Können Magnetfelder Gas in Plasma umwandeln

Stationäres homogenes Magnetfeld und ruhendes Gas

Grundsätzlich hat die Bahn eines Elektrons in einem Atom ein magnetisches Moment und als solches eine andere Energie, wenn es richtig auf das Magnetfeld ausgerichtet ist. Dies sollte also mit einem ausreichend starken Magnetfeld möglich sein, die Frage ist, wie stark .

Wir können sogar diesen Effekt der Verschiebung der Energieniveaus eines Atoms in einem Magnetfeld untersuchen, diese werden Zeeman- Effekt bei schwachen Feldern und Paschen-Back- Effekte bei starken Feldern genannt. Im starken Feld verschieben sich die Energieniveaus des Atoms einfach um eine Ordnungsenergie$B \mu_b$, Wo$\mu_b \approx 6 \times 10^{-5} eV/T$.

Jetzt sehen wir das, wenn wir die Umlaufbahn verformen wollen, damit die Bindungsenergien eines Elektrons im Atom$\sim 10 eV$zu Nullen verschoben werden und die Elektronen frei werden, brauchen wir ein magnetisches Ordnungsfeld$10^6 T$. Dies ist ein immenses Magnetfeld. Meines Wissens kann ein solches Feld nur an extremen astrophysikalischen Objekten wie Weißen Zwergen, Neutronensternen oder nahe akkretierenden Schwarzen Löchern erzeugt werden. Sicherlich nicht Ihr terrestrisches Labor, in dem wir normalerweise Felder bis zu mehreren zehn Tesla erzeugen können (Tokamaks, Teilchenbeschleuniger).

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Zeitvariables Feld

Mal sehen, ob wir eine "Abkürzung" zur Freisetzung eines Elektrons aus dem Atom machen können, indem wir das Feld sehr schnell ändern oder das Gas mit hoher Geschwindigkeit in das Feld injizieren.

Die Zeitskalen der Bahnen des Elektrons im Atom sind$\sim 10^{-15} s$. Das bedeutet, es sei denn, Sie haben ein magnetisches Feld von Frequenzen$\sim 10^{15} Hz$(was Sie aus mehr als einem Grund nicht tun), muss die Wirkung eines zeitvariablen Magnetfelds auf ein stehendes Atom als stationär verstanden werden, da es sich immer viel langsamer ändert als jede dynamische Skala der Elektronenbahn und der Bahn wird zwischen den durch unterschiedliche Werte des Magnetfelds gegebenen Zuständen immer quasistationär wechseln können.

Nun zum Atom, das in das Magnetfeld injiziert wird. Wir müssen davon ausgehen, dass es einen endlichen Übergang zwischen dem Feld von Null und voller Stärke gibt. Mit etwas Großzügigkeit kann davon ausgegangen werden, dass es sich um Befehle handelt$10^{-3} m$aber wird wohl länger dauern. Wenn wir dann wollen, dass sich das Magnetfeld im Bezugssystem des Atoms auf einer Zeitskala ändert$\sim 10^{-15} s$, müssen wir eine relativistische Analyse durchführen, da uns eine naive Newtonsche Analyse eine erforderliche Geschwindigkeit liefert$\sim 10^{12} m s^{-1}$, vier Ordnungen über der Lichtgeschwindigkeit.

Im relativistischen Fall haben wir eine Längenkontraktion proportional zu$\gamma^{-1} =\sqrt{1-v^2/c^2}$im Atomruhesystem, so erhalten wir, dass die Geschwindigkeit erfüllt

$$\frac{v}{\sqrt{1-v^2/c^2}} \sim 10^{12} ms^{-1}$$ was zu einer Geschwindigkeit führt, die extrem nahe an der Lichtgeschwindigkeit und einem Gammafaktor liegt $\gamma \sim 10^8$. Das sind viele Bestellungen mehr als die $\gamma \sim 10^3$Wir quetschen uns aus dem LHC für einzelne Protonen!

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Induziertes Potenzial

Aber es gibt noch einen weiteren Effekt zu berücksichtigen, und das ist, dass sich das stationäre Magnetfeld im Rahmen des sich bewegenden Atoms in ein statisches elektrisches Feld umwandelt, das ist$E =\gamma vB$für die Geschwindigkeit senkrecht zum Magnetfeld. Ich füge automatisch den relativistischen Faktor hinzu, weil wir ihn brauchen werden. Dies liegt daran, da die Elektronenbindungsenergie ist$\sim 10 eV$die potentielle Energie von einem Ende des Atoms zum anderen muss sein$\sim 10V$!

Nehmen wir nun an, das Magnetfeld sei$B\sim 10 T = 10 V m^{-2} s$. Die potentielle Energie über die kurze Distanz ist einfach$E r_a$, Wo$r_a \sim 10^{-10} m$ist der Abstand zwischen dem Elektron und dem Atomkern. das bedeutet, dass die Geschwindigkeit erfüllen muss$\gamma v B r_a \sim 10 V$oder

$$\frac{v}{1-v^2/c^2} = 10^8 m s^{-1}$$ was wiederum einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit und einem Gammafaktor der Ordnung eins entspricht (aber bis zu Einheiten größer als eins). Wir wissen, wie man geladene Teilchen auf diese Geschwindigkeiten beschleunigt, aber sicherlich keine neutralen Objekte, daher ist dies auch unrealistisch.

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Die Antwort lautet also ja, im Prinzip ist es möglich, das Gas entweder mit hoher Geschwindigkeit in ein Magnetfeld zu injizieren oder es extrem starken Magnetfeldern auszusetzen, aber wir haben sicherlich nicht die Werkzeuge, um dies in einem terrestrischen Labor zu tun.

Normalerweise nein. Mit einem außergewöhnlichen Magnetfeld oder einem hochrelativistischen Gas, das in ein Magnetfeld übergeht, könnten Sie dies jedoch tun. Ein Wasserstoffatom hat$13.7$ev Ionisationsenergie. Die Kraft, die das Elektron am Proton hält, hat Magnetidue

$$F~=~k\frac{e^2}{r^2}, k~=~9\times 10^9Nm^2/coul^2$$ wofür $r~=~a$ $\simeq~.5\times 10^{10}m$. Diese Kraft ist ungefähr $9\times 10^{-8}N$. Wenn ein Wasserstoffatom in einen Magnetfeldbereich eintritt, so erfährt das Elektron eine Kraft, die gleich oder größer als diese ist, kann es dann entkommen. Die Größe der Lorentzkraft $\vec F~=~q\vec v\times\vec B$für die Geschwindigkeit senkrecht zur $10^6G$Magnetfeld erfordern würde $v~\sim~10^4m/s$um das Elektron aus dem Atom zu ziehen. Ein Gas, das mit dieser Stärke und Geschwindigkeit in ein Magnetfeld eintritt, würde ionisieren.