用184束激光对铍球进行冲击，科学家们发现了K壳层电子的秘密

来源:中科院半导体所发布时间:2023-06-221425浏览

来源：物理研究更新

作者：大锅天眼

在许多天体物理对象中，由于重力作用，物质会被压缩到极端的状态，其中原子核之间的距离接近于K壳层的尺寸。K壳层是原子中最内层的电子层，也是最紧密地与原子核结合的电子层。当原子核之间的距离小于K壳层的波函数范围时，这些电子就会受到邻近原子核的影响，从而改变了它们的能级和性质。当压力进一步增加时，这些电子就会从原子核上脱离，进入一个非局域化的状态，也就是说，它们不再属于某个特定的原子，而是在整个物质中自由移动。这种现象被称为K壳层去局域化。K壳层去局域化对物质的状态方程和辐射输运有着重要的影响，因此也影响了天体物理对象的结构和演化。然而，这种转变发生在什么条件下，以及K壳层在转变前有多大程度的改变，目前还不太清楚，实验数据也很少。为了实验观测K壳层去局域化，需要在实验室中创造出超过一千亿帕斯卡的压力，并且能够精确地测量物质的宏观条件和微观状态。这是一项非常困难的挑战，但是在美国国家点火装置上，科学家们成功地做到了。

NIF是世界上最大和最强大的激光装置，它可以同时发射184束激光束，对一个小球形靶进行高能量冲击。这个小球形靶是由铍制成的，并且包含了氘氚混合物作为燃料。当激光束照射到靶上时，靶会被压缩并加热，从而产生核聚变反应。这种反应会释放出大量的X射线，并且产生高温高压的等离子体。科学家们利用这些X射线来对等离子体进行精密的成像和散射实验。通过成像实验，他们可以测量出等离子体的密度、温度、压力等宏观参数。通过散射实验，他们可以测量出等离子体中电子和离子的微观状态，包括电荷、能级、结合能等。科学家们在NIF上进行了多次实验，并且得到了一系列有趣和重要的结果。他们发现，在最极端的条件下，等离子体中电子达到了量子简并状态，也就是说，电子的动能被压缩到了和电子的波函数相当的范围，从而表现出一些量子效应。这种状态下，等离子体的压缩比达到了30倍，温度达到了两百万开尔文。他们观察到，在最极端的条件下，散射实验中的弹性散射信号明显减弱，这主要是由于K壳层电子的贡献。他们将这种减弱归因于K壳层电子的去局域化，也就是说，这些电子从原子核上脱离，进入了非局域化的状态。他们根据散射数据推断出了等离子体中离子的电荷，并且发现，如果考虑了K壳层电子的去局域化，那么推断出的电荷与从头算模拟得到的结果非常吻合，但是明显高于广泛使用的分析模型预测的结果。这表明分析模型不能很好地描述K壳层去局域化的过程。这些结果为我们理解和模拟极端条件下物质的性质提供了新的视角和数据，也为我们探索天体物理对象的内部结构和演化提供了新的线索。

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编辑:薛定谔的薛定谔

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