Yüksek Enerji Yoğunluğu Fizik Araştırmalarından Sıradışı Sorunlara Yeni Bakışlar

16
Atomlar ve moleküller

Atomlar ve moleküller aşırı sıcaklıklarda ve basınçlarda çok farklı davranırlar. Böyle aşırı bir madde yeryüzünde doğal olarak bulunmasa da, evrende, özellikle de gezegenlerin ve yıldızların derin iç kısımlarında bol miktarda bulunur. Atomların yüksek basınç koşullarında (yüksek enerji yoğunluklu fizik (HEDP) olarak bilinen bir alan) nasıl tepki verdiğini anlamak, bilim adamlarına gezegen bilimi, astrofizik, füzyon enerjisi ve ulusal güvenlik alanlarında değerli bilgiler verir.

HED bilimi alanında önemli bir soru, yüksek basınç koşullarında maddenin geleneksel anlayışımızdan farklı yollarla radyasyonu nasıl yayabileceği ya da emebileceğidir.

Yüksek Enerji Yoğunluğu Fizik Araştırmalarından Sıradışı Sorunlara Yeni Bakışlar 1

Nature Communications’da yayınlanan bir makalede, Rochester Üniversitesi Lazer Energetics Laboratuvarı’nda (LLE) HEDP Teori Grubu’nun seçkin bir bilim adamı ve grup lideri Suxing Hu, LLE ve Fransa’dan meslektaşları ile birlikte fizik teorisi ve hesaplamaları uyguladı HEDP koşulları altında atomlarda ve moleküllerde radyasyonun taşınmasında iki yeni fenomen – türler arası radyasyon geçişinin (IRT) ve dipol seçim kuralının bozulmasının – tahmin edilmesi. Araştırma, HEDP anlayışını geliştirir ve yıldızların ve diğer astrofiziksel nesnelerin evrende nasıl geliştiği hakkında daha fazla bilgiye yol açabilir.

Türler Arası Radyasyon Geçişi (IRT) Nedir?

Işınımsal geçiş atomların ve moleküllerin içinde meydana gelen bir fizik işlemidir, burada elektronları veya elektronları bir fotonu yayarak / yayarak veya soğurarak farklı enerji seviyelerinden “sıçrayabilirler”. Bilim adamları, günlük yaşamımızdaki madde için, bu radyasyon geçişlerinin çoğunlukla her bir atom veya molekül içinde gerçekleştiğini; elektron atlamasını tek atom veya moleküle ait enerji seviyeleri arasında yapar ve atlama tipik olarak farklı atomlar ve moleküller arasında gerçekleşmez.

Bununla birlikte, Hu ve meslektaşları, atomlar ve moleküller HED koşulları altına yerleştirildiğinde ve birbirlerine çok yakın olacak şekilde sıkıldıklarında, radyasyon geçişlerinin komşu atomları ve molekülleri içerebileceğini tahmin ediyorlar.

Hu, “Elektronlar artık bir atomun enerji seviyelerinden diğer komşu atomların seviyelerine atlayabilir” diyor Hu.

Dipol Seçim Kuralı Nedir?

Bir atomun içindeki elektronların belirli simetrileri vardır. Örneğin, “s-dalga elektronları” her zaman küresel olarak simetriktir, yani atom merkezinde bulunan çekirdek ile bir top gibi görünürler; “P dalgası elektronları” ise haltere benziyor. D dalgaları ve diğer elektron durumları daha karmaşık şekillere sahiptir. Işınımsal geçişler çoğunlukla elektron sıçraması, atlama elektronunun şeklini s dalgasından p dalgasına, p dalgasından d dalgasına vb. Değiştirdiği dipol seçim kuralına uyduğunda gerçekleşir.

Normal, aşırı olmayan koşullar altında, Hu, “fotonları yayarak ya da absorbe ederek, s dalgasından s dalgasına ve p dalgasından p dalgasına kadar aynı şekiller arasında zıplayan elektronları neredeyse hiç görmez.”

Bununla birlikte, Hu ve meslektaşlarının bulduğu gibi, malzemeler egzotik HED durumuna çok sıkı sıkıştırıldığında, dipol seçim kuralı genellikle bozulur.

Hu, “Yıldızların merkezinde ve laboratuvar füzyon deneylerinin sınıflarında bulunan bu tür aşırı koşullar altında, daha önce hiç hayal edilmeyen dipol olmayan röntgen emisyonları ve emilim meydana gelebilir” diyor.

HEDP Çalışması için Süper Bilgisayarları Kullanma

Araştırmacılar, hesaplamalarını yapmak için hem Rochester Üniversitesi Entegre Araştırma Bilişim Merkezi’nde (CIRC) hem de LLE’de süper bilgisayarlar kullandılar.

“Yüksek enerjili lazer ve darbeli güç teknolojilerindeki muazzam gelişmeler sayesinde,“ dünyaya yıldız getirmek ”son on yıl boyunca gerçek oldu” diyor Hu.

Hu ve meslektaşları, karmaşık sistemlerde atomlar ve moleküller arasındaki bağların kuantum mekanik bir tanımını sunan yoğunluk-fonksiyonel teori (DFT) hesaplamasını kullanarak araştırmalarını gerçekleştirdiler. DFT yöntemi ilk olarak 1960’larda tanımlanmıştır ve 1998 Nobel Kimya Ödülü’ne konu olmuştur. DFT hesaplamaları o zamandan beri sürekli olarak geliştirildi. DFT hesaplamalarının çekirdek elektronları içermesini sağlamak için böyle bir gelişme, LLE’de bir bilim adamı ve makalenin ortak yazarı Valentin Karasev tarafından yapıldı.

Sonuçlar, bu aşırı madde sistemlerinin x-ışını spektrumlarında, daha önce bilinmeyen IRT kanallarından ve dipol seçim kuralının bozulmasından gelen yeni emisyon / emilim hatlarının olduğunu göstermektedir.

LLE’nin kıdemli bilim adamı ve makalenin ortak yazarı Hu ve Philip Nilson şu anda LLE’deki OMEGA lazer tesisinde bu yeni teorik tahminlerin test edilmesini içeren gelecek deneyleri planlıyorlar. Tesis, kullanıcıların nanosaniyelik zaman aralıklarında egzotik HED koşulları yaratmasına izin vererek, bilim insanlarının zorlu koşullardaki benzersiz davranışlarını araştırmasına izin veriyor.

Hu, “Deneyler tarafından doğru olduğu kanıtlanırsa, bu yeni keşifler radyasyon taşınmasının şu anda egzotik HED malzemelerinde nasıl işlendiğini derinden değiştirecektir” diyor Hu. “DFT tarafından öngörülen bu yeni emisyon ve soğurma kanalları ders kitaplarında şimdiye kadar hiç dikkate alınmadı.”


Kaynak: SX Hu, VV Karasiev, V. Recoules, PM Nilson, N. Brouwer ve M. Torrent, 24 Nisan 2020, Nature Communications tarafından “Sıcak ve süper yoğun plazma karışımlarında radyasyonlar arası geçişler arası”.

Bu araştırma, ABD Enerji Bakanlığı Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi ve New York Eyaleti Enerji Araştırma ve Geliştirme Kurumu tarafından desteklenen çalışmalara dayanmaktadır. Çalışma kısmen Ulusal Bilim Vakfı tarafından destekleniyor.

LLE 1970 yılında Üniversitede kuruldu ve ABD’deki en büyük ABD DOE üniversiteye dayalı araştırma programıdır. Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi tarafından Stok Yönetimi Yönetim Programının bir parçası olarak desteklenen ulusal olarak finanse edilen bir tesis olan LLE, füzyonu gelecekteki bir enerji kaynağı olarak keşfetmek, yeni lazer ve malzeme teknolojileri geliştirmek ve araştırma yapmak için patlama ve HED fenomenleri ile ilgili teknoloji geliştirmek.

YORUM YAP

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz