Разработана теоретическая модель распространения звуковых волн в плазме
Физики Казанского федерального университета (КФУ) разработали теоретическую модель, описывающую распространение звуковых волн в плотной плазме. Полученные результаты имеют важное значение для развития физики и энергетики.
Плотная плазма — это экстремальное состояние вещества, характеризующееся сверхвысокими давлениями и температурами. Она встречается в различных астрофизических объектах и образуется в процессе инерциального термоядерного синтеза. Отличительной особенностью плотной плазмы является дальнодействующий характер взаимодействия отдельных частиц, что приводит к уникальным эффектам в их коллективном поведении. Так, колебания плотности (звуковые волны) могут распространяться в ней на большие расстояния без значительного затухания.
Сотрудники Института физики КФУ разработали оригинальную теоретическую модель, описывающую коллективное поведение ионов в плотной плазме, и получили аналитические выражения для скорости и коэффициента затухания в ней звуковых волн.
«Характер коллективной динамики частиц, из которых образуются материалы — твердые тела, жидкости, газы — определяет их различные физические свойства, такие как распространение звука, теплоемкость, перенос массы и тепла. Если рассматривать кристаллическое твердое тело как систему взаимодействующих частиц, то для описания коллективной динамики таких систем применяется теоретическая концепция фононов, под которыми подразумеваются атомы или молекулы, располагающиеся в узлах кристаллической решетки и испытывающие колебательные движения. Наличие структурного порядка в кристаллах, а именно наличие регулярного расположения атомов/молекул, позволяет в рамках концепции фононов объяснить и теоретически корректно описать практически все известные физические процессы, связанные с коллективной динамикой частиц в кристаллах. Тем не менее, концепция фононов оказывается несостоятельной в случае описания коллективной динамики частиц в неупорядоченных, некристаллических системах, таких как жидкости, аморфные твердые тела, плотная плазма. В этом случае эффективной оказывается другая концепция — концепция временных корреляционных функций. Именно в рамках этой концепции ранее нами был разработан оригинальный общий теоретический формализм, который успешно применяется для описания различных физических процессов в жидкостях. В настоящей работе этот формализм был положен нами в основу теоретической модели, описывающей коллективную динамику частиц такой специфической и интересной физической системы как плотная плазма», — рассказал руководитель исследования, заведующий кафедрой вычислительной физики Института физики КФУ, профессор Анатолий Мокшин.
Неупорядоченные среды, по словам ученого, широко распространены как в природе, так и в технологических процессах. К таким системам относятся плазма компактных звезд и коллоидные растворы. Полученные теоретические результаты имеют важное значение для развития физики сильно коррелированных неупорядоченных систем многих частиц — области современной физики конденсированного состояния, которая изучает свойства таких сред, как плазма, жидкости, коллоидные суспензии и другие.
Исследование свойств плотной плазмы имеет важное практическое применение и в энергетике, поскольку она является рабочим телом в установках по инерциальному термоядерному синтезу. Кроме того, полученные результаты могут быть использованы для более глубокого понимания процессов в так называемой комплексной или пылевой плазме. Этот вид плазмы представляет собой уникальный физический объект, свойства которой исследуются, например, в условиях микрогравитации на Международной космической станции.