיתחיל היתוך?


אתה באמת צריך מודל אבולוציה כוכבי מלא כדי לענות על כך במדויק ואני לא בטוח שמישהו היה עושה את זה אי פעם עם כוכב הנשלט על ידי חמצן.

ל אפס כדי שהתשובה תהיה דומה לכוכב עשיר במתכות - כלומר בערך פי 0.075 ממסת השמש. כל פחות מזה והגמד החום (שכן זה מה שאנחנו מכנים כוכב שלעולם לא מתחמם מספיק במרכזו ליזום היתוך משמעותי) יכול להיות נתמך בלחץ ניוון אלקטרונים.

גמד כוכב / חום עם הקומפוזיציה שאתה מציע יהיה קצת שונה. הקומפוזיציה תהיה מעורבת ביסודיות והומוגנית על ידי הסעה. שים לב, מלבד שכבה דקה ליד פני השטח, המים יתנתקו לחלוטין ואטומי המימן והחמצן מיוננו לחלוטין. מכאן שצפיפות הפרוטונים בליבה תהיה נמוכה יותר לאותה צפיפות מסה מאשר ב"כוכב רגיל ". עם זאת, התלות בטמפרטורה כל כך תלולה אני חושב שזה יהיה גורם מינורי והתמזגות גרעינית תהיה משמעותית בטמפרטורה דומה.

חשיבות הרבה יותר גדולה היא שיהיו פחות אלקטרונים ופחות חלקיקים באותה צפיפות. זה מקטין הן את לחץ הניוון האלקטרוני והן את לחץ הגז הרגיל בצפיפות מסה נתונה. לכן הכוכב מסוגל להתכווץ לרדיוסים קטנים בהרבה לפני שלחץ הניוון הופך להיות חשוב ולכן יכול להגיע לטמפרטורות גבוהות יותר לאותה מסה כתוצאה מכך.

מסיבה זו אני חושב שהמסה המינימלית להתמזגות מימן של "כוכב מים" תהיה קטן יותר מאשר לכוכב העשוי בעיקר ממימן.

אבל כמה קטן יותר? זמן גב המעטפה!

השתמש במשפט הוויראלי כדי ליצור קשר בין לחץ גז מושלם לטמפרטורה, למסה ולרדיוס של כוכב. תן לאנרגיה הפוטנציאלית של כוח המשיכה להיות $ אומגה $ואז המשפט הוויראלי אומר

$$ אומגה = -3 int P dV $$

אם יש לנו רק גז מושלם אז $ P = rho kT / mu m_u $, איפה $ T $ האם הטמפרטורה, $ rho $ צפיפות המסה, $ m_u $ יחידת מסה אטומית ו $ mu $ המספר הממוצע של יחידות מסה לחלקיק בגז.

בהנחה שכוכב בצפיפות קבועה (גב המעטפה) אז $ dV = dM / rho $, איפה $ dM $ הוא קליפה המונית ו $ Omega = -3GM ^ 2 / 5R $, איפה $ R $ הוא רדיוס "הכוכבים". לכן $$ frac {GM ^ 2} {5R} = frac {kT} { mu m_u} int dM $$ $$ T = frac {GM mu m_u} {5k R} $$ וכך הטמפרטורה המרכזית $ T propto mu MR ^ {- 1} $.

עכשיו מה שאנחנו עושים זה לומר שהכוכב מתכווץ עד שבטמפרטורה זו, שטח הפאזה שנכבש על ידי האלקטרונים שלו הוא $ sim h ^ 3 $ וניוון אלקטרונים הופך להיות חשוב.

טיפול סטנדרטי בכך הוא לומר שהנפח הפיזי שתופס אלקטרון הוא $ 1 / n_e $, איפה $ n_e $ הוא צפיפות מספר האלקטרונים וכי נפח התנע שנכבש הוא $ sim (6m_e kT) ^ {3/2} $. צפיפות מספר האלקטרונים קשורה לצפיפות המסה על ידי $ n_e = rho / mu_e m_u $, איפה $ mu_e $ הוא מספר יחידות המסה לאלקטרון. למימן מיונן $ mu_e = 1 $, אבל לחמצן $ mu_e = 2 $ (כל הגז היה מיונן ליד הטמפרטורות להתמזגות גרעינית). הצפיפות הממוצעת $ rho = 3M / 4 pi R ^ 3 $.

לחבר את הדברים האלה אנחנו מקבלים $$ h ^ 3 = frac {(6m_e kT) ^ {3/2}} {n_e} = frac {4 pi mu_e} {3} שמאל ( frac {6 mu} {5} מימין) ^ {3/2} (Gm_e R) ^ {3/2} m_u ^ {5/2} M ^ {1/2} $$
לפיכך הרדיוס אליו מתכווץ הכוכב על מנת שלחץ הניוון יהיה חשוב $$ R propto mu_e ^ {- 2/3} mu ^ {- 1} M ^ {- 1/3} $$

אם כעת נחליף זאת לביטוי לטמפרטורה מרכזית, נגלה $$ T propto mu M mu_e ^ {2/3} mu M ^ {1/3} propto mu ^ 2 mu_e ^ {2/3} M ^ {4/3} $$

לבסוף, אם נטען כי הטמפרטורה להתמזגות זהה בכוכב "רגיל" ו"כוכב המים "שלנו, אז המסה בה יתרחש היתוך נתונה על ידי המידתיות. $$ M propto mu ^ {- 3/2} mu_e ^ {- 1/2} $$ .

לכוכב רגיל עם יחס מסת מימן / הליום של 75:25, אם כן $ mu simeq 16/27 $ ו $ mu_e simeq 8/7 $. עבור "כוכב מים", $ mu = 18/11 $ ו $ mu_e = 9/5 $. לפיכך אם קבוצת הפרמטרים הקודמת מובילה למסה מינימלית להתמזגות 0.075 מיליון דולר _ { odot} $ואז על ידי הגדלה $ mu $ ו $ mu_e $ זה נעשה קטן יותר על ידי הגורם המתאים $ (18 פעמים 27/11 פעמים 16) ^ {- 3/2} (9 פעמים 7/5 פעמים 8) ^ {- 1/2} = 0.173 $.

כך כוכב מים יעבור היתוך H ב 0.013 $ מיליון _ { odot} $ או בערך פי 13 ממסתו של צדק!

הערה זה עוסק רק במיזוג מימן. הכמות הקטנה של דאוטריום תתמזג בטמפרטורות נמוכות יותר. ניתוח דומה ייתן מסה מינימלית להתרחשות זו של כ -3 מסות צדק.


דוגמה לחום היתוך בעיה: התכת קרח

ליאוניד איקאן / Getty Images

  • כִּימִיָה
    • יסודות
    • חוקים כימיים
    • מולקולות
    • טבלה מחזורית
    • פרויקטים וניסויים
    • שיטה מדעית
    • בִּיוֹכִימִיָה
    • כימיה פיזיקלית
    • כימיה רפואית
    • כימיה בחיי היומיום
    • כימאים מפורסמים
    • פעילויות לילדים
    • ראשי תיבות וראשי תיבות

    חום היתוך הוא כמות אנרגיית החום הדרושה לשינוי מצב החומר של חומר ממוצק לנוזל. זה ידוע גם בשם אנטלפיה של היתוך. היחידות שלה הן בדרך כלל ג'ואלים לגרם (J / g) או קלוריות לגרם (cal / g). בעיה דוגמא זו מדגימה כיצד לחשב את כמות האנרגיה הנדרשת להמיסת דגימת קרח מים.

    המפתח העיקרי: חום היתוך להמיסת קרח

    • חום היתוך הוא כמות האנרגיה בצורת חום הדרושה לשינוי מצב החומר ממוצק לנוזל (נמס).
    • הנוסחה לחישוב חום היתוך היא: q = m · ΔHf
    • שים לב שהטמפרטורה לא משתנה בפועל כאשר החומר משנה את מצבו, ולכן הוא לא נמצא במשוואה או נחוץ לצורך החישוב.
    • פרט להמסת הליום, חום היתוך הוא תמיד ערך חיובי.

    תוכן

    סמל כימי עריכה

    דאוטריום מיוצג לעתים קרובות על ידי הסמל הכימי D. מכיוון שהוא איזוטופ של מימן עם מסה 2, הוא מיוצג גם על ידי 2
    ה
    . IUPAC מאפשר גם D וגם 2
    ה
    , אם כי 2
    ה
    מועדף. [7] סמל כימי מובהק משמש מטעמי נוחות בגלל השימוש הנפוץ של האיזוטופ בתהליכים מדעיים שונים. כמו כן, הבדל המסה הגדול שלו עם פרוטיום (1 ​​H) (לדאוטריום יש מסה של 2.014 102 u, בהשוואה למשקל אטומי מימן ממוצע של 1.007 947 u, ומסת הפרוטיום של 1.007 825 u) מקנה הבדלים כימיים לא מבוטלים עם פרוטיום. תרכובות המכילות, ואילו יחסי משקל איזוטופ בתוך יסודות כימיים אחרים אינם משמעותיים במידה רבה בהקשר זה.

    עריכת ספקטרוסקופיה

    במכניקת הקוונטים רמות האנרגיה של אלקטרונים באטומים תלויות במסה המופחתת של מערכת האלקטרונים והגרעין. לגבי אטום המימן, התפקיד של המסה המופחתת נראה בפשטות ביותר במודל בוהר של האטום, שם המסה המופחתת מופיעה בחישוב פשוט של קבוע רידברג ומשוואת ריידברג, אך המסה המופחתת מופיעה גם במשוואת שרדינגר, ומשוואת דיראק לחישוב רמות אנרגיה אטומית.

    המסה המופחתת של המערכת במשוואות אלה קרובה למסה של אלקטרון יחיד, אך נבדלת ממנה בכמות קטנה השווה ליחס המסה של האלקטרון לגרעין האטום. עבור מימן, כמות זו היא בערך 1837/1836, או 1.000545, ולדאוטריום היא קטנה עוד יותר: 3671/3670, או 1.0002725. האנרגיות של קווים ספקטרוסקופיים לדאוטריום ומימן קל (מימן -1) נבדלות אם כן ביחס של שני המספרים הללו, שהם 1.000272. אורכי הגל של כל הקווים הספקטרוסקופיים של הדאוטריום הם קצרים יותר מקווי המימן הקלילים המקבילים, בפקטור 1.000272. בתצפית אסטרונומית זה תואם לשינוי דופלר כחול פי 0.000272 ממהירות האור, או 81.6 קמ"ש. [8]

    ההבדלים בולטים הרבה יותר בספקטרוסקופיית רטט כגון ספקטרוסקופיית אינפרא אדום וספקטרוסקופיית ראמאן, [9] ובספקטרום סיבובי כגון ספקטרוסקופיית מיקרוגל מכיוון שהמסה המופחתת של הדאוטריום גבוהה במידה ניכרת מזו של פרוטיום. בספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית, לדאוטריום יש תדר NMR שונה מאוד (למשל 61 מגה-הרץ כאשר הפרוטיום הוא 400 מגה-הרץ) והוא הרבה פחות רגיש. ממיסים מחוסרים משמשים בדרך כלל ב- NMR פרוטיום על מנת למנוע את חפיפה של הממיס עם האות, אם כי יתכן גם NMR של דאוטריום בפני עצמו.

    המפץ הגדול נוקלאוזינתזה עריכה

    סבורים כי לדאוטריום היה תפקיד חשוב בקביעת מספר והיחס בין האלמנטים שנוצרו במפץ הגדול. בשילוב תרמודינמיקה ושינויים שחוללים התרחבות קוסמית, ניתן לחשב את חלקם של פרוטונים ונויטרונים בהתבסס על הטמפרטורה בנקודה שהיקום התקרר מספיק כדי לאפשר היווצרות גרעינים. חישוב זה מציין שבעה פרוטונים לכל נויטרונים בתחילת הנוקלאוגנזה, יחס שיישאר יציב גם לאחר סיום הנוקלאוגנזה. שבר זה היה לטובת פרוטונים בתחילה, בעיקר משום שהמסה התחתונה של הפרוטון העדיפה את ייצורם. עם התרחבות היקום הוא התקרר. נויטרונים ופרוטונים חופשיים הם פחות יציבים מגרעיני הליום, ולפרוטונים והנייטרונים הייתה סיבה אנרגטית חזקה ליצור הליום -4. עם זאת, יצירת הליום -4 דורשת את שלב הביניים של יצירת דאוטריום.

    במשך חלק ניכר מהדקות הספורות שלאחר המפץ הגדול שבמהלכן יכולה הייתה להתרחש נוקלאוזינתזה, הטמפרטורה הייתה גבוהה מספיק כדי שהאנרגיה הממוצעת לכל חלקיק תהיה גדולה יותר מאנרגיית הקישור של דוטריום קשורה חלש ולכן כל דויטריום שנוצר הושמד מיד. מצב זה מכונה צוואר בקבוק דאוטריום. צוואר הבקבוק עיכב את היווצרותו של כל הליום -4 עד שהיקום הפך קריר מספיק ליצירת דאוטריום (בטמפרטורה המקבילה לכ- 100 קילו-וולט). בנקודה זו, היה פרץ פתאומי של היווצרות אלמנטים (דאוטריום ראשון, שהתמזג מיד להליום). עם זאת, זמן קצר לאחר מכן, בעשרים דקות לאחר המפץ הגדול, היקום נעשה מגניב מכדי שהתמזגות גרעינית ונוקליאו-סינתזה יתרחשו. בשלב זה, השפע האלמנטרי היה כמעט קבוע, כשהשינוי היחיד הוא כאשר חלק מהתוצרים הרדיואקטיביים של נוקלאוזינתזה של המפץ הגדול (כגון טריטיום) מתפוררים. [10] צוואר הבקבוק של הדאוטריום ביצירת הליום, יחד עם היעדר דרכים יציבות לשילוב של הליום עם מימן או עם עצמו (אין גרעינים יציבים עם מספר מסה של חמש או שמונה) פירושו שכמות לא משמעותית של פחמן, או כל אלמנט כבד יותר מפחמן, שנוצר במפץ הגדול. אלמנטים אלה דרשו אפוא היווצרות בכוכבים. יחד עם זאת, כישלון נוקלאוגנזה רבה במהלך המפץ הגדול הבטיח שיהיו הרבה מימן ביקום המאוחר יותר שיוכלו ליצור כוכבים ארוכי טווח, כמו השמש שלנו.

    עריכת שפע

    דאוטריום מופיע בכמויות עקבות באופן טבעי כגז דאוטריום, כתוב 2
    ה
    2 או ד2, אך רוב האטומים הטבעיים ביקום קשורים ל- 1 טיפוסי
    ה
    אטום, גז הנקרא מימן דאוטריד (HD או 1
    ה
    2
    ה
    ). [11]

    קיומו של דאוטריום על כדור הארץ, במקום אחר במערכת השמש (כפי שאושר על ידי גששים פלנטריים), ובספקטרום הכוכבים, הוא גם נתון חשוב בקוסמולוגיה. קרינת גמא מהיתוך גרעיני רגיל מפרידה בין דאוטריום לפרוטונים ונויטרונים, ואין תהליכים טבעיים ידועים מלבד נוקלאוזינתזה של המפץ הגדול, שעשויים היה לייצר דאוטריום בכל דבר קרוב לשפע הטבעי הנצפה שלו. דאוטריום מיוצר על ידי ריקבון האשכול הנדיר, וספיגה מזדמנת של נויטרונים המופיעים באופן טבעי על ידי מימן קל, אך אלה הם מקורות סתמיים. יש מחשבה שיש מעט דאוטריום בפנים השמש וכוכבים אחרים, מכיוון שבטמפרטורות אלה תגובות היתוך הגרעיני שצורכות דאוטריום מתרחשות הרבה יותר מהר מתגובת הפרוטון-פרוטון שיוצרת דאוטריום. עם זאת, דאוטריום נמשך באטמוספירה השמש החיצונית בערך באותו ריכוז כמו ביופיטר, וזה כנראה לא השתנה מאז היווצרותה של מערכת השמש. נראה כי השפע הטבעי של דאוטריום הוא חלק דומה מאוד של מימן, בכל מקום בו נמצא מימן, אלא אם כן ישנם תהליכים ברורים בעבודה שמרכזים אותו.

    קיומו של דאוטריום בשבר ראשוני נמוך אך קבוע בכל המימן הוא עוד אחד מהטיעונים לטובת תיאוריית המפץ הגדול ביחס לתיאוריה של מצב יציב ביקום. את היחס שנצפה בין מימן להליום לדאוטריום ביקום קשה להסביר אלא במודל המפץ הגדול. ההערכה היא כי שפע הדאוטריום לא התפתח באופן משמעותי מאז ייצורם לפני כ- 13.8 מיליארד שנה. [12] מדידות דאוטריום גלקטי של שביל החלב מניתוח ספקטרלי אולטרה סגול מראים יחס של עד 23 אטומי דאוטריום למיליון אטומי מימן בענני גז לא מופרעים, הנמצא רק 15% מתחת ליחס הראשוני המשוער של WMAP של כ- 27 אטומים למיליון. מהמפץ הגדול. פירוש הדבר הוא שפחות דאוטריום הושמד ביצירת כוכבים בגלקסיה שלנו מהצפוי, או שאולי דאוטריום הוחזר על ידי נפילה גדולה של מימן ראשוני מחוץ לגלקסיה. [13] בחלל המרוחק כמה מאות שנות אור מהשמש, שפע הדאוטריום הוא רק 15 אטומים למיליון, אך ככל הנראה, ערך זה מושפע מספיחה דיפרנציאלית של דאוטריום על גרגרי אבק פחמן בחלל הבין כוכבי. [14]

    שפע הדאוטריום באטמוספירת צדק נמדד ישירות על ידי חללית הגלילאו כ- 26 אטומים למיליון אטומי מימן. תצפיות ISO-SWS מוצאות 22 אטומים למיליון אטומי מימן ביופיטר. [15] ושפע זה נחשב כמייצג קרוב ליחס הקדום של מערכת השמש. [5] מדובר בכ -17% מיחס הדאוטריום-מימן הארצי של 156 אטומי דאוטריום למיליון אטומי מימן.

    גופי שביט כמו שביט הייל-בופ ושביט האלי נמדדו כמכילים יותר דויטריום (כ- 200 אטומים D למיליון מימנים), יחסים המועשרים ביחס ליחסי הערפילית הפרוטוסולרית המשוערת, ככל הנראה בגלל חימום, ואשר הם בדומה ליחסים הנמצאים במי ים של כדור הארץ. המדידה האחרונה של כמויות דאוטריום של 161 אטומים D למיליון מימן בשביט 103P / הרטלי (אובייקט חגורת קויפר לשעבר), יחס כמעט בדיוק באוקיאנוסים של כדור הארץ, מדגישה את התיאוריה כי מי השטח של כדור הארץ עשויים להיות בעיקר נגזרים משביטים. [4] [5] לאחרונה יחס הדאוטריום – פרוטיום (D – H) של 67P / Churyumov – Gerasimenko, כפי שנמדד על ידי רוזטה הוא בערך פי שלושה מזה של כדור הארץ, נתון גבוה. [6] זה גרם להתעניינות מחודשת בהצעות שמי כדור הארץ עשויים להיות מקורם אסטרואידלי.

    כמו כן נצפה כי דאוטריום מרוכז על פני השפע הממוצע של השמש בכוכבי לכת יבשתיים אחרים, בפרט מאדים ונוגה. [16]

    עריכת הפקה

    דאוטריום מיוצר למטרות תעשייתיות, מדעיות וצבאיות, על ידי התחלה במים רגילים - חלק קטן מהם הם מים כבדים המתרחשים באופן טבעי - ואז הפרדת המים הכבדים בתהליך הגופרית של גירדלר, בזיקוק או בשיטות אחרות.

    בתיאוריה, דאוטריום למים כבדים יכול להיווצר בכור גרעיני, אך הפרדה ממים רגילים היא תהליך הייצור בתפזורת הזול ביותר.

    הספקית המובילה בעולם של דאוטריום הייתה Atomic Energy of Canada Limited עד 1997, אז הושבת מפעל המים הכבדים האחרון. קנדה משתמשת במים כבדים כמנחה נויטרונים להפעלת תכנון הכור CANDU.

    יצרנית גדולה נוספת של מים כבדים היא הודו. כל צמחי האנרגיה האטומית של הודו פרט לאחד הם צמחי מים כבדים בלחץ, המשתמשים באורניום טבעי (כלומר לא מועשר). בהודו שמונה מפעלי מים כבדים, מתוכם שבעה פועלים. שישה מפעלים, מתוכם חמישה פועלים, מבוססים על חילופי D-H בגז אמוניה. שני הצמחים האחרים מפיקים דאוטריום ממים טבעיים בתהליך המשתמש בגז מימן גופרתי בלחץ גבוה.

    בעוד שהודו מספיקה את עצמה במים כבדים לשימוש עצמי, הודו מייצאת כעת גם מים כבדים בכור.

    מאפיינים פיזיים עריכה

    התכונות הפיזיקליות של תרכובות דאוטריום יכולות להפגין השפעות איזוטופ קינטיות משמעותיות והבדלי מאפיינים פיזיים וכימיים אחרים מאנלוגי הפרוטיום. ד2O, למשל, צמיג יותר מ- H2O. [17] מבחינה כימית, ישנם הבדלים באנרגיית הקשר ובאורך של תרכובות של איזוטופי מימן כבדים בהשוואה לפרוטיום, הגדולים מההבדלים האיזוטופיים בכל יסוד אחר. אג"ח הכוללות דאוטריום וטריטיום חזקות במקצת מהקשרים המקבילים בפרוטיום, והבדלים אלה מספיקים בכדי לגרום לשינויים משמעותיים בתגובות הביולוגיות. חברות תרופות מעוניינות בעובדה שקשה יותר להסיר מדאוטריום מפחמן מאשר לפרוטיום. [18]

    דאוטריום יכול להחליף פרוטיום במולקולות מים ליצירת מים כבדים (D2O), שהם כ -10.6% צפופים יותר ממים רגילים (כך שקרח המיוצר מהם שוקע במים רגילים). מים כבדים רעילים מעט בבעלי חיים אוקריוטים, כאשר 25% החלפת מי הגוף גורמת לבעיות חלוקת תאים וסטריליות, והחלפה של 50% גורמת למוות על ידי תסמונת ציטוטוקסית (אי ספיקת מח עצם וכישלון רירית העיכול). אולם אורגניזמים פרוקריוטים יכולים לשרוד ולצמוח במים כבדים טהורים, אם כי הם מתפתחים לאט. [19] למרות רעילות זו, צריכת מים כבדים בנסיבות רגילות אינה מהווה איום בריאותי על בני האדם. ההערכה היא כי אדם במשקל 70 ק"ג עשוי לשתות 4.8 ליטר מים כבדים ללא השלכות חמורות. [20] מינונים קטנים של מים כבדים (כמה גרם בבני אדם, המכילים כמות של דאוטריום השווה לזו הקיימת בדרך כלל בגוף) משמשים באופן שגרתי כמנתבים מטבוליים לא מזיקים בבני אדם ובעלי חיים.

    מאפיינים קוונטיים עריכה

    לדאוטרון יש ספין +1 ("מצב שלישייה") ולכן הוא בוזון.תדר ה- NMR של דאוטריום שונה משמעותית ממימן אור נפוץ. ספקטרוסקופיית אינפרא-אדום מבדילה בקלות גם תרכובות מחוסרות רבות, בגלל ההבדל הגדול בתדירות ספיגת ה- IR שנראה ברטט של קשר כימי המכיל דאוטריום, לעומת מימן קל. ניתן להבחין בין שני האיזוטופים היציבים של מימן באמצעות ספקטרומטר מסה.

    גרעין הדריוטון השלישי כמעט ולא קשור ל- E.ב = 2.23 MeV, ואף אחד ממצבי האנרגיה הגבוהים אינו קשור. הסינגל דאוטרון הוא מצב וירטואלי, עם אנרגיה מחייבת שלילית של

    60 keV. אין חלקיק יציב שכזה, אך חלקיק וירטואלי זה קיים באופן חולף בזמן פיזור לא-אלסטי של נויטרונים, מהווה את חתך פיזור הנויטרונים הגדול באופן יוצא דופן של הפרוטון. [21]

    תכונות גרעיניות (הדויטרון) עריכה

    מסת רדיוס ורדיוס עריכה

    גרעין הדאוטריום נקרא a דויטרון. יש לו מסה של 2.013 553 212 745 (40) u (קצת יותר מ 1.875 GeV). [22] [23]

    רדיוס המטען של הדויטרון הוא 2.127 99 (74) fm. [24]

    כמו רדיוס הפרוטון, מדידות המשתמשות בדאוטריום מיואני מניבות תוצאה קטנה יותר: 2.125 62 (78) fm. [25]

    ספין ואנרגיה עריכה

    דאוטריום הוא אחד מחמישה גרעינים יציבים בלבד עם מספר אי זוגי של פרוטונים ומספר אי זוגי של נויטרונים. (2
    ה
    , 6
    לי
    , 10
    ב
    , 14
    נ
    , 180 מטר
    טא
    כמו כן, הגרעינים הרדיואקטיביים ארוכי הטווח 40
    ק
    , 50
    ו
    , 138
    לָה
    , 176
    לו
    מתרחשים באופן טבעי.) רוב הגרעינים המוזרים-מוזרים אינם יציבים ביחס להתפרקות בטא, מכיוון שמוצרי הריקבון הם אחידים, ולכן הם קשורים חזק יותר בגלל השפעות זיווג גרעיני. דאוטריום, לעומת זאת, מרוויח מכך שהפרוטון והנויטרונים שלהם מחוברים למצב ספין-1, מה שמעניק משיכה גרעינית חזקה יותר, כאשר מצב הספין -1 המקביל אינו קיים במערכת הדו-נויטרונית או הדו-פרוטונית, עקב אי הכללת פאולי. עקרון שיחייב חלקיק זהה זה או אחר עם אותו סיבוב שיהיה לו מספר קוונטי שונה אחר, כגון תנע זוויתי מסלולי. אך תנע זוויתי מסלולי של חלקיק זה נותן אנרגיה מחייבת נמוכה יותר למערכת, בעיקר בשל הגדלת המרחק של החלקיקים בשיפוע התלול של הכוח הגרעיני. בשני המקרים הדבר גורם לכך שהגרעין הדיפרוטון והדינוטרון אינו יציב.

    ניתן לנתק את הפרוטון והנויטרונים המרכיבים את דאוטריום באמצעות אינטראקציות נייטרליות נוכחיות עם נייטרינים. חתך רוחב לאינטראקציה זו גדול יחסית, ודאוטריום שימש בהצלחה כיעד נייטרינו בניסוי מצפה הכוכבים נודרינו סודברי.

    דאוטריום דיאטומי (D2) יש איזומרים של ספין גרעיני אורטו ופרה כמו מימן דיאטומי, אך עם הבדלים במספר ובאוכלוסיית מצבי הסחרור ורמות הסיבוב, המתרחשים מכיוון שהדויטרון הוא בוזון עם ספין גרעיני השווה לאחד. [26]

    מצב הסינגל איזוספין של דויטרון עריכה

    בשל הדמיון בתכונות המסה והגרעין בין הפרוטון לנויטרון, הם נחשבים לפעמים כשני סוגים סימטריים של אותו אובייקט, גרעין. בעוד שרק לפרוטון יש מטען חשמלי, זה לרוב זניח בגלל חולשת האינטראקציה האלקטרומגנטית ביחס לאינטראקציה הגרעינית החזקה. הסימטריה המתייחסת לפרוטון ולנויטרון מכונה איזוספין ומסומנת אני (או לפעמים ט).

    איזוספין היא סימטריה של SU (2), כמו ספין רגיל, ולכן היא מקבילה לה לחלוטין. הפרוטון והנויטרון, שלכל אחד מהם איזוספין -1 / 2, יוצרים כפילת איזוספין (אנלוגית לכפילת ספין), כאשר מצב "למטה" (↓) הוא נויטרון ומצב "למעלה" (↑) הוא פּרוֹטוֹן. [ צורך בציטוט ] זוג גרעינים יכול להיות במצב אנטי-סימטרי של איזוספין הנקרא סינגלט, או במצב סימטרי הנקרא שלישיה. במונחים של מצב "למטה" ומצב "למעלה", הסינגל הוא

    זהו גרעין עם פרוטון אחד וניוטרון אחד, כלומר גרעין דאוטריום. השלישייה היא

    וכך מורכב משלושה סוגים של גרעינים, שאמורים להיות סימטריים: גרעין דאוטריום (למעשה מצב מאוד נרגש ממנו), גרעין עם שני פרוטונים וגרעין עם שני נויטרונים. מדינות אלה אינן יציבות.

    תפקוד גל משוער של עריכת הדויטרון

    תפקוד גלי הדאוטרון חייב להיות אנטי-סימטרי אם משתמשים בייצוג האיזוספין (מכיוון שפרוטון ונויטרון אינם חלקיקים זהים, תפקוד הגל אינו צריך להיות אנטי-סימטרי באופן כללי). מלבד איזוספין שלהם, לשני הגרעינים יש גם התפלגויות ספין ומרחבי של תפקוד הגל שלהם. האחרון הוא סימטרי אם הדאוטרון הוא סימטרי תחת זוגיות (כלומר יש זוגיות "זוגית" או "חיובית"), ואנטי-סימטרי אם הדויטרון אנטי-סימטרי תחת זוגיות (כלומר יש זוגיות "מוזרה" או "שלילית"). הזוגיות נקבעת במלואה על ידי המומנטום הזוויתי המקיף של שני הגרעינים: אם היא זוגית אז הזוגיות היא (חיובית), ואם היא מוזרה אז הזוגיות היא מוזרה (שלילית).

    הדאוטרון, בהיותו סינגל איזוספין, הוא אנטי-סימטרי תחת חילופי גרעינים עקב איזוספין, ולכן עליו להיות סימטרי תחת חילוף כפול של הסיבוב והמיקום שלהם. לכן זה יכול להיות באחד משני המצבים השונים הבאים:

    • ספין סימטרי וסימטרי תחת זוגיות. במקרה זה, חילופי שני הגרעינים מכפילים את תפקוד גלי הדאוטריום ב- (-1) ממחלף איזוספין, (+1) מחילופי ספין ו- (+1) משוויון (חילופי מיקום), בסך הכל (-1 ) לפי הצורך לאנטי-סימטריה.
    • ספין אנטי-סימטרי ואנטי-סימטרי תחת זוגיות. במקרה זה, חילופי שני הגרעינים מכפילים את תפקוד גלי הדאוטריום ב (-1) ממחלף איזוספין, (-1) מחילופי ספין ו- (-1) מזוגיות (חילופי מיקום), שוב בסכום כולל של (- 1) לפי הצורך לאנטי-סימטריה.

    במקרה הראשון הדאוטרון הוא שלישיית ספין, כך שהסיבוב הכולל שלו ס הוא 1. יש לו גם זוגיות אחידה ולכן אפילו מומנטום זוויתי מסלולי l ככל שהתנע הזוויתי במסלולו נמוך יותר, כך האנרגיה שלו נמוכה יותר. לכן יש למצב האנרגיה הנמוך ביותר האפשרי ס = 1 , l = 0 .

    במקרה השני הדויטרון הוא סינגל ספין, כך שהסיבוב הכולל שלו ס הוא 0. יש לו גם זוגיות מוזרה ולכן מומנטום זוויתי מסלולי מוזר l. לכן יש למצב האנרגיה הנמוך ביותר האפשרי ס = 0 , l = 1 .

    מאז ס = 1 נותן משיכה גרעינית חזקה יותר, מצב הקרקע הדאוטריום נמצא ב ס =1 , l = 0 מצב.

    אותם שיקולים מובילים למצבים האפשריים של שלישיית איזוספין ס = 0 , l = אפילו או ס = 1 , l = מוזר. כך יש למצב האנרגיה הנמוכה ביותר ס = 1 , l = 1, גבוה מזה של הסינגל איזוספין.

    הניתוח שניתן זה עתה הוא רק מקורב, הן מכיוון שאיזוספין אינו סימטריה מדויקת, וחשוב מכך מכיוון שהאינטראקציה הגרעינית החזקה בין שני הגרעינים קשורה למומנטום הזוויתי באינטראקציה בין ספין למסלול המערבב שונה. ס ו l מדינות. זה, ס ו l אינם קבועים בזמן (הם לא נוסעים עם המילטוניאן), ועם הזמן מדינה כמו ס = 1 , l = 0 עשוי להפוך למצב של ס = 1 , l = 2. הזוגיות עדיין קבועה בזמן ולכן אלה אינם מתערבבים עם מוזר l מדינות (כגון ס = 0 , l = 1). לכן, המצב הקוונטי של הדאוטריום הוא סופרפוזיציה (שילוב לינארי) של ה- ס = 1 , l = 0 המדינה וה ס = 1 , l = 2 מצב, למרות שהרכיב הראשון גדול בהרבה. מאז המומנטום הזוויתי הכולל j הוא גם מספר קוונטי טוב (הוא קבוע בזמן), שני המרכיבים חייבים להיות זהים j, ולכן j = 1. זהו הסיבוב הכולל של גרעין הדאוטריום.

    לסיכום, גרעין הדאוטריום הוא אנטי-סימטרי מבחינת איזוספין, ויש לו זוגיות ספין 1 ואפילו (+1). המומנטום הזוויתי היחסי של הגרעינים שלו l אינו מוגדר היטב, והדויטרון הוא סופרפוזיציה של בעיקר l = 0 עם כמה l = 2 .

    מולטי פולנים מגנטיים וחשמליים עריכה

    על מנת למצוא באופן תיאורטי את רגע הדיפול המגנטי הדיאוטריום μ, משתמשים בנוסחה למומנט מגנטי גרעיני

    g (l) ו- g (s) הם גורמי g של הגרעינים.

    מכיוון שלפרוטון והנויטרון יש ערכים שונים עבור g (l) ו- g (s), יש להפריד בין תרומתם. כל אחד מהם מקבל מחצית מהמומנטום הזוויתי של מסלול הדויטריום l → < displaystyle < vec >> וסיבובים s → < displaystyle < vec >>. אחד מגיע ל

    כאשר מנויי p ו- n מייצגים את הפרוטון והניטרון, ו- g (l) נ = 0 .

    על ידי שימוש באותן זהויות כמו כאן ושימוש בערך g (l) עמ ' = 1, אנו מגיעים לתוצאה הבאה, ביחידות של המגנטון הגרעיני μנ

    בשביל ה ס = 1 , l = 0 מצב ( j = 1), אנו משיגים

    בשביל ה ס = 1 , l = 2 מצב ( j = 1), אנו משיגים

    הערך הנמדד של רגע הדיפול המגנטי הדאוטריום הוא 0.857 מיקרונ , שהם 97.5% מה- 0.879 μנ ערך המתקבל על ידי הוספת רגעים של פרוטון ונויטרון. זה מצביע על כך שמצב הדאוטריום הוא אכן בקירוב טוב ס = 1 , l = 0 מצב, המתרחש כששני הגרעינים מסתובבים באותו כיוון, אך הרגעים המגנטיים שלהם גוררים בגלל הרגע השלילי של הנויטרונים.

    אבל המספר הניסויי הנמוך במקצת מזה שנובע מתוספת פשוטה של ​​רגעי פרוטון ורגעי נויטרונים (שליליים) מראה כי דאוטריום הוא למעשה שילוב לינארי של בעיקר ס = 1 , l = 0 מצב עם תערובת קלה של ס = 1 , l = 2 מצב.

    הקוואדרופול החשמלי הנמדד של הדאוטריום הוא 0.2859 e · fm 2. אמנם סדר הגודל סביר, מכיוון שרדיוס הדאוטריום הוא בסדר גודל של פמטומטר אחד (ראה להלן) והמטען החשמלי שלו הוא e, המודל שלעיל אינו מספיק לחישובו. ליתר דיוק, הארבע החשמלי אינו מקבל תרומה מה- l = 0 המדינה (שהיא הדומיננטית) ומקבלת תרומה ממונח שמערבב את l = 0 וה- l = 2 מצבים, מכיוון שמפעיל הארבע החשמלי אינו נוסע במומנטום זוויתי.

    התרומה האחרונה דומיננטית בהיעדר טהור l = תרומה 0, אך לא ניתן לחשב אותה מבלי לדעת את הצורה המרחבית המדויקת של פונקציית הגל הגרעיני בתוך הדאוטריום.

    לא ניתן לחשב רגעים מרובי-מוטיים מגנטיים וחשמליים על ידי המודל הנ"ל, מסיבות דומות.

    לדאוטריום מספר שימושים מסחריים ומדעיים. אלו כוללים:

    כורים גרעיניים עריכה

    דאוטריום משמש בכורי ביקוע במים כבדים, בדרך כלל כ- D נוזלי2O, להאט נויטרונים ללא ספיגת נויטרונים גבוהה של מימן רגיל. [27] זהו שימוש מסחרי נפוץ עבור כמויות גדולות יותר של דאוטריום.

    בכורי מחקר, נוזל D2 משמש במקורות קרים למתן נויטרונים לאנרגיות ואורכי גל נמוכים מאוד המתאימים לניסויים בפיזור.

    באופן ניסיוני, דאוטריום הוא הגרעין הנפוץ ביותר המשמש בתכנון כורי היתוך גרעיני, במיוחד בשילוב עם טריטיום, בגלל קצב התגובה הגדול (או החתך הגרעיני) ותפוקת האנרגיה הגבוהה של תגובת ה- D-T. יש תשואה גבוהה עוד יותר - 3
    הוא
    תגובת היתוך, אם כי נקודת השבירה של D– 3
    הוא
    גבוה מזה של רוב תגובות היתוך אחרות יחד עם המחסור של 3
    הוא
    זה הופך את זה לבלתי סביר כמקור כוח מעשי עד שלפחות תגובות פיוז'ן D-T ו- D-D בוצעו בקנה מידה מסחרי. מיזוג גרעיני מסחרי הוא עדיין לא טכנולוגיה מושלמת.

    ספקטרוסקופיית NMR עריכה

    הדאוטריום משמש לרוב בספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית במימן (פרוטון NMR) באופן הבא. NMR בדרך כלל דורש לנתח תרכובות מעניינות כמומסות בתמיסה. בגלל תכונות הספין הגרעיני של דאוטריום הנבדלות ממימן הקל הקיים בדרך כלל במולקולות אורגניות, ספקטרום ה- NMR של מימן / פרוטיום נבדל מאוד מזה של דאוטריום, ובפועל דויטריום אינו "נראה" על ידי מכשיר NMR המכוון למימן קל. . ממסים מחוסרים (כולל מים כבדים, אך גם תרכובות כמו כלורופורם מחוספס, CDCl3לכן משמשים באופן שגרתי בספקטרוסקופיית NMR, על מנת לאפשר למדוד רק את ספקטרום האור-מימן של התרכובת המעניינת, ללא הפרעה של אות ממס.

    בעזרת ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית ניתן להשתמש גם בכדי להשיג מידע על סביבתו של הדויטרון בדגימות שכותרתו איזוטופית (Deuterium NMR). לדוגמא, ניתן לכמת את הגמישות בזנב, שהיא שרשרת פחמימנים ארוכה, במולקולות ליפידים שכותרתן דוטריום באמצעות NMR של דאוטריום במצב מוצק. [28]

    ספקטרום ה- NMR של דאוטריום אינפורמטיבי במיוחד במצב מוצק בגלל רגע הקו-רב-פול שלו הקטן יחסית בהשוואה לאלה של גרעינים רב-קוטביים גדולים יותר כמו כלור -35, למשל.

    מעקב אחר עריכה

    בתחום הכימיה, הביוכימיה ומדעי הסביבה, דאוטריום משמש כמנתב איזוטופי שאינו רדיואקטיבי ויציב, למשל, במבחן המים המסומן כפול. בתגובות כימיות ובמסלולים מטבוליים, דאוטריום מתנהג באופן דומה במקצת למימן רגיל (עם כמה הבדלים כימיים, כאמור). ניתן להבחין בין מימן רגיל בקלות על ידי המסה שלו, באמצעות ספקטרומטר מסה או ספקטרומטריית אינפרא אדום. ניתן לזהות דאוטריום באמצעות ספקטרוסקופיה אינפרא-אדום של femtosecond, מכיוון שהפרש המסה משפיע באופן דרסטי על תדירות התנודות המולקולריות, תנודות קשרי דאוטריום ופחמן נמצאות באזורים ספקטרליים ללא אותות אחרים.

    למדידות של שינויים קטנים בשפע הטבעי של דאוטריום, יחד עם אלו של איזוטופי החמצן הכבדים והיציבים 17 O ו- 18 O, יש חשיבות בהידרולוגיה כדי להתחקות אחר מקורם הגיאוגרפי של מי כדור הארץ. האיזוטופים הכבדים של מימן וחמצן במי גשמים (מה שמכונה מים מטאורים) מועשרים כפונקציה של הטמפרטורה הסביבתית של האזור בו יורדת המשקעים (וכך העשרה קשורה לרוחב הממוצע). ההתעשרות היחסית של האיזוטופים הכבדים במי גשמים (כמשמעותם מי ים באוקיאנוס), כאשר מתוכננת כנגד הטמפרטורה נופלת כצפוי לאורך קו המכונה קו המים המטאורי העולמי (GMWL). חלקה זו מאפשרת לזהות דגימות של מים שמקורם במשקעים יחד עם מידע כללי על האקלים בו מקורם. תהליכי אידוי ואחרים בגופי מים, וגם תהליכי מי תהום, משנים באופן דיפרנציאלי את יחסי האיזוטופים הכבדים של מימן וחמצן במים מתוקים ומלוחים, בדרכים אופייניות ולעתים קרובות ייחודיות לאזור. [29] יחס הריכוז בין 2 H ל- 1 H מסומן בדרך כלל עם דלתא כ- δ 2 H והדפוסים הגיאוגרפיים של ערכים אלה מתוארים במפות המכונות איסקופים. איזוטופים יציבים משולבים בצמחים ובעלי חיים וניתוח היחסים בציפור או חרק מהגרים יכול לעזור בהצעת מדריך גס למקורותיהם. [30] [31]

    מאפייני ניגודיות עריכה

    טכניקות פיזור נויטרונים מרוויחות במיוחד מהזמינות של דגימות מחוסרות: חתכי H ו- D הם שונים מאוד ושונים זה מזה, מה שמאפשר וריאציה ניגודית בניסויים כאלה. יתר על כן, בעיית מטרד של מימן רגיל הוא חתך הנויטרונים הלא-קוהרנטי הגדול שלו, שהוא אפס עבור D. החלפת אטומי הדאוטריום באטומי מימן ובכך מפחיתה את רעש הפיזור.

    מימן הוא מרכיב חשוב ועיקרי בכל חומרי הכימיה האורגנית ומדעי החיים, אך הוא בקושי מתקשר עם צילומי רנטגן. מכיוון שמימן (ודאוטריום) מתקשר חזק עם נויטרונים, טכניקות פיזור נויטרונים, יחד עם מתקן דהויטרציה מודרני, [32] ממלאות נישה במחקרים רבים על מקרומולקולות בביולוגיה ובתחומים רבים אחרים.

    נשק גרעיני עריכה

    להלן נדון. ראוי לציין שלמרות שרוב הכוכבים, כולל השמש, מייצרים אנרגיה במשך רוב חייהם על ידי מיזוג מימן לאלמנטים כבדים יותר, היתוך כזה של מימן קל (פרוטיום) מעולם לא הצליח בתנאים הניתנים להשגה על פני כדור הארץ. לפיכך, כל היתוך מלאכותי, כולל מיזוג מימן המתרחש במה שמכונה פצצות מימן, דורש מימן כבד (טריטיום או דאוטריום, או שניהם) על מנת שהתהליך יעבוד.

    עריכת סמים

    תרופה מחוספסת הינה מוצר תרופתי מולקולה קטן בו אחד או יותר מאטומי המימן הכלולים במולקולת התרופות הוחלפו בדאוטריום. בגלל האפקט האיזוטופי הקינטי, תרופות המכילות דאוטריום עשויות להיות בעלות שיעורי חילוף חומרים נמוכים משמעותית, ומכאן מחצית חיים ארוכה יותר. [33] [34] [35] בשנת 2017 הפכה הדוטטרבנזין לתרופה המחוסלת הראשונה שקיבלה את אישור ה- FDA. [36]

    חומרים מזינים חיוניים מחוזקים

    ניתן להשתמש בדאוטריום לחיזוק קשרי C-H פגיעים בחמצון בתוך חומרים מזינים חיוניים או חיוניים, [37] כגון חומצות אמינו מסוימות, או חומצות שומן רב בלתי רוויות (PUFA), מה שהופך אותם לעמידים יותר בפני נזקי חמצון. חומצות שומן רב בלתי רוויות מחוסרות, כמו חומצה לינולאית, מאיטות את תגובת השרשרת של חמצון השומנים הפוגעות בתאים החיים. [38] [39] אסתר אתילי מחוסל של חומצה לינולאית (RT001), שפותח על ידי Retrotope, נמצא במבחן שימוש רחום בניוון נוירואקסונלי אינפנטילי והשלים בהצלחה ניסוי שלב I / II באטקסיה של פרידריך. [40] [36]

    ערוך תרמו-ייצוב

    ניתן לייצב חיסונים חיים, כגון חיסון נגד פוליבירוסים דרך הפה, על ידי דאוטריום, לבד או בשילוב עם מייצבים אחרים כגון MgCl2. [41]

    תנודות היממה האטה עריכה

    הוכח כי דאוטריום מאריך את תקופת התנודה של השעון הימתי כאשר הוא מנוהל בחולדות, אוגרים וגוניאולקס דינו-פלאגלטים. [42] [43] [44] [45] בחולדות צריכה כרונית של 25% D2O משבש את הקצביות של היממה על ידי הארכת התקופה היממה של מקצבים תלויי גרעין סופרכיאסמטיים בהיפותלמוס המוח. [46] ניסויים באוגרים תומכים גם בתיאוריה לפיה דאוטריום פועל ישירות על הגרעין הסופרכיאזמטי כדי להאריך את התקופה היממה החופשית. [47]

    חשד לאיזוטופים של אלמנטים קלים יותר

    קיומם של איזוטופים לא-רדיואקטיביים של אלמנטים קלים יותר נחשד במחקרים על ניאון כבר בשנת 1913, והוכח באמצעות ספקטרומטריית מסה של אלמנטים קלים בשנת 1920. התיאוריה הרווחת באותה תקופה הייתה כי איזוטופים של יסוד נבדלים בקיומם של נוספים פרוטונים בגרעין מלווה במספר שווה של אלקטרונים גרעיניים. בתיאוריה זו, גרעין הדאוטריום בעל מסה שתיים ומטען אחד יכיל שני פרוטונים ואלקטרון גרעיני אחד. עם זאת, היה צפוי כי היסוד מימן עם מסה אטומית ממוצעת מדודה קרוב מאוד ל- 1 u, המסה הידועה של הפרוטון, תמיד יש גרעין המורכב מפרוטון יחיד (חלקיק ידוע), ולא יכול להכיל פרוטון שני. . לפיכך, נחשב כי למימן אין איזוטופים כבדים.

    דאוטריום זיהה עריכה

    זה התגלה לראשונה בספקטרוסקופיה בסוף שנת 1931 על ידי הרולד אורי, כימאי מאוניברסיטת קולומביה.משתף הפעולה של אורי, פרדיננד בריקוודדה, מזקק חמישה ליטרים של מימן נוזלי המיוצר בקריאוג'ין ל -1 מ"ל נוזל, תוך שימוש במעבדת הפיזיקה בטמפרטורה נמוכה שהוקמה לאחרונה בלשכה הלאומית לתקנים בוושינגטון הבירה (כיום המכון הלאומי לתקנים ו טֶכנוֹלוֹגִיָה). הטכניקה שימשה בעבר לבידוד איזוטופים כבדים של ניאון. טכניקת ההקפאה הקריוגנית ריכזה את חלקו של איזוטופ מסה 2 של מימן במידה שהפכה את הזיהוי הספקטרוסקופי שלו לחד משמעי. [48] ​​[49]

    מתן שם לאיזוטופ ולעריכת פרס נובל

    אורי יצר את השמות פרוטיום, דאוטריום, ו טריטיום במאמר שפורסם בשנת 1934. השם מבוסס בחלקו על עצותיו של ג 'נ' לואיס שהציע את השם "דוטיום". השם נגזר מיוונית דאוטרוס ('שני'), והגרעין שייקרא "דויטרון" או "דוטון". איזוטופים ואלמנטים חדשים קיבלו באופן מסורתי את השם עליו החליט מגלהם. כמה מדענים בריטים, כמו ארנסט רתרפורד, רצו שהאיזוטופ ייקרא "דיפלוגן", מהיוונית. דיפלואים ('כפול'), והגרעין שייקרא "דיפלון". [3] [50]

    הכמות שהוסברה לשפע תקין של איזוטופ כבד זה של מימן הייתה כה קטנה (אטום אחד בלבד ב -6400 אטומי מימן במי האוקיאנוס (156 דאוטריומים למיליון מימנים)) עד כי לא השפיע באופן ניכר על מדידות קודמות של מסת אטום מימן (ממוצע). . זה הסביר מדוע לא נחשד קודם לכן בניסוי. אורי הצליח לרכז מים כדי להראות העשרה חלקית של הדאוטריום. לואיס הכין את הדגימות הראשונות של מים כבדים טהורים בשנת 1933. גילוי הדאוטריום, שהגיע לפני גילוי הנויטרון בשנת 1932, היה הלם ניסיוני בתיאוריה, אך כאשר דווח על הנויטרון, מה שהופך את קיומו של הדאוטריום להסביר יותר, דויטריום ניצח. אורי פרס נובל לכימיה בשנת 1934. לואיס נמרץ על ידי העברתו על הכרה זו שניתנה לתלמידו לשעבר. [3]

    ניסויי "מים כבדים" במלחמת העולם השנייה עריכה

    זמן קצר לפני המלחמה העבירו הנס פון חלבן ולו קוארסקי את מחקריהם על מתינות נויטרונים מצרפת לבריטניה והעבירו את כל אספקת המים הכבדים העולמית (שנעשתה בנורבגיה) על פני עשרים ושש תופי פלדה. [51] [52]

    במהלך מלחמת העולם השנייה, היה ידוע כי גרמניה הנאצית ערכה ניסויים באמצעות מים כבדים כמנחה לתכנון כור גרעיני. ניסויים כאלה היו מקור לדאגה מכיוון שהם עשויים לאפשר להם לייצר פלוטוניום לפצצה אטומית. בסופו של דבר זה הוביל לפעולת בעלות הברית שנקראה "חבלה במים כבדים נורווגיים", שמטרתה להשמיד את מתקן ייצור / העשרת הדאוטריום בוומורק בנורווגיה. באותה תקופה זה נחשב חשוב להתקדמות פוטנציאלית של המלחמה.

    לאחר סיום מלחמת העולם השנייה גילו בעלות הברית כי גרמניה לא משקיעה מאמץ רציני בתוכנית כפי שחשבו בעבר. הם לא הצליחו לקיים תגובת שרשרת. הגרמנים השלימו רק כור ניסיוני קטן, שנבנה בחלקו (שהוסתר). בסוף המלחמה לא היה לגרמנים אפילו חמישית מכמות המים הכבדים הדרושים להפעלת הכור, [ יש צורך בבירור ] חלקית עקב פעולת החבלה של נורבגיה במים כבדים. עם זאת, גם אם הגרמנים היו מצליחים להפעיל כור (כפי שעשתה ארה"ב עם כור גרפיט בסוף 1942), הם עדיין היו רחוקים לפחות כמה שנים מפיתוח פצצה אטומית. התהליך ההנדסי, אפילו במאמץ ובמימון מרבי, נדרש כשנתיים וחצי (מכור קריטי ראשון להפצצה) גם בארה"ב וגם בברית המועצות, למשל.

    בכלי נשק תרמו גרעיניים עריכה

    מכשיר אייבי מייק בן 62 הטון שנבנה על ידי ארצות הברית והתפוצץ ב -1 בנובמבר 1952, היה "פצצת המימן" הראשונה (פצצה תרמו גרעינית) שהצליחה לחלוטין. בהקשר זה, זו הייתה הפצצה הראשונה בה מרבית האנרגיה ששוחררה הגיעה משלבי תגובה גרעינית שבאה אחר שלב הביקוע הגרעיני העיקרי של פצצת האטום. פצצת אייבי מייק הייתה בניין דמוי מפעל, ולא נשק הניתן למסירה. במרכזו, בקבוקון ואקום גלילי מבודד או קריוסטט גדול מאוד, החזיק בדאוטריום נוזלי קריוגני בנפח של כ -1000 ליטר (160 קילוגרם במסה, אם נפח זה התמלא לחלוטין). ואז, נעשה שימוש בפצצת אטום קונבנציונאלית ("הראשית") בקצה אחד של הפצצה כדי ליצור את התנאים של טמפרטורה ולחץ קיצוניים שהיו דרושים בכדי למנוע את התגובה התרמו-גרעינית.

    תוך מספר שנים פותחו מה שמכונה פצצות מימן "יבשות" שלא היו זקוקות למימן קריוגני. מידע שפורסם מעלה כי כל כלי הנשק התרמו-גרעיניים שנבנו מאז מכילים תרכובות כימיות של דאוטריום וליתיום בשלבים המשניים שלהם. החומר שמכיל את הדאוטריום הוא לרוב ליתיום דאוטריד, כאשר הליתיום מורכב מהאיזוטופ ליתיום -6. כאשר ליתיום -6 מופגז בנויטרונים מהירים מפצצת האטום, נוצר טריטיום (מימן -3), ואז הדאוטריום והטריטיום עוסקים במהירות באיחוי תרמו-גרעיני, ומשחררים אנרגיה בשפע, הליום -4 ואפילו נויטרונים חופשיים יותר. .

    מחקר מודרני ערוך

    באוגוסט 2018 הודיעו מדענים על הפיכת דאוטריום גזי לצורה מתכתית נוזלית. זה עשוי לסייע לחוקרים להבין טוב יותר כוכבי לכת גז ענקיים, כגון צדק, שבתאי וכוכבי לכת קשורים, מכיוון שכוכבי לכת כאלה מכילים הרבה מימן מתכתי נוזלי, שעשויים להיות אחראים לשדות המגנטיים החזקים שלהם. [53] [54]

    • צפיפות: 0.180 ק"ג / מ '3 ב- STP (0 ° C, 101.325 kPa).
    • משקל אטומי: 2.014 101 7926 u.
    • שפע ממוצע במי האוקיאנוס (מ- VSMOW) 155.76 ± 0.1 עמודים לדקה (יחס של חלק אחד לכ 6420 חלקים לערך), כלומר כ- 0.015% מהאטומים במדגם (לפי מספר, ולא משקל)

    נתונים בערך 18 K עבור D2 (נקודה משולשת):

    • צְפִיפוּת:
      • נוזל: 162.4 ק"ג / מ '3
      • גז: 0.452 ק"ג / מ '3
      • מוצק: 2950 J / (ק"ג · K)
      • גז: 5200 J / (ק"ג · K)

      An אנטידאוטרון הוא המקבילה האנטי-חומרית של גרעין הדאוטריום, המורכב מאנטי-פרוטון ואנטי-נויטרון. האנטי-אדיטרון הופק לראשונה בשנת 1965 בסינכרוטרון פרוטון ב- CERN [55] ובסינכרוטרון הדרגתי המתחלף במעבדה הלאומית ברוקהייבן. [56] אטום שלם, עם פוזיטרון המקיף את הגרעין, ייקרא אנטידאוטריום, אך נכון לשנת [עדכון] antideuterium טרם נוצר. הסמל המוצע לאנטידאוטריום הוא
      ד
      כלומר D עם מוט יתר. [57]


      תוכן

      הנעה בחלל מתחיל במקום בו השלב העליון של רכב השיגור מפסיק לבצע את הפונקציות של הנעה ראשונית, בקרת תגובה, שמירה על תחנות, הצבעה מדויקת ותמרון מסלולי. המנועים העיקריים המשמשים בחלל מספקים את כוח ההנעה העיקרי להעברת מסלולים, מסלולים פלנטריים ונחיתה ועלייה פלנטרית נוספת. מערכות בקרת התגובה ותמרון מסלולי מספקות את כוח ההנעה לתחזוקת מסלול, בקרת מיקום, שמירת תחנות ובקרת עמדות חלליות. [4] [2] [3]

      כאשר בחלל, מטרת מערכת ההנעה היא לשנות את המהירות, או v, של חללית. מכיוון שהדבר קשה יותר לחלליות מסיביות יותר, מעצבים בדרך כלל דנים בביצועי חלליות ב כמות השינוי במומנטום ליחידת דלק הנצרכת נקרא גם דחף ספציפי. [5] ככל שהדחף הספציפי גבוה יותר, כך היעילות טובה יותר. מנועי הנעה ליונים הם בעלי דחף ספציפי גבוה (

      3000 שניות) ודחף נמוך [6] ואילו לרקטות כימיות כמו מנועי טילים חד-ממריצים או דו-ממדיות יש דחף ספציפי נמוך (

      כשמשגרים חללית מכדור הארץ, שיטת הנעה חייבת להתגבר על משיכת כוח משיכה גבוהה יותר כדי לספק תאוצה נטו חיובית. [8] במסלול, כל דחף נוסף, אפילו זעיר מאוד, יביא לשינוי בדרך המסלול.

      1) התקדמות / רטרוגאדה (כלומר האצה בכיוון המשיק / הפוך לכיוון משיק) - מגדילה / מקטינה את גובה המסלול

      2) בניצב למישור מסלול - שינויים בנטיית מסלול

      קצב שינוי המהירות נקרא תאוצה, וקצב שינוי המומנטום נקרא כוח. כדי להגיע למהירות נתונה, אפשר להחיל תאוצה קטנה לאורך תקופה ארוכה, או להחיל תאוצה גדולה על פני זמן קצר. באופן דומה, ניתן להשיג דחף נתון בכוח גדול לאורך זמן קצר או בכוח קטן לאורך זמן. המשמעות היא שלתמרון בחלל, שיטת הנעה המייצרת תאוצות זעירות אך פועלת לאורך זמן יכולה לייצר את אותו דחף כמו שיטת הנעה המייצרת תאוצות גדולות לזמן קצר. בעת שיגור מכוכב לכת, תאוצות זעירות אינן יכולות להתגבר על משיכת הכבידה של כדור הארץ ולכן לא ניתן להשתמש בהן.

      פני כדור הארץ נמצאים די עמוק בבאר כוח הכבידה. מהירות הבריחה הנדרשת כדי לצאת ממנה היא 11.2 קילומטר לשנייה. ככל שבני אדם התפתחו בשדה כוח משיכה של 1 גרם (9.8 מ 'לשנייה), מערכת הנעה אידיאלית למסע חלל אנושי תהיה כזו המספקת תאוצה רציפה של 1 גרם (אם כי גופים אנושיים יכולים לסבול תאוצות הרבה יותר גדולות לאורך תקופות קצרות). יושבי רקטה או חללית שיש להם מערכת הנעה כזו יהיו נקיים מכל ההשפעות הרעות של נפילה חופשית, כמו בחילות, חולשה בשרירים, חוש טעם מופחת או שטיפת סידן מעצמותיהם.

      חוק שימור המומנטום פירושו שכדי ששיטת הנעה תשנה את המומנטום של מלאכת חלל עליה לשנות גם את המומנטום של משהו אחר. כמה עיצובים מנצלים דברים כמו שדות מגנטיים או לחץ קל על מנת לשנות את המומנטום של החללית, אך בחלל הפנוי הרקטה חייבת להביא מסה כלשהי כדי להאיץ משם כדי לדחוף את עצמה קדימה. מסה כזו נקראת מסת תגובה.

      על מנת שרקטה תפעל, היא זקוקה לשני דברים: מסת תגובה ואנרגיה. הדחף המסופק על ידי שיגור חלקיק של מסת התגובה שיש לו מסה M במהירות v הוא mv. אך לחלקיק זה יש אנרגיה קינטית mv² / 2, שחייב להגיע ממקום כלשהו. ברקטה מוצקה, נוזלית או היברידית קונבנציונאלית, הדלק נשרף ומספק את האנרגיה, ומוצרי התגובה מורשים לזרום מאחור ומספקים את מסת התגובה. במנוע יונים משתמשים בחשמל להאצת יונים מאחור. כאן מקור אחר חייב לספק את האנרגיה החשמלית (אולי פאנל סולארי או כור גרעיני), ואילו היונים מספקים את מסת התגובה. [8]

      רקטה עם מהירות פליטה גבוהה יכולה להשיג את אותו דחף עם פחות מסת תגובה. עם זאת, האנרגיה הנדרשת לאותו דחף הינה פרופורציונאלית למהירות הפליטה, כך שמנועים יעילים יותר במסה דורשים הרבה יותר אנרגיה, ובדרך כלל חסכוניים פחות באנרגיה. זוהי בעיה אם המנוע אמור לספק כמות גדולה של דחף. כדי לייצר כמות גדולה של דחף לשנייה, עליו להשתמש בכמות גדולה של אנרגיה בשנייה. כך שמנועים חסכוניים במסה דורשים כמויות אדירות של אנרגיה בשנייה כדי לייצר דחיפות גבוהות. כתוצאה מכך, מרבית תכנוני המנועים החסכוניים ביותר מספקים גם דחף נמוך יותר בשל חוסר הזמינות של כמויות אנרגיה גבוהות.

      הנעה בחלל מייצגת טכנולוגיות שיכולות לשפר משמעותית מספר היבטים קריטיים במשימה. חקר החלל נועד להגיע למקום בשלום (הפעלת משימה), הגעה לשם במהירות (זמני מעבר מופחתים), קבלת מסה רבה לשם (עלייה במסת המטען), והגעה לשם בזול (עלות נמוכה יותר). הפעולה הפשוטה של ​​"הגעה" לשם מחייבת העסקת מערכת הנעה בחלל, והמדדים האחרים הם שינויים בפעולה מהותית זו. [4] [3]

      פיתוח טכנולוגיות יביא לפתרונות טכניים המשפרים את רמות הדחף, Isp, הספק, מסה ספציפית, (או הספק ספציפי), נפח, מסת מערכת, מורכבות מערכת, מורכבות תפעולית, משותף למערכות חלליות אחרות, יכולת ייצור, עמידות ועלות. שיפורים מסוג זה יניבו ירידה בזמני המעבר, הגדלת מסת המטען, חלליות בטוחות יותר והפחתת עלויות. במקרים מסוימים, פיתוח טכנולוגיות בתחום טכנולוגי זה (TA) יביא לפריצות דרך המאפשרות מהפכה בחקר החלל. אין טכנולוגיית הנעה אחת שתועיל לכל המשימות או סוגי המשימה. הדרישות להנעה בחלל משתנות מאוד בהתאם ליישום המיועד שלהן. הטכנולוגיות המתוארות צריכות לתמוך בכל דבר, החל מלוויינים קטנים וחקירת חלל עמוק רובוטי ועד תחנות חלל ומשימות אנושיות ועד יישומי מאדים. [4] [3]

      הגדרת טכנולוגיות עריכה

      יתר על כן, המונח "משיכת משימות" מגדיר טכנולוגיה או מאפיין ביצועים הדרוש בכדי לעמוד בדרישת המשימה המתוכננת של נאס"א. כל קשר אחר בין טכנולוגיה למשימה (למשל מערכת הנעה חלופית) מסווג כ"דחיפה טכנולוגית ". כמו כן, הפגנת חלל מתייחסת למסע חלל של גרסה מוגדלת של טכנולוגיה מסוימת או של תת-מערכת טכנולוגית קריטית. מצד שני, אימות שטח ישמש כטיסת הכשרה ליישום המשימה העתידית. טיסת אימות מוצלחת לא תדרוש שום בדיקת חלל נוספת של טכנולוגיה מסוימת לפני שניתן יהיה לאמץ אותה למשימת מדע או חקר. [4]

      חלליות פועלות באזורים רבים בחלל. אלה כוללים תמרון מסלולי נסיעה, נסיעה בין כוכבית ונסיעה בין כוכבית.

      עריכת אורביטל

      לוויינים מלאכותיים משוגרים לראשונה לגובה הרצוי על ידי רקטות מונעות נוזליות / מוצקות שאחריהן הלוויין עשוי להשתמש במערכות הנעה על סיפון לצורך ניהול תחנות מסלוליות. ברגע שהם נמצאים במסלול הרצוי, לעתים קרובות הם זקוקים לאיזושהי בקרת גישה, כך שהם מכוונים כראוי ביחס לכדור הארץ, לשמש, ואולי לאיזה אובייקט אסטרונומי שמעניין. [9] הם גם נתונים לגרירה מהאטמוספירה הדקה, כך שכדי להישאר במסלול למשך תקופה ארוכה של זמן, יש צורך בהנעה כלשהי בכדי לבצע תיקונים קטנים (שמירת תחנות מסלוליות). [10] יש צורך להעביר מדי פעם לוויינים ממסלול אחד למשנהו, וזה גם מצריך הנעה. [11] אורך החיים השימושיים של לוויין נגמר בדרך כלל ברגע שהוא מיצה את יכולתו להתאים את מסלולו.

      עריכה בין-כוכבית

      לנסיעה בין-כוכבית, חללית יכולה להשתמש במנועים שלה כדי לעזוב את מסלול כדור הארץ. זה לא הכרחי במפורש מכיוון שההגברה הראשונית הניתנת על ידי הרקטה, רוגטת הכבידה, מערכת ההנעה לבקרת גישה מונופרופלטנטית / דו-מערכתית מספיקים לחקר מערכת השמש (ראה אופקים חדשים). ברגע שהוא עשה זאת, עליו איכשהו לעשות את דרכו ליעד. החלליות הבין-כוכביות הנוכחיות עושות זאת בעזרת סדרת התאמות מסלול לטווח הקצר. [12] בין התאמות אלו החללית פשוט נעה לאורך מסלולה מבלי להאיץ. האמצעי החסכוני ביותר במעבר ממסלול מעגלי אחד למשנהו הוא במסלול העברת הוהמן: החללית מתחילה במסלול מעגלי בערך סביב השמש. תקופת דחיפה קצרה לכיוון התנועה מאיצה או מאטה את החללית למסלול אליפטי סביב השמש המשיק למסלול הקודם שלה וגם למסלול היעד שלה. החללית נופלת בחופשיות לאורך מסלול אליפטי זה עד שהיא מגיעה ליעדה, שם תקופת דחף קצרה נוספת מאיצה אותה או מאיטה אותה כך שתתאים למסלול היעד שלה. [13] לעיתים נעשה שימוש בשיטות מיוחדות כגון בלימת אווירוב או לכידת אוויר. [14]

      כמה משיטות הנעה של חלליות כגון מפרשי שמש מספקות דחף נמוך מאוד אך בלתי נדלה [15] רכב בין-כוכבי המשתמש באחת מהשיטות הללו ילך אחר מסלול שונה למדי, או שנדחק כל הזמן לכיוון תנועתו כדי להקטין את מרחקו מהשמש או דוחף ללא הרף את כיוון תנועתו כדי להגדיל את מרחקו מהשמש. הרעיון נבדק בהצלחה על ידי חלליות המפרש הסולאריות היפניות IKAROS.

      עריכה בין כוכבית

      עדיין לא נבנתה חללית המסוגלת להימשך זמן קצר (בהשוואה לכל החיים האנושיים), אך נדונו עיצובים היפותטיים רבים. מכיוון שמרחקים בין כוכביים גדולים מאוד, יש צורך במהירות אדירה בכדי להביא חללית ליעדה תוך זמן סביר. רכישת מהירות כזו עם ההשקה ונפטרת ממנה עם ההגעה נותרה אתגר אדיר עבור מעצבי החלליות. [16]

      תחומי הטכנולוגיה מחולקים לארבע קבוצות בסיסיות: (1) הנעה כימית, (2) הנעה לא כימית, (3) טכנולוגיות הנעה מתקדמות, ו- (4) טכנולוגיות תומכות המבוססות על הפיזיקה של מערכת ההנעה וכיצד היא מביאה גם דחף. כבגרותו הטכנית. בנוסף, יתכנו מושגי הנעה משתלמים מהימנים בחלל שלא צפויים או נבדקו בעת הפרסום, ואשר ניתן להראות שהם מועילים ליישומי משימה עתידיים. [17]

      הנעה כימית עריכה

      חלק גדול ממנועי הרקטות הנמצאים בשימוש כיום הם רקטות כימיות כלומר, הם משיגים את האנרגיה הדרושה ליצירת דחף על ידי תגובות כימיות ליצירת גז חם המורחב לייצור דחף. מגבלה משמעותית של ההנעה הכימית היא שיש לו דחף ספציפי נמוך יחסית (Isp), שהוא היחס בין הדחף המיוצר לבין מסת הדחף הדרושה בקצב זרימה מסוים. [4]

      ניתן להשיג שיפור משמעותי (מעל 30%) בדחף הספציפי באמצעות דלקים קריוגניים, כמו חמצן נוזלי ומימן נוזלי, למשל. היסטורית, דחפים אלה לא יושמו מעבר לשלבים העליונים. יתר על כן, מושגים רבים לטכנולוגיות הנעה מתקדמות, כגון הנעה חשמלית, משמשים בדרך כלל לשמירת תחנות בלווייני תקשורת מסחריים ולהנעה ראשונית במשימות חלל מדעיות מסוימות מכיוון שיש להם ערכים גבוהים משמעותית של דחף ספציפי. עם זאת, בדרך כלל יש להם ערכי דחף קטנים מאוד ולכן עליהם לפעול למשך זמן רב כדי לספק את הדחף הכולל הנדרש על ידי משימה. [4] [18] [19] [20]

      כמה מהטכנולוגיות הללו מציעות ביצועים טובים יותר באופן משמעותי מזה שניתן להשיג באמצעות הנעה כימית.

      מרכז המחקר של גלן שואף לפתח טכנולוגיות הנעה ראשוניות שיכולות להועיל למשימות מדעיות בסמוך ובינוניות על ידי הפחתת זמני עלות, המסה ו / או נסיעה. ארכיטקטורות הנעה שמעניינות במיוחד את ה- GRC הן מערכות הנעה חשמליות, כמו מנוע יון והול. מערכת אחת משלבת מפרשים סולאריים, סוג של הנעה חסרת הנעה המסתמכת על אור כוכבים המופיע באופן טבעי עבור אנרגיית הנעה, ומנועי הול.טכנולוגיות הנעה אחרות המפותחות כוללות הנעה כימית מתקדמת וכלי שיט. [3] [21] [22]

      מנועי תגובה ערוך

      מנועי תגובה מייצרים דחף על ידי גירוש מסת תגובה, בהתאם לחוק התנועה השלישי של ניוטון. חוק התנועה הזה מנוסח לרוב כ: "לכל כוח פעולה יש כוח תגובה שווה, אך הפוך."

      מנועי טילים ערוך

      רוב מנועי הרקטות הם מנועי חום בעירה פנימית (אם כי קיימים צורות לא בעירה). מנועי רקטות מייצרים בדרך כלל מסת תגובה בטמפרטורה גבוהה, כגז חם. זה מושג על ידי שריפת דלק מוצק, נוזלי או גזי עם חמצון בתוך תא הבעירה. לאחר מכן מותר לגז החם ביותר לברוח דרך זרבובית עם יחס התפשטות גבוה. זרבובית בצורת פעמון זו היא שמעניקה למנוע רקטות את צורתו האופיינית. השפעת הזרבובית היא להאיץ באופן דרמטי את המסה ולהפוך את מרבית האנרגיה התרמית לאנרגיה קינטית. מהירות פליטה המגיעה עד פי 10 ממהירות הצליל בגובה פני הים נפוצה.

      מנועי הרקטות מספקים למעשה את הכוחות הספציפיים הגבוהים ביותר ואת הדחיפות הספציפיות הגבוהות ביותר של כל מנוע המשמש להנעת חלליות.

      רקטות הנעה ליונים יכולות לחמם פלזמה או גז טעון בתוך בקבוק מגנטי ולשחרר אותו באמצעות זרבובית מגנטית, כך שלא יהיה צורך בחומר מוצק לבוא במגע עם הפלזמה. כמובן שהמכונות לעשות זאת מורכבות, אך מחקר בנושא היתוך גרעיני פיתח שיטות שחלקן הוצעו לשימוש במערכות הנעה, וחלקן נבדקו במעבדה.

      ראה מנוע רקטות עבור רשימה של סוגים שונים של מנועי טילים המשתמשים בשיטות חימום שונות, כולל כימיקלים, חשמליים, סולאריים וגרעיניים.

      הנעה לא כימית עריכה

      הנעה אלקטרומגנטית עריכה

      במקום להסתמך על דינמיקת טמפרטורה גבוהה ונוזל כדי להאיץ את מסת התגובה למהירויות גבוהות, ישנן מגוון שיטות המשתמשות בכוחות אלקטרוסטטיים או אלקטרומגנטיים כדי להאיץ את מסת התגובה ישירות. בדרך כלל מסת התגובה היא זרם יונים. מנוע כזה משתמש בדרך כלל בהספק חשמלי, תחילה כדי ליינן אטומים, ולאחר מכן ליצור שיפוע מתח כדי להאיץ את היונים למהירות פליטה גבוהה.

      רעיון ההנעה החשמלית מתחיל בשנת 1906, אז שקל רוברט גודארד את האפשרות במחברת האישית שלו. [23] קונסטנטין ציולקובסקי פרסם את הרעיון בשנת 1911.

      עבור כוננים אלה, במהירויות הפליטה הגבוהות ביותר, היעילות האנרגטית והדחף הם ביחס הפוך למהירות הפליטה. מהירות הפליטה הגבוהה מאוד שלהם פירושה שהם דורשים כמויות אדירות של אנרגיה ולכן הם מקורות כוח מעשיים מספקים דחף נמוך, אך כמעט ולא משתמשים בדלק.

      במשימות מסוימות, במיוחד קרוב יחסית לשמש, אנרגיה סולארית עשויה להיות מספקת, ולעתים קרובות נעשה בה שימוש, אך עבור אחרים שנמצאים מחוץ או בהספק גבוה יותר, אנרגיה גרעינית היא הכרחית מנועים השואבים את כוחם ממקור גרעיני נקראים חשמל גרעיני רקטות.

      בכל מקור חשמל הנוכחי, כימי, גרעיני או סולארי, כמות הכוח המרבית שניתן לייצר מגבילה את כמות הדחף שניתן לייצר לערך קטן. ייצור חשמל מוסיף מסה משמעותית לחללית, ובסופו של דבר משקל מקור הכוח מגביל את ביצועי הרכב.

      מחוללי כוח גרעיניים עכשוויים הם כמחצית ממשקלם של פאנלים סולאריים לוואט אנרגיה שסופקה, במרחקים יבשתיים מהשמש. מחוללי חשמל כימיים אינם בשימוש בשל האנרגיה הזמינה הכוללת הנמוכה בהרבה. כוח קרן לחללית מראה פוטנציאל מסוים.

      כמה שיטות אלקטרומגנטיות:

        (מאיצים יונים מנטרלים תחילה ומאוחר יותר את קרן היונים בעזרת זרם אלקטרונים הנפלט מקתודה הנקראת מנטרל)

      בדחפים אלקטרוטרמיים ואלקטרומגנטיים, יונים ואלקטרונים מואצים בו זמנית, אין צורך במנטרל.

      ללא מסת תגובה פנימית עריכה

      חוק שימור המומנטום נלקח בדרך כלל כדי לרמוז שכל מנוע שאינו משתמש במסת תגובה אינו יכול להאיץ את מרכז המסה של חללית (לעומת זאת, יתכן כיוון לשנות). אך החלל אינו ריק, במיוחד חלל בתוך מערכת השמש יש שדות גרביטציה, שדות מגנטיים, גלים אלקטרומגנטיים, רוח שמש וקרינת שמש. ידוע כי גלים אלקטרומגנטיים מכילים מומנטום, למרות היותם חסרי מסות במיוחד את צפיפות שטף המומנטום פ של גל EM הוא כמותית פי 1 / c ^ פי 2 מווקטור ה- Poynting ס, כלומר פ = ס/ c ^ 2, כאשר c הוא מהירות האור. שיטות הנעה בשטח שאינן מסתמכות על מסת התגובה, חייבות לנסות לנצל עובדה זו על ידי צימוד לשדה נושא מומנטום כמו גל EM הקיים בסביבת המלאכה. עם זאת, מכיוון שרבות מהתופעות הללו מפוזרות באופיין, מבני ההנעה המתאימים צריכים להיות גדולים באופן פרופורציונלי. [ מחקר מקורי? ]

      ישנם מספר כונני שטח שונים אשר זקוקים למסת תגובה מעטה או ללא תפקוד. מערכת הנעה קשירה מעסיקה כבל ארוך בעל חוזק מתיחה גבוה כדי לשנות את מסלול החללית, כמו למשל על ידי אינטראקציה עם השדה המגנטי של כוכב הלכת או באמצעות החלפת מומנטום עם אובייקט אחר. [24] מפרשים סולאריים נשענים על לחץ קרינה מאנרגיה אלקטרומגנטית, אך הם דורשים משטח איסוף גדול כדי לתפקד ביעילות. המפרש המגנטי מסיט חלקיקים טעונים מרוח השמש באמצעות שדה מגנטי, ובכך מקנה תאוצה לחללית. גרסה היא מערכת הנעת הפלזמה המיני-מגנטוספרית, המשתמשת בענן קטן של פלזמה המוחזק בשדה מגנטי כדי להסיט את החלקיקים הטעונים של השמש. מפרש אלקטרוני ישתמש בחוטים דקים וקלים מאוד המחזיקים מטען חשמלי כדי להסיט את החלקיקים הללו, ועשויים להיות בעלי כיוון יותר נשלט.

      כהוכחה לתפיסה, NanoSail-D הפכה לננו-צללית הראשונה שהקיפה את כדור הארץ. [25] נכון לאוגוסט 2017, נאס"א אישרה שפרויקט המפרש הסולג'אמר של סונג'אמר הסתיים בשנת 2014 עם לקחים שהופקו לפרויקטים עתידיים של מפרשי חלל. [26] Cubesail תהיה המשימה הראשונה להפגין הפלגה סולארית במסלול כדור הארץ נמוך, והמשימה הראשונה להפגין שליטת גישה מלאה בשלושה צירים של מפרש סולארי. [27]

      יפן השיקה גם חללית משלה סולארית IKAROS במאי 2010. IKAROS הפגינה בהנעה והכוונה בהצלחה והיא עדיין טסה עד היום.

      לווין או רכב חלל אחר כפוף לחוק שימור המומנטום הזוויתי, שמגביל את הגוף משינוי מהירות זוויתי נטו. לפיכך, כדי שרכב ישנה את כיוונו היחסי מבלי להרחיב את מסת התגובה, חלק אחר ברכב עשוי להסתובב בכיוון ההפוך. כוחות חיצוניים לא שמרניים, בעיקר כבידה ואטמוספירה, יכולים לתרום עד כמה מעלות ביום למומנטום זוויתי, [28] ולכן מערכות משניות נועדו "לדמם" אנרגיות סיבוב לא רצויות שנבנו לאורך זמן. לפיכך, חלליות רבות משתמשות בגלגלי תגובה או בגירוסקופי רגע שליטה כדי לשלוט בכיוון בחלל. [29]

      רוגטת כבידה יכולה לשאת חללית חלל הלאה ליעדים אחרים ללא עלות מסת התגובה. על ידי רתימת אנרגיית הכבידה של עצמים שמימיים אחרים, החללית יכולה להרים אנרגיה קינטית. [30] עם זאת, ניתן להשיג עוד יותר אנרגיה מסיוע הכבידה אם משתמשים ברקטות.

      הנעה המופעלת על ידי קרן היא שיטה נוספת של הנעה ללא מסת תגובה. הנעה עם קורות כוללת מפרשים שנדחפים על ידי קרני לייזר, מיקרוגל או חלקיקים.

      טכנולוגיית הנעה מתקדמת עריכה

      טכנולוגיות הנעה מתקדמות ובמקרים מסוימים תיאורטיות עשויות להשתמש בפיזיקה כימית או לא כימית כדי לייצר דחף, אך בדרך כלל נחשבות לבגרות טכנית נמוכה יותר עם אתגרים שלא התגברו עליהם. [31] עבור חקר אנושי ורובוטי כאחד, חציית מערכת השמש היא מאבק נגד זמן ומרחק. כוכבי הלכת הרחוקים ביותר מרוחקים 4.5-6 מיליארד קילומטרים מהשמש וכדי להגיע אליהם בכל זמן סביר נדרשות מערכות הנעה בעלות יכולת גבוהה בהרבה מרקטות כימיות קונבנציונליות. משימות מהירות פנימיות של מערכת השמש עם תאריכי שיגור גמישים הן קשות, ודורשות מערכות הנעה שהן מעבר למצב הנוכחי של ימינו. הלוגיסטיקה, ולפיכך מסת המערכת הכוללת הנדרשת לתמיכה בחיפושי אנוש מתמשכים מעבר לכדור הארץ ליעדים כמו הירח, המאדים או אובייקטים קרובים לכדור הארץ, הם מרתיעים אלא אם כן פותחים ונמצאים טכנולוגיות הנעה יעילות יותר בחלל. [32] [33]

      מגוון טכניקות הנעה היפותטיות נשקלו הדורשות הבנה מעמיקה יותר של תכונות החלל, במיוחד מסגרות אינרציאליות ומצב הוואקום. נכון להיום, שיטות כאלה הן ספקולטיביות ביותר וכוללות:

      הערכה של נאס"א על ​​תוכנית הפיזיקה ההנעתית הפורצת שלה מחלקת הצעות כאלה לאלה שאינן קיימא למטרות הנעה, כאלה שיש בהן פוטנציאל לא ברור, ואלו שאינן בלתי אפשריות על פי התיאוריות הנוכחיות. [34]

      טבלת שיטות עריכה

      להלן סיכום של כמה מהטכנולוגיות הפופולאריות והמוכחות יותר, ובעקבותיהן הולכות וגוברות שיטות.

      ארבעה מספרים מוצגים. הראשון הוא מהירות הפליטה האפקטיבית: המהירות המקבילה שעוזב הדלק את הרכב. זה לאו דווקא המאפיין החשוב ביותר של שיטת ההנעה דחף וצריכת חשמל וגורמים אחרים יכולים להיות. למרות זאת:

      • אם הדלתא-v היא הרבה יותר ממהירות הפליטה, יש צורך בכמויות מופרזות של דלק (ראה סעיף חישובים לעיל)
      • אם זה הרבה יותר מה- delta-v, אז יש צורך באנרגיה פרופורציונלית אם הכוח מוגבל, כמו באנרגיה סולארית, המשמעות היא שהנסיעה אורכת זמן רב יותר באופן יחסי

      השנייה והשלישית הן כמויות הדחיפה האופייניות וזמני הצריבה האופייניים לשיטה. מחוץ לפוטנציאל הכבידתי כמויות דחף קטנות המופעלות לאורך תקופה ארוכה יתנו את אותה השפעה כמו כמויות דחף גדולות לאורך תקופה קצרה. (תוצאה זו אינה חלה כאשר האובייקט מושפע באופן משמעותי מכוח המשיכה.)

      הרביעי הוא הדלתא- v המרבית הטכניקה הזו יכולה לתת (ללא בימוי). עבור מערכות הנעה דמויי רקטות זו פונקציה של שבר המוני ומהירות הפליטה. שבריר המוני למערכות דמויי רקטות מוגבל בדרך כלל על ידי משקל מערכת ההנעה ומשקל המיכל. כדי שמערכת תשיג מגבלה זו, בדרך כלל עומס המטען עשוי להיות אחוז זניח מהרכב, ולכן המגבלה המעשית במערכות מסוימות יכולה להיות נמוכה בהרבה.

      • 9: הוכחה טיסת בקרת גישה קלה בלחץ
      • 6: דגם, 196 מ '2 1.12 mN 400 m / s delta-v שהודגם בחלל הבין-כוכבי [41]

      בדיקת עריכה

      מערכות הנעה של חלליות נבדקות לעיתים קרובות באופן סטטי על פני כדור הארץ, באטמוספירה, אך מערכות רבות דורשות תא ואקום לבדיקה מלאה. רקטות נבדקות בדרך כלל במתקן לבדיקת מנוע רקטות הרחק ממגורים ומבנים אחרים מטעמי בטיחות. כונני יונים הם הרבה פחות מסוכנים ודורשים בטיחות הרבה פחות מחמירה, בדרך כלל יש צורך רק בתא ואקום גדול.

      ניתן למצוא מיקומי בדיקות סטטיים מפורסמים במתקני הבדיקה Rocket Ground

      מערכות מסוימות אינן ניתנות לבדיקה מספקת בשטח וניתן להשתמש בהשקות בדיקה באתר שיגור רקטות.


      מה הופך את היתוך לקשה

      מכשול פשוט עומד בינינו לבין היתוך. זה נקרא מחסום קולומב. פרוטונים שונאים להתקרב זה לזה, בגלל המטען החיובי ההדדי שלהם והדחייה האלקטרוסטטית הנלווית לכך. והם חייבים לקבל מאוד קרוב - כ -10 - 15 מ 'לפני שהכוח הגרעיני החזק יתגבר על הצבעת קולומב. אפילו במסלול התנגשות מושלם, שני פרוטונים יצטרכו להיות במהירות סגירה של 20 מיליון מטר לשנייה (7% ממהירות האור) כדי להגיע בטווח של 10-15 מ 'זה מזה, המקביל לטמפרטורה של סביב 5 מיליארד מעלות! גם אם המהירות מספיקה, אי-התאמה קלה ביותר תגרום לצמד הדוחה לסטות מהמסלול, אפילו לא לפלרטט עם מגע. מנהרה קוונטית יכולה להוריד קצת את הקצה, ולדרוש אולי גורם של שניים פחות אנרגיה / קרבה, אבל בכל זאת, זה frickin & # 8217; קָשֶׁה להכניס פרוטונים יחד.

      עם זאת השמש שלנו מצליחה לעשות את זה, רק 16 מיליון מעלות בליבה. איך זה מצליח להרוויח? כרך. הפרוטונים בשמש מתרוצצים במגוון מהירויות בהתאם לטמפרטורה. המהירות האופיינית אמנם קטנה מדי מכדי להביס את מחסום קולומב, כמה שדים מהירים בזנב עקומת חלוקת המהירות לַעֲשׂוֹת יש את האנרגיה הנדרשת. ויש מספיק כאלה בנפח העצום של ליבת השמש כדי להכות מדי פעם בראש ולהיצמד. אחד הפרוטונים חייב מיד להתמוטט בטא פלוס לנויטרונים ופרסטו-מונדו, יש לנו דויטרון! לאחר מכן הדויטונים יכולים להתנגש כדי ליצור הליום (דרכים אחרות להליום עוברות גם). חישוב מהיר וגס מצביע על כך שאנו זקוקים לכ- 10 38 & # 8220 דביקות & # 8221 התנגשויות בשנייה כדי לשמור על השמש, ואילו בתוך הליבה אנו מקבלים כ- 10 64 בליטות / אינטראקציות לשנייה, מה שמרמז רק אחד מכל 10 26 התנגשויות צריך להיות אירוע היתוך מוצלח.

      לדייטרונים קל יותר להיתקל זה בזה מאשר לפרוטונים בודדים, בעיקר בגלל שגודלם הפיזי גדול יותר. למעשה, קשירה חלשה יחסית של דויטרון הופכת אותם לנפיחים אפילו יותר מגרעין הטריטיום הקשור יותר (לך טריטונים!). בטמפרטורה נתונה, הרתעות ינועו לאט יותר מפרוטונים, וטריטונים לאט יותר מדויטרונים. כל הטעמים מכילים פרוטון יחיד - וכך מפעילים את אותו כוח דוחה זה על זה - אך האינרציה המוגברת מנייטרונים נוספים בְּדִיוּק מתמודד עם המהירות האיטית יותר, כך שלכל אחד מהם יש את אותה הסבירות להעביר דרך מחסום קולומב. ואז נותרנו עם הגודל. דויטונים גדולים יותר מטריטונים, ולכן בליטות D-D יהיו שכיחות יותר מבליטות D-T.

      אבל יש תפיסה. ברגע ש- D ו- T נוגעים, הם נדבקים זה לזה. לעומת זאת, כאשר D נוגע ב- D, יש לפלט פוטון (אור) על מנת שהם ידבקו, מה שלא קורה בדרך כלל. לכן אומרים כי ל- D-T יש גדול יותר צומת לאיחוי מאשר D-D. ההערכות לטמפרטורה הקריטית הנדרשת להשגת היתוך מגיעות ל -400 מיליון קלווין עבור היתוך D-D, ו -45 מיליון K לזן D-T. אך ספי הטמפרטורה הללו תלויים בצפיפות הפלזמה המעורבת, ולכן אין להתייחס אליהם כקשה וקשה. ובכל זאת, אנו זקוקים לכורי ההיתוך שלנו להיות חמים יותר ממרכז השמש מכיוון שאין לנו את מותרות הנפח והצפיפות שמהם נהנית ליבת השמש. האם עובדה זו נותנת לך הפסקה?


      רקטות מים

      הדבר הראשון שאתה צריך עבור הרקטה הוא צורה כלשהי של באנג בתחתית הבקבוק שדרכו אתה יכול לשאוב קצת אוויר. ישנן דרכים שונות לעשות זאת, אחת הטובות ביותר היא להשתמש בחוט גומי או פקק, הדומים לאלה המשמשים בשיעורי מדע וייצור יין. תזדקק לאחת שתתקע היטב בצוואר הבקבוק.

      אם אינך מצליח להשיג גומי, אתה יכול להכין אחד מפקק בקבוק יין, באופן אידיאלי כזה שמתחדד כך שיהיה רחב יותר בקצה אחד מזה. עם זאת, פקקי בקבוקי יין הם לעתים קרובות קטנים מדי, ועבור רקטת בקבוקים אידיאלית תזדקקו למשהו עם יותר אחיזה. דרך טובה להשיג את האחיזה הזו היא לכסות את הפקק בכמה אצבעות שנחתכות מכפפת גומי ישנה - הפוך אותן מבפנים החוצה כך שיחתמו היטב על פנים הבקבוק. דבק את הכל יחד כדי לאטום את הפערים.

      באנג גומי עם מתנפח כדורבאנגי גומי עם שסתום אופנייםפקק מכוסה באצבעות כפפות גומי עם מתנפח כדורפקק עם שסתום אופניים באמצע.

      לאחר מכן עליך להיות מסוגל לחבר את הבנגה למשאבה. אם יש לך מתאם ניפוח כדורגל אתה יכול לדחוף אותו לתוך החבטה, אך ייתכן שתצטרך לקדוח מהצד השני כדי ליצור חור כדי שייפגש. אתה יכול גם להשתמש בשסתום צמיג האופניים כדי ליצור גרסה חזקה יותר.

      שמור על ביטחון - גרום למבוגר לבצע את הקידוחים ואם אתה הם המבוגר צריך להיות זהיר מאוד בקידוח גומי - זה לא צפוי, והוא יתפוס בדרכים בלתי צפויות. אתה יכול לנסות להחזיק את הפקק בחלק העליון של הבקבוק.

      ברגע שעשית את הבנג שלך, אז אתה צריך משגר. זה יכול להיות פשוט כמו 4 או 5 חתיכות עץ או שטף שהוטחו בקרקע סביב הרקטה כדי להחזיק אותה יציבה בזמן שהיא משגרת.

      שים מעט (או לא) מים בבקבוק שלך, דחוס את הפקק פנימה ושאב אותו למעלה!

      היזהר לא לעמוד מעל הרקטה כמוה הוא רקטה, אז עומדת לעוף מעלה מהר מאוד !!

      נסה להשתמש בכמויות מים שונות כדי לראות כיצד זה משפיע על הטיסה.

      אתה יכול לנסות להוסיף סנפירים כדי שהוא יעוף ישר יותר.

      תוֹצָאָה

      אתה צריך לגלות שהבאנג נדחק החוצה ואז הרקטה עפה לאוויר בצורה מספקת מאוד.

      ניסינו להשיק מצלמה דיגיטלית (זולה מאוד) עם שלנו והתוצאות להלן:

      תודה רבה לקבוצת השברים במעבדת קוונדיש על השימוש במצלמה במהירות גבוהה.

      הֶסבֵּר

      סר איסק ניוטון עיבד משהו מאוד מהותי ביקום, הוא אמר כי 'לכל פעולה יש תגובה שווה והפוכה' - המשמעות של זה היא שלכל כוח יש תמיד שווה ו מול כּוֹחַ. אז אם אתה דוחף משהו בכיוון אחד זה ידחוף אותך לאחור.

      אם אתה דוחף משהו הוא ידחוף לאחור - לכל פעולה יש תגובה שווה והפוכה.אז אם אתה זורק משקל לכיוון אחד זה ידחוף אותך לכיוון השני.

      כך עובדת טיל הבקבוקים שלך. הרקטה דוחפת מים כלפי מטה, מה שאומר שהמים דוחפים את הרקטה כלפי מעלה כל כך חזק שהיא מתגברת על כוח המשיכה ותעוף!

      בפירוט רב יותר

      כשמשאבים אוויר לבקבוק הלחץ שבפנים מצטבר, אוויר זה נדחק החוצה לכל הכיוונים, כולל כלפי מטה על החבטה.

      בלחץ מסוים החיכוך בין החבטה לבקבוק אינו חזק מספיק כדי להחזיק אותו והחבטה נדחקת החוצה. זה מאפשר לדחוף את המים החוצה מהאוויר ששאבתם פנימה. המשמעות היא גם שהגורם העיקרי השולט באיזה לחץ הרקטה משגרת, ולכן עד כמה הוא גבוה, הוא כמות החיכוך על החבטה. זו הסיבה שכדאי לכסות פקק חלקלק בכפפת גומי עם אחיזה גבוהה.

      כאשר המים נדחקים החוצה האוויר מרחיב את האוויר לחץ האוויר מצטמצם מעט.

      בסופו של דבר, בדרך כלל לאחר 2-3 מ 'נגמרת הרקטה למים והיא חוצה למשך שארית מסעה.

      שאיבת אוויר לבקבוק מגבירה את לחץובסופו של דבר החבטה נדחקת החוצה ומאפשרת למים לברוחהאוויר דוחף את המים מטה כלומר המים דוחפים אותם לאחור. כוח זה מועבר לאחר מכן לטיל.בסופו של דבר נגמר לרקטה מים ורק חופים.

      מדוע זה עדיין עובד ללא מים?

      גם ללא משקל מים בתוך הבקבוק, טיל הבקבוק עדיין יעוף כלפי מעלה.זה בגלל שהאוויר בבקבוק יש לו מסה ולכן כשהוא נדחף כלפי מטה עדיין יש תגובה שווה והפוכה שדוחפת חזרה. עם זאת, מכיוון שהאוויר קל מאוד הבקבוק יתרוקן מהר מאוד. המשמעות היא שהכוח לא מחזיק מעמד זמן רב, אך מכיוון שהטיל קל מאוד הוא יואץ במהירות רבה.

      האוויר שנדחק כלפי מטה מייצר גם כוח כלפי מעלה על הרקטה.אבל האוויר בורח מהר מאוד כדי שהכוח לא יימשך זמן רב.בסופו של דבר הרקטה מתחילה לנפול, מאיטה אותה. סנפירים נוטים לעצור את זה מה שגורם לו להמשיך הלאה.

      מדוע הרקטה הכמעט מלאה לא עובדת טוב?

      במקרה זה יהיה על הרקטה כוח גדול כלפי מעלה שידחוף את המים כלפי מטה, אך הבקבוק יהיה כבד מאוד. משקל עודף זה פירושו שהוא לא מאיץ מהר מאוד. כמו כן, מכיוון שיש מעט אוויר ברקטה, האוויר יצטרך להתרחב עד פי 3-4 מנפחו המקורי על מנת לדחוק את כל המים החוצה. המשמעות היא שהלחץ יירד בצורה דרסטית והאוויר כבר לא יוכל לדחוף את המים החוצה. הרקטה תתרסק לעיתים קרובות חזרה לקרקע עדיין מלאת מים.

      יש כוח גדול מלכתחילה אבל הרקטה כבדה ולכן היא לא מאיצה במהירות.ככל שהאוויר מתרחב הלחץ שלו פוחת במהירות.בסופו של דבר הלחץ מגיע כמו לחוץ כך שהמים כבר לא נדחקים החוצה והרקטה תאט ותיפול.

      כמה מים עלי להכניס?

      זה תלוי בהרבה דברים, כמו איזה לחץ ייצא החבטה, התנגדות האוויר של הרקטה שלך וכמה מטען שהיא נושאת, אבל בין רבע לשליש מלא עובד טוב.


      תוכן

      מנהור קוונטי פותח מחקר הרדיואקטיביות, [4] שהתגלה בשנת 1896 על ידי אנרי בקרל. [10] רדיואקטיביות נבדקה עוד על ידי מארי קירי ופייר קירי, ועל כך הם זכו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1903. [10] ארנסט רתרפורד ואגון שווידלר למדו את טיבו, אשר מאומת מאוחר יותר על ידי פרידריך קולרוש. הרעיון של מחצית החיים והאפשרות לחזות ריקבון נוצר מעבודתם. [4]

      בשנת 1901 גילה רוברט פרנסיס ארהרט משטר הולכה בלתי צפוי תוך כדי חקירת הולכת גזים בין אלקטרודות הדוקות באמצעות אינטרפרומטר מיכלסון. ג'יי ג'יי תומסון העיר כי הממצא מצדיק המשך חקירה. בשנת 1911 ואז ב- 1914, סטודנט לתואר שני אז פרנץ רותר מדד ישירות זרמי פליטת שדה יציבים. הוא השתמש בשיטה של ​​ארהארט לבקרה ומדידה של הפרדת האלקטרודה, אך באמצעות גלוונומטר פלטפורמה רגיש. בשנת 1926 מדד רותר את זרמי פליטת השדה בוואקום "קשה" בין אלקטרודות הדוקות זו מזו. [11]

      מנהרה קוונטית נצפתה לראשונה בשנת 1927 על ידי פרידריך הונד בזמן שהוא חישב את מצב הקרקע של פוטנציאל הבאר הכפול [10] ליאוניד מנדלשטם ומיכאיל ליאונטוביץ 'גילו זאת באופן עצמאי באותה שנה. הם ניתחו את ההשלכות של משוואת הגל החדשה של שרדינגר. [12]

      היישום הראשון שלה היה הסבר מתמטי לריקבון אלפא, אשר פותח בשנת 1928 על ידי ג'ורג 'גאמוב (שהיה מודע לממצאי מנדלשטם וליאונטוביץ' [13]) ובאופן עצמאי על ידי רונלד גורני ואדוארד קונדון. [14] [15] [16] [17] החוקרים האחרונים פתרו במקביל את משוואת שרדינגר לפוטנציאל גרעיני מודל ויצרו קשר בין מחצית החיים של החלקיק לאנרגיית הפליטה שתלויה ישירות בסבירות המתמטית של מנהור.

      לאחר שהשתתף בסמינר Gamow, מקס בורן זיהה את כלליות המנהור. הוא הבין שזה לא מוגבל לפיזיקה גרעינית, אלא תוצאה כללית של מכניקת הקוונטים שחלה על מערכות רבות ושונות. [4] זמן קצר לאחר מכן, שתי הקבוצות שקלו מקרה של חלקיקות המנהרות לגרעין. המחקר על מוליכים למחצה ופיתוח טרנזיסטורים ודיודות הוביל לקבלה של מנהרות אלקטרונים במוצקים עד שנת 1957. ליאו עסקי, איוור גיאובר ובריאן ג'וזפסון ניבאו את מנהרתם של זוגות קופר מוליכים-על, עליהם קיבלו את פרס נובל לפיזיקה בשנת 1973. [4] בשנת 2016 התגלתה מנהרה קוונטית של מים. [18]

      מנהור קוונטי נופל מתחום מכניקת הקוונטים: המחקר על המתרחש בסולם הקוונטים. לא ניתן להבחין ישירות במנהור. הרבה מהבנתו מעוצב על ידי העולם המיקרוסקופי, שהמכניקה הקלאסית אינה יכולה להסביר. כדי להבין את התופעה, ניתן להשוות בין חלקיקים המנסים לעבור על פני מחסום פוטנציאלי לכדור המנסה להתגלגל מעל גבעה.

      מכניקת הקוונטים והמכניקה הקלאסית נבדלים ביחס לתרחיש זה. מכניקה קלאסית צופה כי חלקיקים שאין להם מספיק אנרגיה בכדי להתעלות על מחסום קלאסי אינם יכולים להגיע לצד השני. לפיכך, כדור ללא אנרגיה מספקת להתגבר על הגבעה יתגלגל חזרה למטה. כדור חסר אנרגיה לחדור לקיר מקפץ לאחור. לחלופין, הכדור עשוי להפוך לחלק מהקיר (קליטה).

      במכניקת הקוונטים, חלקיקים אלה יכולים, בהסתברות קטנה, מִנהָרָה לצד השני, וכך עוברים את המחסום. הכדור, במובן מסוים, לווה אנרגיה מסביבתה לחצות את החומה. לאחר מכן הוא מחזיר את האנרגיה על ידי יצירת האלקטרונים המשתקפים [ יש צורך בבירור ] יותר אנרגטיים ממה שהיו אחרת. [19]

      הסיבה להבדל זה נובעת מהתייחסות לחומר כבעל תכונות של גלים וחלקיקים. פרשנות אחת לדואליות זו כוללת את עקרון אי הוודאות של הייזנברג, המגדיר גבול לאופן בו ניתן לדעת בו זמנית בדיוק את המיקום והמומנטום של חלקיק. [10] משמעות הדבר היא כי אין פתרונות בהסתברות של אפס בדיוק (או אחד), אם כי הוא עשוי להתקרב לאינסוף. אם, למשל, החישוב למיקומו נלקח כהסתברות של 1, המהירות שלו, יצטרך להיות אינסוף (אי-אפשרות). מכאן, שההסתברות לקיומו של חלקיק מסוים בצד הנגדי של מחסום המתערב אינה אפסית, וחלקיקים כאלה יופיעו בצד 'האחר' (מילה קשה מבחינה סמנטית במקרה זה) ביחס להסתברות זו.

      בעיית המנהרות עריכה

      פונקציית הגל של חלקיק מסכמת את כל מה שניתן לדעת על מערכת פיזיקלית. [20] לכן, בעיות במכניקת הקוונטים מנתחות את פונקציית הגל של המערכת. באמצעות ניסוחים מתמטיים, כמו משוואת שרדינגר, ניתן להסיק את פונקציית הגל. ריבוע הערך המוחלט של פונקציית גל זו קשור ישירות להתפלגות ההסתברות של מיקום החלקיק, המתאר את ההסתברות שהחלקיק נמצא בכל מקום נתון. ככל שהמחסום רחב יותר וככל שאנרגיית המכשול גבוהה יותר, כך ההסתברות למנהרה נמוכה יותר.

      ניתן לנתח מודל פשוט של מחסום מנהרות, כמו המחסום המלבני, ולפתור אותו באופן אלגברי. בתורת השדות הקנונית, המנהור מתואר על ידי פונקציית גל שיש לה משרעת שאינה אפס בתוך המנהרה, אך הזרם הוא אפס שם מכיוון שהשלב היחסי של המשרעת של פונקציית הגל המצומד (נגזרת הזמן) הוא אורתוגונאלי אליו. .

      הסימולציה מציגה מערכת כזו.

      האיור השני מראה את עקרון אי הוודאות בעבודה. גל פוגע במחסום המכשול מכריח אותו להיות גבוה יותר וצר יותר. הגל נעשה הרבה יותר דה לוקליזציה - הוא נמצא כעת משני צידי המחסום, הוא רחב יותר מכל צד ונמוך יותר במשרעת המקסימלית אך שווה במשרעת הכוללת. בשני האיורים לוקליזציה של הגל במרחב גורמת ללוקליזציה של פעולת המחסום בזמן ובכך מפזרת את האנרגיה / מומנטום של הגל.

      לבעיות בחיים האמיתיים לרוב אין כזו, ולכן פותחו שיטות "חצי-קלאסיות" או "קווא-קלאסיות" כדי להציע פתרונות משוערים, כגון קירוב ה- WKB. ייתכן שההסתברויות נגזרות בדיוק שרירותי, כמוגבל על ידי משאבי חישוב, באמצעות שיטת אינטגרל הנתיב של פיינמן. דיוק כזה נדרש לעיתים רחוקות בפרקטיקה ההנדסית. [ צורך בציטוט ]

      ניתן להרחיב את המושג מנהור קוונטי למצבים בהם קיים הובלה קוונטית בין אזורים שאינם מחוברים באופן קלאסי גם אם אין מחסום פוטנציאלי קשור. תופעה זו ידועה בשם מנהור דינמי. [21] [22]

      מנהור בחלל פאזה עריכה

      הרעיון של מנהור דינמי מתאים במיוחד לטיפול בבעיית מנהור קוונטי בממדים גבוהים (d & gt1). במקרה של מערכת אינטגרלית, שבה מסלולים קלאסיים תחומים מוגבלים לטורי בחלל פאזה, ניתן להבין מנהור כמעבר קוונטי בין מצבים חצי קלאסיים הבנוי על שני טורי מובחנים אך סימטריים. [23]

      מנהרה בעזרת כאוס עריכה

      בחיים האמיתיים, רוב המערכות אינן משתלבות ומציגות דרגות שונות של כאוס. לאחר מכן נאמר כי דינמיקה קלאסית מעורבת ומרחב שלב המערכת מורכב בדרך כלל מאיים של מסלולים קבועים המוקפים בים גדול של מסלולים כאוטי. קיומו של הים הכאוטי, בו מותרת תחבורה באופן קלאסי, בין שני הטורי הסימטריים מסייע למנהור הקוונטי ביניהם. תופעה זו מכונה מנהרה בעזרת תוהו ובוהו. [24] ומאופיין בתהודה חדה של קצב המנהור כאשר משתנים פרמטר מערכת כלשהו.

      מנהרות בעזרת תהודה עריכה

      לכמה תופעות יש התנהגות זהה למנהור קוונטי, וניתן לתאר אותן במדויק באמצעות מנהרות. דוגמאות לכך כוללות מנהור של אסוציאציה קלאסית של חלקיקי גל, [26] צימוד גל מונע (יישום משוואת הגלים של מקסוול לאור) והיישום של משוואת הגל הלא מפוזרת מאקוסטיקה המופעלת על "גלים בחוטים". צימוד גל אוונסנטי, עד לאחרונה, נקרא רק "מנהור" במכניקת הקוונטים, כיום הוא משמש בהקשרים אחרים.

      השפעות אלה מעוצבות באופן דומה למחסום הפוטנציאל המלבני. במקרים אלה, מדיום העברה אחד דרכו הגל מתפשט זהה או כמעט זהה לכל אורכו, ומדיום שני שדרכו הגל נע אחרת. ניתן לתאר זאת כאזור דק של מדיום B בין שני אזורים של מדיום A. ניתן להתאים את הניתוח של מחסום מלבני באמצעות משוואת שרדינגר לתופעות אחרות אלה ובלבד שלמשוואת הגל יש פתרונות גל נודדים במדיום A אך פתרונות אקספוננציאליים אמיתיים במדיום B.

      באופטיקה, מדיום A הוא ואקום ואילו בינוני B הוא זכוכית. באקוסטיקה, מדיום A עשוי להיות נוזל או גז ומדיום B מוצק. בשני המקרים מדיום A הוא אזור של חלל שבו האנרגיה הכוללת של החלקיק גדולה מהאנרגיה הפוטנציאלית שלו והמדיום B הוא המחסום הפוטנציאלי. לאלה יש גל נכנס וגלים כתוצאה משני הכיוונים. יכולים להיות יותר מדיומים וחסמים, והמחסומים אינם צריכים להיות נפרדים. קירובים שימושיים במקרה זה.

      מנהור הוא הגורם לתופעות פיסיקליות מאקרוסקופיות חשובות. למנהור קוונטי השלכות חשובות על תפקוד הננוטכנולוגיה. [9]

      עריכת אלקטרוניקה

      המנהור הוא מקור לדליפה הנוכחית באלקטרוניקה של אינטגרציה בקנה מידה גדול מאוד (VLSI) וכתוצאה מכך יש השפעות ניקוז וחימום משמעותיות של מכשירים כאלה. זה נחשב לגבול התחתון כיצד ניתן ליצור אלמנטים של מכשיר מיקרו-אלקטרוני. [27] מנהור הוא טכניקה בסיסית המשמשת לתכנות השערים הצפים של זיכרון הפלאש.

      עריכת פליטת קור

      פליטת קר של אלקטרונים רלוונטית למוליכים למחצה ולפיסיקה של מוליכים-על. זה דומה לפליטה תרמית, שבה אלקטרונים קופצים באקראי מפני השטח של מתכת כדי לעקוב אחר הטיית מתח מכיוון שהם מבחינה סטטיסטית מגיעים לאנרגיה רבה יותר מהמחסום, דרך התנגשויות אקראיות עם חלקיקים אחרים. כאשר השדה החשמלי הוא גדול מאוד, המחסום נעשה דק מספיק כדי שהאלקטרונים יתפרשו מהמצב האטומי, מה שמוביל לזרם המשתנה באופן אקספוננציאלי עם השדה החשמלי. [28] חומרים אלה חשובים לזיכרון פלאש, צינורות ואקום, כמו גם למיקרוסקופי אלקטרונים מסוימים.

      צומת מנהרות עריכה

      ניתן ליצור מחסום פשוט על ידי הפרדת שני מוליכים עם מבודד דק מאוד. מדובר בצמתים של מנהרות, שלימודם מחייב הבנת מנהור קוונטי. [29] צומת ג'וזפסון מנצלים מנהרות קוונטיות ואת מוליכות העל של כמה מוליכים למחצה כדי ליצור את אפקט ג'וזפסון. יש לכך יישומים במדידות מדויקות של מתחים ושדות מגנטיים, [28] כמו גם תא סולארי רב-צמתי.

      אוטומטים סלולריים נקודתיים עריכה

      QCA היא טכנולוגיית סינתזת לוגיקה בינארית מולקולרית הפועלת על ידי מערכת מנהרות אלקטרונים בין האי. זהו מכשיר בעל הספק נמוך מאוד ומהיר שיכול לפעול בתדר מרבי של 15 PHz. [30]

      דיודת מנהרה עריכה

      דיודות הן התקני מוליכים למחצה חשמליים המאפשרים זרימת זרם חשמלי בכיוון אחד יותר מהשני. ההתקן תלוי בשכבת דלדול בין מוליכים למחצה מסוג N ו- P כדי לשרת את מטרתו. כאשר אלה מסוממים בכבדות שכבת הדלדול יכולה להיות דקה מספיק למנהור. כאשר מוחל הטיה קדימה קטנה, הזרם עקב מנהרה הוא משמעותי. זה יש מקסימום בנקודה בה הטיה במתח היא כזו שרמת האנרגיה של רצועות ההולכה p ו- n זהה. עם התגברות הטיית המתח, שתי רצועות ההולכה אינן מסתדרות יותר והדיודה פועלת בדרך כלל. [31]

      מכיוון שזרם המנהרה צונח במהירות, ניתן ליצור דיודות מנהרה בעלות טווח של מתח שהזרם שלהם יורד ככל שעולה המתח. מאפיין מוזר זה משמש ביישומים מסוימים, כגון התקנים במהירות גבוהה שבהם ההסתברות למנהרה האופיינית משתנה במהירות כמו מתח ההטיה. [31]

      דיודת המנהור המהדהדת עושה שימוש במנהור קוונטי בצורה שונה מאוד כדי להשיג תוצאה דומה. לדיודה זו יש מתח מהדהד שזרם רב עבורו מעדיף מתח מסוים, המושג על ידי הצבת שתי שכבות דקות בעלות מוליכות אנרגיה גבוהה זו ליד זו. זה יוצר באר פוטנציאל קוונטי בעל רמת אנרגיה נמוכה בדידה. כאשר רמת אנרגיה זו גבוהה מזו של האלקטרונים, לא מתרחשת מנהרה והדיודה נמצאת בהטיה הפוכה. ברגע ששתי אנרגיות המתח מתיישרות, האלקטרונים זורמים כמו חוט פתוח. ככל שהמתח עולה עוד יותר, המנהרה הופכת לבלתי סבירה והדיודה מתנהגת שוב כמו דיודה רגילה לפני שרמת האנרגיה השנייה ניכרת. [32]

      טרנזיסטורים של אפקט שדה מנהרה ערוך

      פרויקט מחקר אירופי הדגים טרנזיסטורי אפקט שדה בהם השער (הערוץ) נשלט באמצעות מנהרה קוונטית ולא באמצעות הזרקה תרמית, תוך הפחתת מתח השער מ -1 וולט ל -0.2 וולט והפחתת צריכת החשמל עד 100 ×. אם ניתן לשנות את הטרנזיסטורים הללו לשבבי VLSI, הם ישפרו את הביצועים לכל הספק של מעגלים משולבים. [33] [34]

      היתוך גרעיני עריכה

      מנהור קוונטי הוא תופעה חיונית להתמזגות גרעינית. הטמפרטורה בליבות הכוכבים היא בדרך כלל לא מספקת כדי לאפשר לגרעיני אטום להתגבר על מחסום הקולומב ולהשיג היתוך תרמו גרעיני. מנהור קוונטי מגדיל את ההסתברות לחדור למחסום זה. למרות שההסתברות הזו עדיין נמוכה, המספר הגדול ביותר של גרעינים בליבת כוכב מספיק בכדי לשמור על תגובת היתוך יציבה. [35]

      ריקבון רדיואקטיבי עריכה

      ריקבון רדיואקטיבי הוא תהליך הפליטה של ​​חלקיקים ואנרגיה מהגרעין הלא יציב של אטום ליצירת מוצר יציב. זה נעשה באמצעות מנהור של חלקיק מחוץ לגרעין (מנהרה של אלקטרונים לגרעין היא לכידת אלקטרונים). זה היה היישום הראשון של מנהור קוונטי. ריקבון רדיואקטיבי הוא נושא רלוונטי לאסטרוביולוגיה מכיוון שתוצאה זו של מנהרה קוונטית יוצרת מקור אנרגיה קבוע בפרק זמן גדול לסביבות שמחוץ לאזור המגורים המקיף שבו לא ניתן יהיה לבצע בידוד (אוקיינוסים תת קרקעיים) או יעילים. [35]

      אסטרוכימיה בעננים בין כוכבים עריכה

      על ידי הכללת מנהרות קוונטיות ניתן להסביר את הסינתזות האסטרוכימיות של מולקולות שונות בעננים בין כוכבים, כגון סינתזה של מימן מולקולרי, מים (קרח) והפורמלדהיד החשוב פרה-ביוטי. [35]

      ביולוגיה קוונטית עריכה

      מנהור קוונטי הוא בין ההשפעות הקוונטיות המרכזיות הלא טריוויאליות בביולוגיה הקוונטית. כאן זה חשוב גם כמנהרות אלקטרונים וגם מנהרות פרוטונים. [36] מנהור אלקטרונים הוא גורם מפתח בתגובות חמצון ביוכימיות רבות (פוטוסינתזה, נשימה תאית) וכן בזרז אנזימטי. מנהור פרוטונים הוא גורם מפתח במוטציה ספונטנית של ה- DNA. [35]

      מוטציה ספונטנית מתרחשת כאשר שכפול DNA רגיל מתרחש לאחר שמנהרה פרוטון משמעותי במיוחד. [37] קשר מימן מצטרף לזוגות בסיס DNA. פוטנציאל באר כפול לאורך קשר מימן מפריד בין מחסום אנרגיה פוטנציאלי. הוא האמין כי פוטנציאל הבאר הכפול הוא אסימטרי, כאשר אחד מהם עמוק יותר מהשני כזה שהפרוטון נח בדרך כלל בבאר העמוקה יותר. כדי שתתרחש מוטציה, הפרוטון ודאי התנהר לבאר הרדודה יותר. תנועת הפרוטון ממצבו הסדיר נקראת מעבר טאוטומרי. אם שכפול דנ"א מתרחש במצב זה, כלל זיווג הבסיס לדנ"א עלול להיפגע ולגרום למוטציה. [38] פר-אולוב לובדין היה הראשון שפיתח תיאוריה זו של מוטציה ספונטנית בתוך הסליל הכפול. מקרים אחרים של מוטציות המושרות על ידי מנהרות קוונטיות בביולוגיה נחשבים כגורם להזדקנות ולסרטן. [39]

      מוליכות קוונטית עריכה

      בעוד שמודל המוליכות החשמלית של דרודה מנבא תחזיות מצוינות לגבי אופי האלקטרונים המוליכים במתכות, ניתן לקדם אותו באמצעות מנהרה קוונטית כדי להסביר את אופי ההתנגשויות של האלקטרון. [28] כאשר חבילת גלי אלקטרונים חופשיים נתקלת במערך ארוך של מחסומים המרווחים באופן אחיד, החלק המשתקף של חבילת הגל מפריע באופן אחיד לזה המועבר בין כל המחסומים כך שידור של 100% יתאפשר. התיאוריה מנבאת שאם גרעינים בעלי טעינה חיובית יוצרים מערך מלבני לחלוטין, האלקטרונים יסתדרו דרך המתכת כאלקטרונים חופשיים, ויובילו למוליכות גבוהה במיוחד, וכי זיהומים במתכת ישבשו אותה באופן משמעותי. [28]

      סריקת מיקרוסקופ מנהור עריכה

      מיקרוסקופ המנהור הסורק (STM), שהומצא על ידי גרד ביניג והיינריך רורר, עשוי לאפשר הדמיה של אטומים בודדים על פני חומר. [28] היא פועלת על ידי ניצול הקשר בין מנהור קוונטי למרחק.כאשר קצה מחט ה- STM מתקרב למשטח הולכה בעל הטיה במתח, מדידת זרם האלקטרונים המסתובבים בין המחט למשטח מגלה את המרחק בין המחט למשטח. באמצעות מוטות פיזואלקטריים המשתנים בגודלם בעת הפעלת המתח, ניתן לכוונן את גובה הקצה כדי לשמור על זרם המנהרות קבוע. המתחים המשתנים בזמן המופעלים על מוטות אלה ניתנים להקלטה ומשמשים לתמונת פני המוליך. [28] STMs מדויקים עד 0.001 ננומטר, או בערך 1% מקוטר האטום. [32]

      אפקט איזוטופ קינטי עריכה

      בקינטיקה כימית, החלפה של איזוטופ קל של יסוד עם כבד יותר גורמת בדרך כלל לקצב תגובה איטי יותר. בדרך כלל מייחסים זאת להבדלים באנרגיות הרטט של נקודת האפס לקשרים כימיים המכילים את האיזוטופים הקלים והכבדים יותר, ומעוצבים בדרך כלל באמצעות תיאוריית מצב מעבר. עם זאת, במקרים מסוימים נצפות השפעות איזוטופ גדולות שלא ניתן להתחשב בהן באמצעות טיפול חצי קלאסי, ונדרשת מנהור קוונטי. ר 'פ בל פיתח טיפול שונה של קינטיקה של ארניוס המשמש בדרך כלל למודל תופעה זו. [40]

      חלק מהפיזיקאים טענו כי ייתכן שחלקיקי ספין-אפס ינועו מהר יותר ממהירות האור בעת מנהרה. [4] זה ככל הנראה מפר את עקרון הסיבתיות, מכיוון שקיימת אז מסגרת התייחסות בה החלקיק מגיע לפני שעזב. בשנת 1998 סקר פרנסיס א. לאו בקצרה את תופעת המנהרות ללא זמן. [41] לאחרונה פורסמו על ידי גונטר נימט נתוני זמן מנהור ניסיוניים של פונונים, פוטונים ואלקטרונים. [42]

      פיזיקאים אחרים, כמו הרברט ווינפול, [43] חלקו על טענות אלה. ווינפול טען כי אריזת הגל של חלקיק מנהרה מתפשטת באופן מקומי, כך שחלקיק אינו יכול להתעלות דרך המכשול באופן לא מקומי. ווינפול טען גם כי הניסויים המתיימרים להראות התפשטות לא מקומית פורשו בצורה שגויה. בפרט, המהירות הקבוצתית של אריזת גל אינה מודדת את מהירותה, אלא קשורה לפרק הזמן שאחסון הגל מאוחסן במחסום. אך הבעיה נותרה כי פונקציית הגל עדיין עולה בתוך המחסום בכל הנקודות בו זמנית. במילים אחרות, בכל אזור שאינו נגיש למדידה, התפשטות לא מקומית עדיין בטוחה מבחינה מתמטית.

      ניסוי שנעשה בשנת 2020, עליו פיקח אפרים שטיינברג, הראה כי חלקיקים צריכים להיות מסוגלים להתפרש במהירות הנראית מהירה יותר מאור. [44] [45]


      בקבוק הפלזמה הקרה בעולם לפתיחת סודות כוח היתוך

      פיזיקאים מאוניברסיטת רייס גילו דרך ללכוד את הפלזמה הקרה בעולם בבקבוק מגנטי, הישג טכנולוגי שיכול לקדם את המחקר בנושא אנרגיה נקייה, מזג אוויר בחלל ואסטרופיזיקה.

      "כדי להבין כיצד רוח השמש מתקשרת עם כדור הארץ, או כדי לייצר אנרגיה נקייה מהיתוך גרעיני, יש להבין כיצד פלזמה - מרק אלקטרונים ויונים - מתנהגת בשדה מגנטי," אמר רייס דיקן מדעי הטבע טום קיליאן. , המחבר המקביל למחקר שפורסם אודות העבודה ב מכתבי סקירה פיזיים.

      באמצעות סטרונציום מקורר בלייזר יצרו קיליאן והסטודנטים לתואר שני גרנט גורמן ומקנזי וורנס פלזמה בערך מעלה אחת מעל האפס המוחלט, או בערך -272 מעלות צלזיוס, ולכדו אותה בקצרה בכוחות מהמגנטים הסובבים. זו הפעם הראשונה שפלזמה אולטרה-קולטת מוגבלת מגנטית, וקיליאן, שלמד פלזמות אולטרה-קר מזה למעלה משני עשורים, אמר שהיא פותחת את הדלת ללימוד פלזמות במסגרות רבות.

      "זה מספק מיטת בדיקה נקייה וניתנת לשליטה לחקר פלזמות ניטרליות במקומות מורכבים הרבה יותר, כמו אווירת השמש או כוכבי ננסים לבנים", אמר קיליאן, פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה. "זה באמת מועיל שפלזמה תהיה כל כך קרה ומערכות מעבדה נקיות מאוד. ההתחלה במערכת פשוטה, קטנה, מבוקרת ומובנת היטב מאפשרת לך להסיר חלק מהבלאגן ולבודד באמת את התופעה שאתה רוצה לראות. "

      סטודנטית בוגרת אוניברסיטת רייס מקנזי וורנס מתאימה ניסוי קירור בלייזר במעבדת האטומים והפלזמות האולטרא-קולד של רייס. קרדיט: צילום: ג'ף פיטלו / אוניברסיטת רייס

      זה חשוב עבור מחבר שותף במחקר סטיבן בראדשו, אסטרופיזיקאי רייס המתמחה בחקר תופעות פלזמה על השמש.

      "לאורך האטמוספירה של השמש, השדה המגנטי (החזק) משפיע על הכל ביחס למה שהיית מצפה ללא שדה מגנטי, אך בדרכים מאוד עדינות ומסובכות שיכולות להכשיל אותך אם אין לך ממש הבנה טובה של זה, "אמר בראדשו, פרופסור חבר לפיזיקה ואסטרונומיה.

      פיסיקאים סולריים לעתים רחוקות זוכים לתצפית ברורה על מאפיינים ספציפיים באווירת השמש מכיוון שחלק מהאטמוספירה נע בין המצלמה לאותם תכונות, ותופעות לא קשורות באטמוספירה המתערבת מסתירות את מה שהיו רוצים לצפות.

      "למרבה הצער, בגלל בעיית קו הראייה הזו, מדידות תצפית של תכונות פלזמה קשורות למדי הרבה אי וודאות", אמר ברדשאו. "אך כאשר אנו משפרים את הבנתנו את התופעות, ובאופן מכריע, אנו משתמשים בתוצאות המעבדה לבדיקת וכיול המודלים המספריים שלנו, אז אנו מקווים שנוכל להפחית את חוסר הוודאות במדידות אלה."

      תמונות המופקות על ידי פלואורסצנטי המושרה על ידי לייזר מראות כיצד ענן המתרחב במהירות של פלזמה אולטרה-קר (צהוב וזהב) מתנהג כשהוא מוגבל על ידי מגנט רב-קושי. פלזמות אולטרא-קולד נוצרות במרכז החדר (משמאל) ומתרחבות במהירות, בדרך כלל מתפוגגות בכמה אלפיות השנייה. באמצעות שדות מגנטיים חזקים (ורודים) לכדו פיזיקאים מאוניברסיטת רייס והחזיקו פלזמות אולטרה-קר למשך כמה מאיות שנייה. על ידי לימוד האופן שבו פלזמות מתקשרות עם שדות מגנטיים חזקים בניסויים כאלה, החוקרים מקווים לענות על שאלות מחקר הקשורות לאנרגיית היתוך נקייה, פיזיקה סולארית, מזג אוויר בחלל ועוד. קרדיט: תמונה באדיבות אוניברסיטת ט. קיליאן / רייס

      פלזמה היא אחת מארבע מצבים בסיסיים של חומר, אך בניגוד למוצקים, נוזלים וגזים, פלזמות אינן בדרך כלל חלק מחיי היומיום מכיוון שהן נוטות להתרחש במקומות חמים מאוד כמו השמש, ברק או להבת נרות. כמו אותן פלזמות לוהטות, הפלזמות של קיליאן הן מרקים של אלקטרונים ויונים, אך הם הצטננו על ידי קירור בלייזר, טכניקה שפותחה לפני רבע מאה כדי ללכוד ולהאט חומר באמצעות אור.

      קיליאן אמר כי ההתקנה המגנטית של הארבע-עשרה ששימשה למלכודת הפלזמה היא חלק סטנדרטי מההתקנה האולטרה-קרירה בה משתמשים המעבדה שלו ואחרים כדי ליצור פלזמות אולטרה-קר. אך לגלות כיצד לתפוס פלזמה במגנטים הייתה בעיה קוצנית מכיוון שהשדה המגנטי מבלה הרס במערכת האופטית בה משתמשים הפיזיקאים בכדי לבחון פלזמות אולטרה קרות.

      "האבחון שלנו הוא פלואורסצנטי המושרה על ידי לייזר, בו אנו מאירים קרן לייזר על היונים בפלזמה שלנו, ואם תדירות הקרן נכונה בדיוק, היונים יתפזרו פוטונים ביעילות רבה," אמר. "אתה יכול לצלם אותם ולראות היכן היונים נמצאים, ואתה יכול אפילו למדוד את מהירותם על ידי הסתכלות על משמרת הדופלר, ממש כמו באמצעות אקדח מכ"ם כדי לראות כמה מהר נעה מכונית. אבל השדות המגנטיים עוברים למעשה סביב תדרי התהודה, ועלינו לפרק את השינויים בספקטרום שמגיעים מהשדה המגנטי מהמשמרות של דופלר שאנחנו מעוניינים לצפות בהם. "

      זה מסבך משמעותית את הניסויים, וכדי להפוך את העניינים למורכבים עוד יותר, השדות המגנטיים משתנים בצורה דרמטית בכל הפלזמה.

      פיזיקאים מאוניברסיטת רייס (משמאל) גרנט גורמן, טום קיליאן ומקנזי וורנס גילו כיצד לוכדים את הפלזמה הקרה בעולם בבקבוק מגנטי, הישג טכנולוגי שיכול לקדם את המחקר בנושא אנרגיה נקייה, מזג אוויר בחלל ופיזיקה סולארית. קרדיט: צילום: ג'ף פיטלו / אוניברסיטת רייס

      "אז אנחנו צריכים להתמודד לא רק עם שדה מגנטי, אלא עם שדה מגנטי שמשתנה בחלל, בצורה סבוכה למדי, כדי להבין את הנתונים ולהבין מה קורה בפלזמה", אמר קיליאן. "בילינו שנה רק בניסיון להבין מה אנחנו רואים ברגע שקיבלנו את הנתונים."

      התנהגות הפלזמה בניסויים הופכת מורכבת יותר גם על ידי השדה המגנטי. וזו בדיוק הסיבה שטכניקת הלכידה יכולה להיות שימושית כל כך.

      "יש הרבה מורכבות כאשר הפלזמה שלנו מתרחבת על פני קווי שדה אלה ומתחילה להרגיש את הכוחות ולהילכד", אמר קיליאן. "זו תופעה נפוצה באמת, אבל היא מאוד מסובכת ומשהו שאנחנו באמת צריכים להבין."

      דוגמה אחת מהטבע היא הרוח הסולארית, זרמי פלזמה בעלת אנרגיה גבוהה מהשמש הגורמים לאורורה בוריאליס, או אורות הצפון. כאשר פלזמה מרוח השמש פוגעת בכדור הארץ, היא מתקשרת עם השדה המגנטי של הפלנטה שלנו, ופרטי האינטראקציות הללו עדיין לא ברורים. דוגמה נוספת היא מחקר אנרגיית היתוך, שבו פיזיקאים ומהנדסים מקווים לשחזר את התנאים בתוך השמש כדי ליצור אספקה ​​עצומה של אנרגיה נקייה.

      פיסיקאי הפלזמה מאוניברסיטת רייס, סטיבן בראדשאו, בוחן התפרצויות שמש, חימום באווירת השמש, רוח שמש ותופעות אחרות בפיזיקה סולארית. קרדיט: ג'ף פיטלו / אוניברסיטת רייס

      קיליאן אמר כי ההתקנה המגנטית של ארבע הקופות בה השתמשו, גורמן וורנס בבקבוק הפלזמות האולטרה-קרות שלהם דומה לתכניות שפיתחו חוקרי אנרגיית היתוך בשנות השישים. הפלזמה להתמזגות צריכה להיות כ -150 מיליון מעלות צלזיוס, וההכנסה שלה בצורה מגנטית היא אתגר, אמר ברדשו, בין השאר בגלל שאלות שלא נענו על האופן שבו הפלזמה והשדות המגנטיים מתקשרים ומשפיעים זה על זה.

      "אחת הבעיות העיקריות היא לשמור על השדה המגנטי מספיק יציב מספיק זמן כדי להכיל את התגובה בפועל," אמר ברדשאו. "ברגע שיש סוג קטן של הפרעות בשדה המגנטי, הוא גדל ו"פפט," התגובה הגרעינית נהרסת.

      "כדי שזה יעבוד טוב, אתה צריך לשמור על דברים ממש ממש יציבים", אמר. "ושוב, הסתכלות על דברים בפלזמה מעבדה וטהורה באמת יכולה לעזור לנו להבין טוב יותר כיצד חלקיקים מתקשרים עם השדה."

      התייחסות: & # 8220 כליאה מגנטית של פלזמה נייטרלית אולטרה-קרדית & # 8221 מאת G. M. Gorman, M. K. Warrens, S. J. Bradshaw, and T. C. Killian, 25 בפברואר 2021, מכתבי סקירה פיזיים.
      DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.085002

      המחקר נתמך על ידי משרד המחקר המדעי של חיל האוויר ותוכנית המלגה הלאומית למחקר בוגר הקרן למדע.


      בודקים את המכשיר

      כדי לבדוק את יעילות הכלי, חוקרים ממרכז מדע הבריאות של אוניברסיטת טקסס בסן אנטוניו שלחו את HiccAway ליותר מ- 600 אנשים שדיווחו על שיהוקים לפחות פעם בחודש. התוצאות הראו כי הכלי הפסיק שיהוקים ב 92 אחוז מהזמן עבור 249 המשתתפים שתגובותיהם אומתו במחקר. יותר מ -90% מהמשתתפים אמרו שהיא יעילה יותר מתרופות ביתיות.

      "תרופות ביתיות רבות מורכבות מתמרונים פיזיים שנועדו לעורר התכווצות של הסרעפת ו / או סגירת אפיגלוטיס", נכתב במחקר שפורסם ב רשת JAMA פתוחה. "לתמרונים אלה אין הוראות ברורות ומתוקננות ויכולות להיות מסורבלות לביצוע, ויש מעט מחקרים מדעיים, אם בכלל, על יעילותם."

      ובכל זאת, ראוי לציין שהתוצאות התבססו על נתונים שדיווחו על עצמם, והמחקר לא כלל קבוצת ביקורת. מחקר עתידי יכול להשוות את היעילות של HiccAway למכשיר שנראה דומה אך אינו פועל.

      ראוי גם לציין כי אינך זקוק למכשיר של 14 $ כדי לעורר את הנרתיק ואת עצבי הפרני. ייתכן שתצטרך רק כוס מים וקשית. מאמר משנת 2006 שפורסם ב כתב העת הרפואי הבריטי ציין כי "תקע בשתי האוזניים בחוזקה, דחיפת טראגוס ימינה ושמאלה, ושתיית כוס המים כולה דרך הקש ללא הפסקה, מבלי לשחרר את הלחץ מעל האוזניים" היא שיטה "כמעט בלתי ניתנת לביצוע" להפסקת שיהוקים.

      מה אם שום דבר לא עוצר את השיהוקים שלך? שקול להתייעץ עם רופא: שיהוקים מתמשכים יכולים לסמן מצבים רפואיים בסיסיים, כולל דלקת לבלב, הריון וסרטן כבד, בין היתר.


      השלב הבא

      תזמן בדיקת השעיה

      השירות הפופולרי ביותר שהזמינו קוראי מאמר זה הוא בדיקת השעיה. לאחר שאובחנה הבעיה, תקבל הצעת מחיר מראש לתיקון המומלץ ותקבל הנחה של 20.00 $ כזיכוי לקראת התיקון. הטכנאים של YourMechanic מביאים אליך את הסוכנות על ידי ביצוע עבודה זו בביתך או במשרד 7 ימים בשבוע בין השעות 7: 00-21: 00. נכון לעכשיו אנו מכסים למעלה מ -2,000 ערים ויש לנו ביקורות של 100 אלף+ 5 כוכבים. למד עוד


      צפו בסרטון: Water Polo girl fight, from Universal Sports (יָנוּאָר 2022).