Лазерный мир

Физики из Германии, Швеции и США подогрели воду с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах и перевели ее в состояние теплого плотного вещества. При этом температура жидкости выросла на 160 тысяч градусов всего за 75 фемтосекунд, что делает разработанный учеными нагреватель самым быстрым в мире. Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), кратко о ней сообщает пресс-релиз DESY.

K. Beyerlein et al., / PNAS

Температура — это мера средней кинетической энергии молекул вещества. Чем быстрее движутся составляющие объект частицы, тем больше энергии они будут передавать при столкновениях с датчиком, прислоненным к объекту или помещенным в его объем (например, с градусником или пальцем), и тем горячее будет казаться объект. Следовательно, для нагревания тела нужно каким-нибудь образом сообщить ему энергию и разогнать его частицы. Этот способ используется и в обычной газовой плите, в которой передача энергии происходит непосредственно при контакте нагретой поверхности с телом, и в микроволновой печке, в которой молекулы воды заставляют колебаться электромагнитные волны. Молекулы воды при этом остаются стабильны на протяжении всего процесса нагревания.

Однако существуют и другие способы быстро разогреть молекулы воды. Например, группа ученых под руководством Карла Калмана (Carl Caleman) предлагает использовать для этого мощный, но короткий импульс рентгеновского лазера на свободных электронах (X-ray Free-Electron Laser). При облучении подобным импульсом электроны оторвутся от своих молекул, межатомные связи разрушатся, вещество ионизируется, и между атомами возникнет сильная отталкивающая сила, которая будет эффективно их разгонять. В результате образец быстро нагреется до внушительной температуры, а жидкость превратится в плазму. При этом плотность ее практически не изменится, поскольку ионизированные молекулы не успеют заметно «разбежаться» за время облучения лазером.

Схема экспериментальной установки
K. Beyerlein et al. / PNAS

Предложенный способ физики сразу же проверили на практике. Для этого они направили на небольшой объем воды лазерное излучение, рождающееся на линейном ускорителе в Национальной лаборатории SLAC (Linac Coherent Light Source). Энергия лазерного импульса достигала 6,86 килоэлектронвольт, средний поток его энергии превышал миллион джоулей на сантиметр квадратный, а продолжительность составляла в разных экспериментах 25 или 75 фемтосекунд (фемтосекунда = 10−15 секунд). После такого воздействия межатомные связи в молекуле воды разрушались, вещество сильно ионизировалось и разогревалось до температуры порядка 40 тысяч кельвинов (более короткий импульс) или 160 тысяч кельвинов (длинный импульс). При этом скорость ионов кислорода в образце достигала 2544 или 6266 метров в секунду в зависимости от длины импульса, тогда как скорость звука в воде в обычных условиях составляет всего 1500 метров в секунду. Это указывает на то, что вещество перешло в состояние плазмы. В то же время, объем жидкости в течение импульса измениться не успел, поэтому резко возросшая скорость столкновений ионов заставила давление в системе подняться до нескольких миллионов атмосфер. Таким образом, вода перешла в состояние теплого плотного вещества.

Кроме того, исследователи экспериментально измерили, как интенсивность рассеяния ионов зависит от величины импульса рассеяния и температуры вещества, а затем сравнили ее с данными численных расчетов с помощью методов молекулярной динамики. Оказалось, что при увеличении температуры пик рассеяния немного смещается в сторону меньших импульсов. Также ученые численно рассчитали распределение для расстояния между атомами кислорода в воде при комнатной температуре и температуре около 10 тысяч градусов, а также в ионизированной жидкости. Выяснилось, что при больших температурах это распределение размывается, причем в плазме его пик смещается в сторону меньших расстояний. В будущем ученые планируют более подробно изучить экзотическое состояние воды, в которую она переходит при таком быстром разогревании.

Источник: https://nplus1.ru/news/2018/05/15/warm-dense-water