Más
de dos mil millones
de grados.
El artículo de Malcolm Haines
Publicado el
24 de febrero de 2006 en Physical Review Letters
Actualizado el 16 de julio de 2006 (
datos en el pie de página sobre la curva de aumento de corriente en
la Z-machine )
Actualización del 18 de marzo de 2008. Tras un artículo publicado en la revista Science et Avenir
Para no científicos:
Los lectores preguntan si estas temperaturas iónicas que superan
los dos mil millones de grados realmente han sido
medidas. La respuesta es sí. Sin embargo, un fenómeno
desconcertante se había observado ya desde 1998 en los experimentos de compresión de
plasma realizados con la Z-machine. Estos experimentos
habían utilizado configuraciones diversas. Por ejemplo, cuando la "jaula de canario" colapsaba, se enviaba un "chorro de gas", una "ráfaga de gas", justo en el centro, que entonces se comprimía. La emisión de rayos X permitía obtener una medición
de la temperatura electrónica. Un plasma es una mezcla de "dos especies": los
iones, pesados, y los electrones, ligeros. En un
"plasma de hierro", en hierro ionizado, los núcleos de
hierro
(56 nucleones, 26 protones) son 100.000 veces más pesados que los electrones
(los núcleos están compuestos por "nucleones" de masas muy próximas: protones y neutrones. Un electrón es 1850 veces más ligero que un protón).
Un tubo de neón también contiene "estas dos especies", electrones e iones de neón (aunque en este caso no han sido completamente despojados de su "corteza electrónica"). Cuando el tubo está funcionando contiene una mezcla "bitemperatura" donde el gas compuesto por átomos y iones de neón permanece frío. (puedes tocar el tubo con la mano), pero donde el "gas de electrones" está mucho más caliente, elevado hasta 10.000 °C. ¿Por qué no sientes este calor con la mano? Porque los electrones, pobres, son demasiado escasos para transmitirte energía, calor. Sin embargo, tienen suficiente energía para excitar, mediante colisiones, el recubrimiento fluorescente que reviste el interior del tubo. Por eso se llaman
tubos fluorescentes. La fluorescencia es la capacidad de absorber radiación y reemitirla en una frecuencia diferente. Por ejemplo, la fluoresceína absorbe la radiación solar y la reemite en verde. Las camisas de nailon pueden absorber radiación ultravioleta y reemitirla en el visible (es la "luz negra" de las discotecas elegantes), etc. Este recubrimiento blanco del tubo de neón es bombardeado por electrones que tienen energías correspondientes al rango del ultravioleta, pero al impactar en las sustancias que componen el recubrimiento provocan una reemisión en el visible. Este recubrimiento está compuesto de tal manera que, durante la reemisión, su luz sea lo más cercana posible a la luz visible. Pero no es del todo así. Por eso la luz de los neones te parece tan "extraña".
Lo que hay que recordar es que pueden existir medios "bitemperatura". La razón de esta situación
es que el campo eléctrico presente en el tubo, vinculado al voltaje aplicado a los electrodos, comunica prioridad de energía a los electrones, que luego la transfieren a los iones mediante colisiones. Pero como el intercambio de energía entre el gas de electrones y el gas de iones es poco eficiente, puede existir un gran desfase de temperatura. Esto se debe especialmente al hecho de que el medio está enrarecido. Si el tubo tiene fugas y la presión aumenta, esta "situación fuera de equilibrio" desaparece inmediatamente. Muy acoplado a los iones, el gas de electrones se enfría rápidamente. Entonces, estos electrones, menos "agitados" (la temperatura absoluta en un gas corresponde al movimiento de agitación térmica), regresan tranquilamente a los átomos que se desionizan, volviendo a ser neutros.
El experimento con la Z-machine condujo a una situación muy curiosa. En presencia hay dos especies:
- El gas de electrones - El gas de iones (en acero inoxidable, fundamentalmente núcleos de
hierro, cargados positivamente)
Desde 1998, cuando las personas intentaban explicar sus mediciones, solo tenían acceso a la temperatura
electrónica, realizando mediciones sobre los rayos
X emitidos. ¿Por qué el gas de electrones es en estos experimentos la principal fuente de este rayamiento? Porque alrededor del plasma hay un campo magnético muy intenso. Cuando los electrones, lanzados a 40.000 km/s, penetran en esta región donde reina este fuerte campo magnético, giran en espiral. Entonces "gritan", emiten un "radiación de frenado". Fue mediante mediciones de estos rayos X emitidos que los experimentadores midieron la temperatura de este gas de electrones: 35 millones de grados
en los experimentos descritos en este artículo.
Pero utilizando fórmulas (la "relación de Bennett"), si intentaban estimar la temperatura que debían tener los iones de hierro para contrarrestar la enorme
"presión magnética" exterior al plasma, debían admitir que esta temperatura debía ser considerablemente más alta. Desde 1998, sin importar los experimentos realizados, esta diferencia entre las dos temperaturas se imponía como una evidencia. Estos valores altos eran necesarios para que el plasma no fuera instantáneamente aplastado por la presión magnética. Se ve que esto sugería un estado fuera de equilibrio (en equilibrio termodinámico, todas las temperaturas de las especies que componen una mezcla gaseosa son iguales), una situación bitemperatura inversa a la del tubo de neón, donde ahora era el gas de iones el que estaba más caliente que el gas de electrones.
Observación simple: ¿Qué crea este "equilibrio termodinámico"? Son los intercambios de energía entre partículas, mediante colisiones. La energía, por ejemplo, es la energía cinética
1/2 m i
< v
i 2
. ¿Por qué el subíndice i? Porque un plasma es una mezcla de diferentes especies, v
i
es la velocidad de agitación térmica y < v
i 2
es la "velocidad cuadrática media". Así,
1/2 m i
< v
i 2
es la
energía cinética media, en la especie considerada. Esta es la definición misma de la temperatura absoluta, que cuantifica la energía cinética media (de agitación térmica) de una especie dada, según la relación:
3/2 k T i = 1/2 m i
< v
i 2
donde k es la constante de Boltzmann, que vale 1,38 × 10
-23
En las colisiones, las partículas intercambian energía. Este fenómeno tiende a la equipartición de energías. Cuando se trata de energía puramente cinética, las diferentes especies tienden a adquirir energías cinéticas de agitación térmica iguales. Por tanto, las
temperaturas absolutas
son iguales:
T i = T j
Sean dos partículas de masas diferentes m
i
y m
j
y sea i la más ligera.
La teoría cinética de los gases
nos dice que la tasa de transferencia de energía cinética en una colisión será proporcional al cociente
2 m
i / m j
Si las masas son muy diferentes, el retorno al equilibrio termodinámico será... laborioso. Es por eso que en un tubo fluorescente puede existir un estado fuera de equilibrio pronunciado (temperatura electrónica: 10.000 K, temperatura de iones y átomos neutros: 300 K, cociente 33). El campo eléctrico acelera nuevamente a los electrones entre colisiones (los iones, demasiado pesados, son poco sensibles). Mantiene este estado fuera de equilibrio. Si se apaga, el gas de electrones se enfría extremadamente rápido, al ritmo...