Astronomia

A maior parte do hidrogênio no universo está na forma de plasma, hidrogênio atômico neutro, hidrogênio ionizado ou molecular?

A maior parte do hidrogênio no universo está na forma de plasma, hidrogênio atômico neutro, hidrogênio ionizado ou molecular?



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Tive dificuldade em encontrar uma resposta em algum lugar ...

Alguns lugares dizem que a maior parte do hidrogênio é plasma, como a matéria de que as estrelas são feitas (principalmente) e o "plasma intergaláctico quente-quente".

Outros lugares dizem que o hidrogênio atômico neutro (H (I) para os astrônomos), como o material no meio interestelar, é o mais comum ...


@HurtHikes, espero que isso responda sua pergunta,

De acordo com a Wikipedia, a maior parte do hidrogênio está na forma dos estados Atômico e Plasma.

Em todo o universo, o hidrogênio é encontrado principalmente nos estados atômico e plasmático, com propriedades bem distintas das do hidrogênio molecular.

A intuição diz que, porque, como diz este link, 99,9% da matéria no universo é plasma, a maior parte do hidrogênio no universo também deve estar presente no estado de plasma.

"99,9 por cento do Universo é feito de plasma", diz o Dr. Dennis Gallagher, físico de plasma do Marshall Space Flight Center da NASA. "Muito pouco material no espaço é feito de rocha como a Terra."

Este link contém os cálculos para determinar a quantidade de Hidrogênio no Plasma em relação à quantidade total de Plasma (se alguém estiver interessado ...)

As estrelas são feitas de um material relativamente simples. Em massa, nosso Sol é 73% hidrogênio, 26% hélio e apenas 1% dos átomos Z (número atômico) superiores.

X = mHnH / r = densidade de hidrogênio / densidade total

Embora eu não tenha certeza sobre a resposta real sobre o mesmo, ficarei grato se alguém puder apontar a resposta certa. E embora eu tenha feito todos os esforços para remover e retificar erros, se houver algum erro em minha resposta, ficarei grato se alguém puder apontá-lo.


Hidrogênio molecular

2.3.2 Hidrogênio molecular

O hidrogênio molecular foi observado acidentalmente pela primeira vez por Theophrastus von Hohenheim, também conhecido como Paracelsus, que observou que o ataque de ácidos fortes contra metais gerava um gás inflamável. Outros químicos e físicos repetiram sua experiência, incluindo Robert Boyle, que descreveu as propriedades desse gás inflamável em 1671. O crédito da descoberta de que o gás gerado era feito de um novo elemento é comumente atribuído a Henry Cavendish porque ele foi capaz de isolá-lo e medir suas propriedades relevantes em 1776. Pouco depois, em 1783, Antoine Lavoisier deu ao novo elemento o nome hidrogênio depois que ele descobriu em colaboração com Pierre-Simon Laplace que queimar no ar produzia água. Etimologicamente, hidrogênio significa formar, genes, agua, hidro, ambas as palavras derivadas do grego antigo.

Os isótopos de hidrogênio podem se combinar e formar moléculas diatômicas. Uma vez que o trítio é instável e radioativo, apenas as moléculas que compreendem protium e deutério, H2, HD, D2, são de interesse prático. O hidrogênio molecular é, portanto, uma mistura dessas três moléculas. Como será explicado a seguir, H2 e D2 existem em duas modificações cada, de modo que o hidrogênio molecular é naturalmente uma mistura de cinco compostos (HD e as duas modificações para H2 e os dois para D2) No entanto, sendo o deutério raramente abundante em relação ao prótio, o hidrogênio molecular pode ser aproximado de ser apenas H2 para aplicações industriais.


Conteúdo

O plasma foi identificado pela primeira vez em laboratório por Sir William Crookes. Crookes apresentou uma palestra sobre o que chamou de "matéria radiante" para a Associação Britânica para o Avanço da Ciência, em Sheffield, na sexta-feira, 22 de agosto de 1879. [13] No entanto, estudos sistemáticos de plasma começaram com a pesquisa de Irving Langmuir e seu colegas em 1920. Langmuir também introduziu o termo "plasma" como uma descrição de gás ionizado em 1928: [14]

Exceto perto dos eletrodos, onde há bainhas contendo muito poucos elétrons, o gás ionizado contém íons e elétrons em números quase iguais, de modo que a carga espacial resultante é muito pequena. Devemos usar o nome plasma para descrever esta região contendo cargas equilibradas de íons e elétrons.

Lewi Tonks e Harold Mott-Smith, os quais trabalharam com Langmuir na década de 1920, lembram que Langmuir usou o termo pela primeira vez por analogia com o plasma sanguíneo. [15] [16] Mott-Smith lembra, em particular, que o transporte de elétrons dos filamentos termiônicos lembrou Langmuir da "maneira como o plasma sanguíneo carrega corpúsculos e germes vermelhos e brancos." [17]

O quarto estado da matéria

O plasma é chamado de quarto estado da matéria após sólido, líquido e gás. [18] [19] [20] É um estado da matéria no qual uma substância ionizada torna-se altamente condutora de eletricidade a ponto de os campos elétricos e magnéticos de longo alcance dominarem seu comportamento. [21] [22]

O plasma é tipicamente um meio eletricamente quase neutro de partículas positivas e negativas não ligadas (isto é, a carga total de um plasma é aproximadamente zero). Embora essas partículas não estejam ligadas, elas não são "livres" no sentido de não experimentar forças. Partículas carregadas em movimento geram correntes elétricas e qualquer movimento de uma partícula de plasma carregada afeta e é afetado pelos campos criados por outras cargas. Por sua vez, isso governa o comportamento coletivo com muitos graus de variação. [23] [24]

O plasma é diferente dos outros estados da matéria. Em particular, descrever um plasma de baixa densidade como meramente um "gás ionizado" é errado e enganoso, embora seja semelhante à fase gasosa em que ambos não assumem forma ou volume definidos. A tabela a seguir resume algumas das principais diferenças:

Propriedade Gás Plasma
Interações Binário: Colisões de duas partículas são a regra, colisões de três corpos extremamente raras. Coletivo: As ondas, ou movimento organizado do plasma, são muito importantes porque as partículas podem interagir a longas distâncias por meio das forças elétricas e magnéticas.
Condutividade elétrica Muito baixo: Os gases são excelentes isolantes até intensidades de campo elétrico de dezenas de quilovolts por centímetro. [25] Muito alto: Para muitos propósitos, a condutividade de um plasma pode ser tratada como infinita.
Espécies de ação independente Um: Todas as partículas de gás se comportam de maneira semelhante, amplamente influenciadas por colisões umas com as outras e pela gravidade. Dois ou mais: Elétrons e íons possuem cargas diferentes e massas imensamente diferentes, de modo que se comportam de maneira diferente em muitas circunstâncias, com vários tipos de ondas específicas de plasma e instabilidades emergindo como resultado.
Distribuição de velocidade Maxwellian: As colisões geralmente levam a uma distribuição de velocidade Maxwelliana de todas as partículas de gás. Frequentemente não Maxwelliano: As interações colisionais são relativamente fracas em plasmas quentes e as forças externas podem levar o plasma para longe do equilíbrio local.

Plasma ideal

Três fatores definem um plasma ideal: [26] [27]

  • A aproximação do plasma: A aproximação de plasma se aplica quando o parâmetro de plasma Λ, [28] que representa o número de portadores de carga dentro da esfera de Debye é muito maior do que a unidade. [21] [22] Pode ser facilmente mostrado que este critério é equivalente à pequenez da razão das densidades de energia eletrostática e térmica do plasma. Esses plasmas são chamados de acoplamento fraco. [29]
  • Interações em massa: O comprimento Debye é muito menor do que o tamanho físico do plasma. Este critério significa que as interações na maior parte do plasma são mais importantes do que aquelas em suas bordas, onde os efeitos de limite podem ocorrer. Quando este critério é satisfeito, o plasma é quase neutro. [30]
  • Sem colisões: A frequência do plasma do elétron (medindo as oscilações dos elétrons no plasma) é muito maior do que a frequência de colisão do elétron-neutro. Quando esta condição é válida, as interações eletrostáticas dominam os processos da cinética normal dos gases. Esses plasmas são chamados de não colisões. [31]

Plasma não neutro

A intensidade e o alcance da força elétrica e a boa condutividade dos plasmas geralmente garantem que as densidades de cargas positivas e negativas em qualquer região considerável sejam iguais ("quaseutralidade"). Um plasma com um excesso significativo de densidade de carga ou, no caso extremo, composto de uma única espécie, é denominado plasma não neutro. Em tal plasma, os campos elétricos desempenham um papel dominante. Exemplos são feixes de partículas carregadas, uma nuvem de elétrons em uma armadilha Penning e plasmas de pósitrons. [32]

Plasma empoeirado

Um plasma empoeirado contém minúsculas partículas carregadas de poeira (normalmente encontradas no espaço). As partículas de poeira adquirem altas cargas e interagem umas com as outras. Um plasma que contém partículas maiores é denominado plasma de grãos. Em condições de laboratório, plasmas empoeirados também são chamados plasmas complexos. [33]

Densidade e grau de ionização

Temperatura

A temperatura plasmática, comumente medida em kelvin ou eletronvolts, é uma medida da energia cinética térmica por partícula. Geralmente, altas temperaturas são necessárias para sustentar a ionização, que é uma característica definidora de um plasma. O grau de ionização do plasma é determinado pela temperatura do elétron em relação à energia de ionização (e mais fracamente pela densidade). No equilíbrio térmico, a relação é dada pela equação de Saha. Em baixas temperaturas, íons e elétrons tendem a se recombinar em estados ligados - átomos [35] - e o plasma eventualmente se tornará um gás.

Na maioria dos casos, os elétrons e as partículas de plasma pesado (íons e átomos neutros) separadamente têm uma temperatura relativamente bem definida, ou seja, sua função de distribuição de energia é próxima a de um Maxwell, mesmo na presença de fortes campos elétricos ou magnéticos. No entanto, devido à grande diferença de massa entre elétrons e íons, suas temperaturas podem ser diferentes, às vezes de forma significativa. Isso é especialmente comum em plasmas tecnológicos fracamente ionizados, onde os íons costumam estar próximos da temperatura ambiente, enquanto os elétrons atingem milhares de Kelvin. [ citação necessária ] O caso oposto é o plasma z-pinch, onde a temperatura do íon pode exceder a dos elétrons. [36]

Potencial de plasma

Como os plasmas são condutores elétricos muito bons, os potenciais elétricos desempenham um papel importante. [ esclarecimento necessário ] O potencial médio no espaço entre as partículas carregadas, independente de como possa ser medido, é denominado "potencial plasmático" ou "potencial espacial". Se um eletrodo for inserido em um plasma, seu potencial geralmente ficará consideravelmente abaixo do potencial do plasma devido ao que é denominado uma bainha de Debye. A boa condutividade elétrica dos plasmas torna seus campos elétricos muito pequenos. Isso resulta no importante conceito de "quaseutralidade", que diz que a densidade de cargas negativas é aproximadamente igual à densidade de cargas positivas em grandes volumes do plasma (n e = ⟨Z⟩ n i < displaystyle n_= langle Z rangle n_>), mas na escala do comprimento de Debye pode haver desequilíbrio de carga. No caso especial que camadas duplas são formados, a separação de carga pode estender algumas dezenas de comprimentos de Debye. [ citação necessária ]

A magnitude dos potenciais e campos elétricos deve ser determinada por outros meios do que simplesmente encontrar a densidade de carga líquida. Um exemplo comum é assumir que os elétrons satisfazem a relação de Boltzmann:

Diferenciar esta relação fornece um meio de calcular o campo elétrico a partir da densidade:

É possível produzir um plasma que não seja quase neutro. Um feixe de elétrons, por exemplo, tem apenas cargas negativas. A densidade de um plasma não neutro geralmente deve ser muito baixa, ou deve ser muito pequena, caso contrário, será dissipada pela força eletrostática repulsiva. [38]

Em plasmas astrofísicos, a triagem de Debye evita que os campos elétricos afetem diretamente o plasma em grandes distâncias, ou seja, maiores do que o comprimento de Debye. No entanto, a existência de partículas carregadas faz com que o plasma gere e seja afetado por campos magnéticos. Isso pode causar e causa um comportamento extremamente complexo, como a geração de camadas duplas de plasma, um objeto que separa a carga em algumas dezenas de comprimentos de Debye. A dinâmica dos plasmas interagindo com campos magnéticos externos e autogerados são estudados na disciplina acadêmica de magnetohidrodinâmica. [39]

Magnetização

Diz-se que o plasma com um campo magnético forte o suficiente para influenciar o movimento das partículas carregadas é magnetizado. Um critério quantitativo comum é que uma partícula em média completa pelo menos uma rotação em torno da linha do campo magnético antes de fazer uma colisão, ou seja, ν c e / ν c o l l & gt 1 < displaystyle nu _ < mathrm > / nu _ < mathrm > & gt1>, onde ν c e < displaystyle nu _ < mathrm >> é a girofrequência de elétrons e ν c o l l < displaystyle nu _ < mathrm >> é a taxa de colisão de elétrons. É comum que os elétrons sejam magnetizados, enquanto os íons não. Plasmas magnetizados são anisotrópico, o que significa que suas propriedades na direção paralela ao campo magnético são diferentes daquelas perpendiculares a ele. Embora os campos elétricos nos plasmas sejam geralmente pequenos devido à alta condutividade do plasma, o campo elétrico associado a um plasma se movendo com velocidade v < displaystyle mathbf > no campo magnético B < displaystyle mathbf > é dado pela fórmula usual de Lorentz E = - v × B < displaystyle mathbf = - mathbf times mathbf >, e não é afetado pela blindagem Debye. [40]

Para descrever completamente o estado de um plasma, todas as localizações e velocidades das partículas que descrevem o campo eletromagnético na região do plasma precisariam ser anotadas. No entanto, geralmente não é prático ou necessário manter o controle de todas as partículas em um plasma. [ citação necessária ] Portanto, os físicos do plasma comumente usam descrições menos detalhadas, das quais existem dois tipos principais:

Modelo fluido

Os modelos de fluidos descrevem plasmas em termos de quantidades suavizadas, como densidade e velocidade média em torno de cada posição (consulte Parâmetros de plasma). Um modelo de fluido simples, magnetohidrodinâmica, trata o plasma como um único fluido governado por uma combinação das equações de Maxwell e as equações de Navier-Stokes. Uma descrição mais geral é o plasma de dois fluidos, [42] onde os íons e elétrons são descritos separadamente. Modelos de fluidos geralmente são precisos quando a colisionalidade é suficientemente alta para manter a distribuição da velocidade do plasma próxima à distribuição de Maxwell-Boltzmann. Como os modelos de fluido geralmente descrevem o plasma em termos de um único fluxo em uma determinada temperatura em cada localização espacial, eles não podem capturar estruturas espaciais de velocidade como feixes ou camadas duplas, nem resolver efeitos de partícula de onda. [ citação necessária ]

Modelo cinético

Os modelos cinéticos descrevem a função de distribuição da velocidade das partículas em cada ponto do plasma e, portanto, não precisam assumir uma distribuição de Maxwell-Boltzmann. Uma descrição cinética é freqüentemente necessária para plasmas sem colisão. Existem duas abordagens comuns para a descrição cinética de um plasma. Um é baseado na representação da função de distribuição suavizada em uma grade em velocidade e posição. A outra, conhecida como técnica de partícula na célula (PIC), inclui informações cinéticas ao seguir as trajetórias de um grande número de partículas individuais. Os modelos cinéticos são geralmente mais computacionalmente intensivos do que os modelos de fluidos. A equação de Vlasov pode ser usada para descrever a dinâmica de um sistema de partículas carregadas interagindo com um campo eletromagnético. Em plasmas magnetizados, uma abordagem girocinética pode reduzir substancialmente a despesa computacional de uma simulação totalmente cinética. [ citação necessária ]

Plasmas são objeto de estudo do meio acadêmico da ciência do plasma ou física de plasma, [43] incluindo subdisciplinas como física de plasma espacial. Atualmente envolve os seguintes campos de pesquisa ativa e recursos em muitos periódicos, cujo interesse inclui:

Os plasmas podem aparecer na natureza em várias formas e locais, que podem ser resumidos de forma bastante ampla na seguinte Tabela:

  • Aqueles encontrados em telas de plasma, incluindo telas de TV.
  • Dentro de lâmpadas fluorescentes (iluminação de baixa energia), letreiros de néon [46]
  • Escape de foguete e propulsores de íons
  • A área na frente do escudo térmico de uma espaçonave durante a reentrada na atmosfera
  • Dentro de uma pesquisa de gerador de ozônio de descarga corona
  • O arco elétrico em uma lâmpada de arco, um soldador de arco ou tocha de plasma
  • Bola de plasma (às vezes chamada de esfera de plasma ou globo de plasma)
  • Arcos produzidos por bobinas de Tesla (transformador de núcleo de ar ressonante ou bobina disruptiva que produz arcos semelhantes a raios, mas com corrente alternada em vez de eletricidade estática)
  • Plasmas usados ​​na fabricação de dispositivos semicondutores, incluindo corrosão de íons reativos, pulverização catódica, limpeza de superfície e plasmas produzidos por deposição química de vapor (LPP) aprimorados por plasma, encontrados quando lasers de alta potência interagem com materiais. (ICP), formado tipicamente em gás argônio para espectroscopia de emissão óptica ou espectrometria de massa
  • Plasmas induzidos magneticamente (MIP), normalmente produzidos usando microondas como um método de acoplamento ressonante (CCP) (DBD)

    (plasmas aquecidos por fusão nuclear)
  • O vento solar
  • O meio interplanetário
    (espaço entre planetas)
  • O meio interestelar
    (espaço entre os sistemas estelares)
  • O meio intergaláctico
    (espaço entre galáxias)
  • O tubo Io-Jupiterflux
  • Nebulosas interestelares

Espaço e astrofísica

Plasmas são de longe a fase mais comum da matéria comum no universo, tanto em massa quanto em volume. [48]

Acima da superfície da Terra, a ionosfera é um plasma, [49] e a magnetosfera contém plasma. [50] Em nosso Sistema Solar, o espaço interplanetário é preenchido com o plasma expelido pelo vento solar, estendendo-se da superfície do Sol até a heliopausa. Além disso, todas as estrelas distantes e grande parte do espaço interestelar ou intergaláctico também estão provavelmente preenchidos com plasma, embora em densidades muito baixas. Plasmas astrofísicos também são observados em discos de Acreção ao redor de estrelas ou objetos compactos como anãs brancas, estrelas de nêutrons ou buracos negros em sistemas estelares binários próximos. [51] O plasma está associado à ejeção de material em jatos astrofísicos, que foram observados em buracos negros de acréscimo [52] ou em galáxias ativas como o jato de M87, que possivelmente se estende por até 5.000 anos-luz. [53]

Plasmas artificiais

A maioria dos plasmas artificiais são gerados pela aplicação de campos elétricos e / ou magnéticos através de um gás. O plasma gerado em um ambiente de laboratório e para uso industrial pode ser geralmente classificado por:

  • O tipo de fonte de energia usada para gerar o plasma - DC, AC (normalmente com radiofrequência (RF)) e microondas [citação necessária]
  • A pressão em que operam - pressão de vácuo (& lt 10 mTorr ou 1 Pa), pressão moderada (≈1 Torr ou 100 Pa), pressão atmosférica (760 Torr ou 100 kPa) [citação necessária]
  • O grau de ionização dentro do plasma - totalmente, parcialmente ou fracamente ionizado [citação necessária]
  • As relações de temperatura dentro do plasma — plasma térmico (T e = T i = T g a s < displaystyle T_= T_= T_>), plasma não térmico ou "frio" (T e ≫ T i = T g a s < displaystyle T_ gg T_= T_> ) [citação necessária]
  • A configuração do eletrodo usada para gerar o plasma [citação necessária]
  • A magnetização das partículas dentro do plasma - magnetizadas (íons e elétrons são aprisionados nas órbitas de Larmor pelo campo magnético), parcialmente magnetizadas (os elétrons, mas não os íons, são aprisionados pelo campo magnético), não magnetizados (o campo magnético é muito fraco para prender as partículas em órbitas, mas pode gerar forças de Lorentz) [citação necessária]

Geração de plasma artificial

Assim como os diversos usos do plasma, existem vários meios para sua geração. No entanto, um princípio é comum a todos eles: deve haver entrada de energia para produzi-lo e mantê-lo. [54] Para este caso, o plasma é gerado quando uma corrente elétrica é aplicada através de um gás ou fluido dielétrico (um material eletricamente não condutor), como pode ser visto na imagem adjacente, que mostra um tubo de descarga como um exemplo simples (DC usado para simplificar). [ citação necessária ]

A diferença de potencial e o campo elétrico subsequente puxam os elétrons ligados (negativos) em direção ao ânodo (eletrodo positivo) enquanto o cátodo (eletrodo negativo) puxa o núcleo. [55] À medida que a tensão aumenta, a corrente tensiona o material (por polarização elétrica) além de seu limite dielétrico (denominado resistência) em um estágio de colapso elétrico, marcado por uma faísca elétrica, onde o material se transforma de isolante em condutor (à medida que se torna cada vez mais ionizado). O processo subjacente é a avalanche de Townsend, onde colisões entre elétrons e átomos de gás neutro criam mais íons e elétrons (como pode ser visto na figura à direita). O primeiro impacto de um elétron em um átomo resulta em um íon e dois elétrons. Portanto, o número de partículas carregadas aumenta rapidamente (na casa dos milhões) apenas "após cerca de 20 conjuntos sucessivos de colisões", [56] principalmente devido a um pequeno caminho livre médio (distância média percorrida entre as colisões). [ citação necessária ]

Arco eletrico

Com ampla densidade de corrente e ionização, isso forma um arco elétrico luminoso (uma descarga elétrica contínua semelhante a um raio) entre os eletrodos. [Nota 1] A resistência elétrica ao longo do arco elétrico contínuo cria calor, que dissocia mais moléculas de gás e ioniza os átomos resultantes (onde o grau de ionização é determinado pela temperatura), e conforme a sequência: sólido-líquido-gás-plasma, o o gás é gradualmente transformado em plasma térmico. [Nota 2] Um plasma térmico está em equilíbrio térmico, o que significa que a temperatura é relativamente homogênea em todas as partículas pesadas (ou seja, átomos, moléculas e íons) e elétrons. Isso porque, quando são gerados plasmas térmicos, é dada energia elétrica aos elétrons, que, por sua grande mobilidade e grande número, são capazes de dispersá-la rapidamente e por colisão elástica (sem perda de energia) às partículas pesadas. [57] [Nota 3]

Exemplos de plasma industrial / comercial

Por causa de suas amplas faixas de temperatura e densidade, os plasmas encontram aplicações em muitos campos de pesquisa, tecnologia e indústria. Por exemplo, em: metalurgia industrial e extrativa, [57] [58] tratamentos de superfície, como pulverização de plasma (revestimento), corrosão em microeletrônica, [59] corte de metal [60] e soldagem, bem como na limpeza de exaustão de veículos cotidiana e fluorescente / lâmpadas luminescentes, [54] ignição de combustível, ao mesmo tempo em que desempenha um papel em motores de combustão supersônicos para engenharia aeroespacial. [61]

Descargas de baixa pressão
  • Plasmas de descarga brilhante: plasmas não térmicos gerados pela aplicação de campo elétrico DC ou RF de baixa frequência (& lt100 kHz) à lacuna entre dois eletrodos de metal. Provavelmente o plasma mais comum é o tipo de plasma gerado em tubos de luz fluorescente. [62]
  • Plasma capacitivamente acoplado (CCP): semelhante a plasmas de descarga cintilante, mas gerado com campos elétricos de RF de alta frequência, normalmente 13,56 MHz. Eles diferem das descargas luminescentes porque as bainhas são muito menos intensas. Eles são amplamente utilizados nas indústrias de microfabricação e de fabricação de circuitos integrados para gravação por plasma e deposição química de vapor aprimorada por plasma. [63]
  • Fonte de plasma de arco em cascata: um dispositivo para produzir plasmas de alta densidade (HDP) de baixa temperatura (≈1eV).
  • Plasma indutivamente acoplado (ICP): semelhante a um CCP e com aplicações semelhantes, mas o eletrodo consiste em uma bobina enrolada em torno da câmara onde o plasma é formado. [64]
  • Plasma aquecido por onda: semelhante ao CCP e ICP no sentido de que é tipicamente RF (ou microondas). Os exemplos incluem descarga de helicóptero e ressonância cíclotron de elétrons (ECR). [65]
Pressão atmosférica
  • Descarga de arco: esta é uma descarga térmica de alta potência de temperatura muito alta (≈10.000 K). Ele pode ser gerado usando várias fontes de alimentação. É comumente usado em processos metalúrgicos. Por exemplo, é usado para fundir minerais contendo Al2O3 para produzir alumínio. [citação necessária]
  • Descarga corona: esta é uma descarga não térmica gerada pela aplicação de alta voltagem em pontas de eletrodos afiadas. É comumente usado em geradores de ozônio e precipitadores de partículas. [citação necessária]
  • Descarga de barreira dielétrica (DBD): esta é uma descarga não térmica gerada pela aplicação de altas tensões em pequenos intervalos em que um revestimento não condutor evita a transição da descarga de plasma em um arco. Freqüentemente, é erroneamente denominado de descarga "Corona" na indústria e tem aplicação semelhante às descargas corona. Um uso comum dessa descarga é em um atuador de plasma para redução do arrasto do veículo. [66] Também é amplamente utilizado no tratamento de teia de tecidos. [67] A aplicação da descarga em tecidos sintéticos e plásticos funcionaliza a superfície e permite a aderência de tintas, colas e materiais semelhantes. [68] A descarga da barreira dielétrica foi usada em meados da década de 1990 para mostrar que o plasma de pressão atmosférica de baixa temperatura é eficaz na inativação de células bacterianas. [69] Este trabalho e experimentos posteriores usando células de mamíferos levaram ao estabelecimento de um novo campo de pesquisa conhecido como medicina do plasma. A configuração de descarga de barreira dielétrica também foi usada no projeto de jatos de plasma de baixa temperatura. Esses jatos de plasma são produzidos por ondas de ionização guiadas de propagação rápida, conhecidas como projéteis de plasma. [70]
  • Descarga capacitiva: este é um plasma não-térmico gerado pela aplicação de potência de RF (por exemplo, 13,56 MHz) a um eletrodo alimentado, com um eletrodo aterrado mantido a uma pequena distância de separação da ordem de 1 cm. Essas descargas são comumente estabilizadas usando um gás nobre, como hélio ou argônio. [71]
  • "Plasma de descarga direta piezoelétrico:" é um plasma não-térmico gerado no lado alto de um transformador piezoelétrico (PT). Esta variante de geração é particularmente adequada para dispositivos compactos e de alta eficiência, onde uma fonte de alimentação de alta tensão separada não é desejada. [citação necessária]

Conversores MHD

Um esforço mundial foi desencadeado na década de 1960 para estudar conversores magnetohidrodinâmicos a fim de trazer a conversão de energia MHD ao mercado com usinas comerciais de um novo tipo, convertendo a energia cinética de um plasma de alta velocidade em eletricidade sem partes móveis e com alta eficiência. Também foram realizadas pesquisas no campo da aerodinâmica supersônica e hipersônica para estudar a interação do plasma com campos magnéticos para, eventualmente, alcançar o controle de fluxo passivo e até ativo em torno de veículos ou projéteis, a fim de suavizar e mitigar ondas de choque, diminuir a transferência térmica e reduzir o arrasto. [ citação necessária ]

Esses gases ionizados usados ​​em "tecnologia de plasma" (plasmas "tecnológicos" ou "projetados") são geralmente gases fracamente ionizados no sentido de que apenas uma pequena fração das moléculas de gás é ionizada. [72] Esses tipos de gases fracamente ionizados também são plasmas "frios" não térmicos. Na presença de campos magnéticos, o estudo de tais gases magnetizados não-térmicos fracamente ionizados envolve magnetohidrodinâmica resistiva com baixo número de Reynolds magnético, um campo desafiador da física do plasma onde os cálculos requerem tensores diádicos em um espaço de fase de 7 dimensões. Quando usado em combinação com um parâmetro Hall alto, um valor crítico dispara a instabilidade eletrotérmica problemática que limitou esses desenvolvimentos tecnológicos. [ citação necessária ]

Embora as equações subjacentes que governam os plasmas sejam relativamente simples, o comportamento do plasma é extraordinariamente variado e sutil: o surgimento de um comportamento inesperado a partir de um modelo simples é uma característica típica de um sistema complexo. Esses sistemas estão, em certo sentido, na fronteira entre o comportamento ordenado e o desordenado e não podem ser descritos por funções matemáticas simples e suaves ou por pura aleatoriedade. A formação espontânea de características espaciais interessantes em uma ampla gama de escalas de comprimento é uma manifestação da complexidade do plasma. As feições são interessantes, por exemplo, porque são muito nítidas, espacialmente intermitentes (a distância entre as feições é muito maior do que as próprias feições) ou têm uma forma fractal. Muitas dessas características foram estudadas primeiro em laboratório e, posteriormente, reconhecidas em todo o universo. [ citação necessária ] Exemplos de complexidade e estruturas complexas em plasmas incluem:

Filamentação

Estrias ou estruturas semelhantes a cordas, [73] também conhecidas como correntes de Birkeland, são vistas em muitos plasmas, como a bola de plasma, a aurora, [74] relâmpagos, [75] arcos elétricos, erupções solares [76] e restos de supernova . [77] Eles são às vezes associados a densidades de corrente maiores, e a interação com o campo magnético pode formar uma estrutura de corda magnética. [78] A quebra de microondas de alta potência à pressão atmosférica também leva à formação de estruturas filamentares. [79] (Veja também pinça de plasma)

A filamentação também se refere à autofocalização de um pulso de laser de alta potência. Em altas potências, a parte não linear do índice de refração torna-se importante e causa um maior índice de refração no centro do feixe de laser, onde o laser é mais brilhante do que nas bordas, causando um feedback que foca ainda mais o laser. O laser com foco mais estreito tem um brilho de pico mais alto (irradiância) que forma um plasma. O plasma tem um índice de refração inferior a um e causa uma desfocagem do feixe de laser. A interação do índice de refração de foco e o plasma desfocando faz a formação de um longo filamento de plasma que pode ter micrômetros a quilômetros de comprimento. [80] Um aspecto interessante do plasma gerado pela filamentação é a densidade de íons relativamente baixa devido aos efeitos de desfocagem dos elétrons ionizados. [81] (Ver também propagação de filamentos)

Plasma impermeável

Plasma impermeável é um tipo de plasma térmico que atua como um sólido impermeável em relação ao gás ou plasma frio e pode ser fisicamente empurrado. A interação de gás frio e plasma térmico foi brevemente estudada por um grupo liderado por Hannes Alfvén nos anos 1960 e 1970 para suas possíveis aplicações no isolamento de plasma de fusão das paredes do reator. [82] No entanto, posteriormente foi descoberto que os campos magnéticos externos nesta configuração poderiam induzir instabilidades de torção no plasma e, subsequentemente, levar a uma perda de calor inesperadamente alta para as paredes. [83] Em 2013, um grupo de cientistas de materiais relatou que eles geraram com sucesso plasma impermeável estável sem confinamento magnético usando apenas uma manta de ultra-alta pressão de gás frio. Embora os dados espectroscópicos sobre as características do plasma fossem considerados difíceis de obter devido à alta pressão, o efeito passivo do plasma na síntese de diferentes nanoestruturas sugeria claramente o confinamento eficaz. Eles também mostraram que ao manter a impermeabilidade por algumas dezenas de segundos, a triagem de íons na interface plasma-gás poderia dar origem a um forte modo de aquecimento secundário (conhecido como aquecimento viscoso) levando a diferentes cinéticas de reações e formação de complexo nanomateriais. [84]

Propulsor de efeito Hall. O campo elétrico em uma camada dupla de plasma é tão eficaz na aceleração de íons que os campos elétricos são usados ​​em acionamentos de íons.

Plasma tokamak na pesquisa de fusão nuclear

Plasma de argônio no experimento Hawkeye Linearly Magnetized (HLMX) na Universidade de Iowa


História

Descoberta de H2

Gás hidrogênio, H2, foi produzido pela primeira vez artificialmente e formalmente descrito por T. von Hohenheim (também conhecido como Paracelsus, 1493 e ndash 1541) por meio da mistura de metais com ácidos fortes. Ele não sabia que o gás inflamável produzido por essa reação química era um novo elemento químico. In 1671, Robert Boyle rediscovered and described the reaction between iron filings and dilute acids, which results in the production of hydrogen gas. In 1766, Henry Cavendish was the first to recognize hydrogen gas as a discrete substance, by identifying the gas from a metal-acid reaction as "inflammable air", and further finding that the gas produces water when burned. Cavendish had stumbled on hydrogen when experimenting with acids and mercury. Although he wrongly assumed that hydrogen was a liberated component of the mercury rather than the acid, he was still able to accurately describe several key properties of hydrogen. He is usually given credit for its discovery as an element. In 1783, Antoine Lavoisier gave the element the name of hydrogen when he (with Laplace) reproduced Cavendish's finding that water is produced when hydrogen is burned. Lavoisier's name for the gas won out.

One of the first uses of H2 was for balloons. The H2 was obtained by reacting sulphuric acid and metallic iron. Infamously, H2 was used in the Hindenburg airship that was destroyed in a midair fire.

Role in history of quantum theory

Because of its relatively simple atomic structure, consisting only of a proton and an electron, the hydrogen atom, together with the spectrum of light produced from it or absorbed by it, has been central to the development of the theory of atomic structure. Furthermore, the corresponding simplicity of the hydrogen molecule and the corresponding cation H2 + allowed fuller understanding of the nature of the chemical bond, which followed shortly after the quantum mechanical treatment of the hydrogen atom had been developed in the mid-1920s.

One of the first quantum effects to be explicitly noticed (but not understood at the time) was Maxwell's observation, half a century before full quantum mechanical theory arrived. He observed that the specific heat capacity of H2 unaccountably departs from that of a diatomic gas below room temperature and begins to increasingly resemble that of a monatomic gas at cryogenic temperatures. According to quantum theory, this behaviour arises from the spacing of the (quantized) rotational energy levels, which are particularly wide-spaced in H2 because of its low mass. These widely spaced levels inhibit equal partition of heat energy into rotational motion in hydrogen at low temperatures. Diatomic gases composed of heavier atoms do not have such widely spaced levels and do not exhibit the same effect.


Searching for the End of the Universe’s “Dark Age”

According to the most widely accepted cosmological theories, the first stars in the Universe formed a few hundred million years after the Big Bang. Unfortunately, astronomers have been unable to “see” them since their emergence coincided during the cosmological period known as the “Dark Ages.” During this period, which ended about 13 billion years ago, clouds of gas filled the Universe that obscured visible and infrared light.

However, astronomers have learned that light from this era can be detected as faint radio signals. It’s for this reason that radio telescopes like the Murchison Widefield Array (MWA) were built. Using data obtained by this array last year, an international team of researchers is scouring the most precise radio data to date from the early Universe in an attempt to see exactly when the cosmic “Dark Ages” ended.

As they indicated in their study, which appeared in The Astrophysical Journal last year, the team had succeeded in filtering out ten times as much electromagnetic interference (compared to the norm) from more than 21 hours of data collected by the MWA. Equipped with this vastly-improved data, the team is now searching through it all for telltale indicators of a radio signal that originated from the “Dark Ages.”

The Big Bang timeline of the Universe, showing when and in what wavelengths things became visible. Credit: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).

Current models of cosmology tell us that shortly after the Big Bang, the Universe was filled with hot dense plasma. Electrons and photons regularly snared each other in this period, which made the Universe opaque. Less than a million years later, electron-photon interactions became rare and the expanding Universe became increasingly transparent. However, there were still no stars or galaxies at this time, which left the Universe dark.

This is how things would remain for the next few hundreds of millions of years, where the cosmos was filled with neutral hydrogen (hydrogen atoms with one proton and one electron, which have has no overall charge). By about 1 billion years after the Big Bang, neutral hydrogen atoms began to come together to form the first stars, thus beginning the Epoch of Reionization and ending the “Dark Ages.”

As the first stars formed, the light and radiation they emitted converted much of the neutral hydrogen in the Universe into ionized plasma, which still dominates interstellar space today. Unfortunately, discerning when this transition occurred is difficult since electromagnetic radiation in the visible and infrared (heat) wavelenghts are simply not visible where existing instruments are concerned.

Students and researchers from Brown University, Curtin University and the UW building new antennas for the Murchison Widefield Array. Credit: MWA Collaboration/Curtin University

As Miguel Morales, a UW professor of physics and the lead author on the paper, explained in a UW News release:

“For this dark age, of course there’s no light-based signal we can study to learn about it – there was no visible light! But there is a specific signal we can look for. It comes from all that neutral hydrogen. We’ve never measured this signal, but we know it’s out there. And it’s difficult to detect because in the 13 billion years since that signal was emanated, our universe has become a very busy place, filled with other activity from stars, galaxies and even our technology that drown out the signal from the neutral hydrogen.”

This signal corresponds to the frequency and wavelength at which hydrogen goes from being neutral to carrying a charge. Also known as the “Hydrogen Line,” this boundary is found at 21 cm (1,420.4 MHz) on the radio spectrum. Finding these signals in space is the key to determining when the first stars formed and when the Dark Ages ended, thus providing astronomers with vital clues about cosmic evolution.

“The Epoch of Reionization and the dark age preceding it are critical periods for understanding features of our universe, such as why we have some regions filled with galaxies and others relatively empty, the distribution of matter and potentially even dark matter and dark energy,” Morales added.

Kangaroos at the Murchison Widefield Array. Credit: MWA Collaboration/Curtin University

The Murchison Widefield Array, a radio telescope located in Western Australia, is the team’s primary too in searching for these signals. This array consists of 4,096 dipole antennas that can pick up low-frequency signals like the electromagnetic signature of neutral hydrogen. These signals are very hard to discern due to electromagnetic interference from other cosmic (or Earth-bound) sources.

In order to eliminate this background noise and improve the odds of detection, Morales and his colleagues have developed increasingly sophisticated methods. This includes the introduction of a redundant subarray of hexagonal cores and pseudo-random baselines, as well as improved analysis techniques, data quality control methods, and interferometric calibration approaches.

All of this information was present in the team’s 2019 study, which was based on the doctoral thesis of team-member and co-author Nichole Barry – currently a postdoctoral researcher at the University of Melbourne. Looking ahead, the team plans to sort through about 3,000 hours of additional emission data collected by the MWA, and hope to filter out even more noise so they can spot that elusive signal.

Part of the Murchison Widefield Array at night. Credit: John Goldfield/Celestial Visions

If they are successful, astronomers will finally have a window into the earliest period of the Universe. Along with radio telescope arrays around the world, which are becoming increasingly sophisticated, this will allow astronomers and cosmologists to test their theories about how and when major events in the evolution of our Universe took place. Said Morales:

“We think the properties of the universe during this era had a major effect on the formation of the first stars and set in motion the structural features of the universe today. The way matter was distributed in the universe during that era likely shaped how galaxies and galactic clusters are distributed today.”

The team included researchers from the ASTRO 3D collaboration, the International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR), the Netherlands Institute for Radio Astronomy (ASTRON), the CSIRO Astronomy and Space Science (CASS), MIT, the Shanghai Astronomical Observatory, the School of Earth and Space Exploration, Arizona State University, Kumamoto University in Japan, and Raman University in India.


Scientists Didn’t Really Find The First Molecule In The Universe

The Universe’s first molecule is found at last! That’s what the headlines have been proclaiming this week, as NASA’s Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) has observed a hitherto elusive substance known as helium hydride. Part of it is absolutely true, as helium hydride really was the first molecule formed in the very, very early Universe, and this is the first time its presence has been detected in space, rather than synthesized in laboratories here on Earth.

But part of it’s not true. The helium hydride we’ve found doesn’t come from those early times. In fact, 100% of the helium hydride that was part of the first molecules ever made in the Universe was permanently destroyed long ago. We’ve never seen it, and most likely, we never will. Aqui está o porquê.

Try to imagine, if you can, the Universe as it was in the much earlier stages of the hot Big Bang. When we look at the Universe today, we see that it’s full of matter all clumped together in stars, galaxies, clusters, and along an enormous cosmic web. We see the evidence that this Universe is expanding, with distant galaxies and clusters expanding away from one another at faster rates the farther away they are. In addition, we also see the Universe filled with a bath of low-energy radiation in all directions.

This means, as time goes on, the Universe gets:

Which implies, of course, that if we look backwards in time, the opposite was true.

We see our Universe as it is today, some 13.8 billion years after the Big Bang. As we look farther and farther away, we’re seeing the Universe as it was when it was younger we’re basically looking back in time. The earliest galaxies were smaller, bluer, and contained fewer heavy elements than ours do, as it’s only via the build-up of many generations of stars living and dying that we arrive at galaxies like our modern Milky Way.

In fact, we can go back to even earlier times: before we had formed any stars or galaxies. For the first few tens of millions of years after the Big Bang, gravitation hasn’t yet had enough time to work to pull the first neutral atoms together into clumps, meaning we hadn’t yet ignited nuclear fusion in them. The only fusion took place during the earliest, hottest, densest stage of the Big Bang, and gave us hydrogen, helium, and not much else.

In fact, after that nuclear fusion took place during the first few minutes of our cosmic history, the Universe needed hundreds of thousands of years to cool by sufficient amounts so that we could stably form neutral atoms. Before that, the photons within it were energetic enough that they continuously knocked every single electron off of whichever atomic nucleus it happened to encounter and bind to.

When the Universe was just a few minutes old, the elements within it were (by weight) about 75% hydrogen, 25% helium, and a tiny fraction of deuterium, helium-3, and lithium. As it cooled over the millennia to come, all of the photons — including the most energetic ones that were primarily responsible for ionization — lost energy. As a result, these atomic nuclei, with different masses and different charges, begin gaining electrons at different times.

At the earliest times, everything is completely ionized, with helium and hydrogen nuclei both having no electrons at all.

After approximately 32,000 years, the Universe cools enough so that one electron can start binding to a helium nucleus. Remember, it takes two electrons to form a neutral helium atom, so helium is just halfway there at this point.

After another 100,000 years, when the Universe reaches an age of 132,000 years, that second electron can finally bind to helium without getting kicked off. We’ve got our first stable, neutral atom: helium. But helium doesn’t form bonds very easily with other atoms: it’s an inert, noble gas.

It isn’t until the Universe is around 380,000 years old that individual protons and electrons bind together to form hydrogen atoms. Hydrogen atoms can easily bond with other hydrogen atoms, producing the molecular hydrogen (H2) we’re all familiar with.

But there was an in-between time — after helium atoms form but while hydrogen is still ionized — where the first true molecules form. A molecule, remember, is simply defined wherever you have a molecular bond between one atom (or ion) and another. You might be used to molecules forming from neutral atoms binding together exclusively (like O2, oxygen), but atom-ion pairs also form molecular bonds, such as ionized carbon (C+) with neutral fluorine atoms (F), which bind together (forming CF+) and emit a photon through a process known as radiative association.

Well, when the Universe is in that in-between time, where neutral helium (He) exists but all of the hydrogen is ionized (H+), those two species can also bind together through radiative association. When a helium atom and a hydrogen ion collide, they form a molecule known as helium hydride (HeH+), and a characteristic photon is emitted which signifies the strength of the molecular bond.

Although it doesn’t appear as much in the news as physics or astronomy, the chemistry of compounds like helium hydride has a long and rich history. Helium hydride itself was discovered via its creation in the laboratory nearly a century ago: back in 1925. In theory, it should also exist in the environment of interstellar space: both in the early Universe, when it became the first molecule, but also later, when astrophysical processes create ionize hydrogen plasmas in the presence of neutral helium.

All of the early Universe’s helium hydride should have been destroyed when hydrogen became neutral, as helium hydride is far less energetically favorable than the formation of neutral hydrogen. Once you cool below a certain critical threshold, your helium hydride will interact with neutral hydrogen, preferentially forming hydrogen molecules (H2) and isolated helium atoms (He). The Universe’s first molecule didn’t last long by the time perhaps 500,000 years passed, it was all gone.

But later on, even in the modern Universe, there’s a perfect candidate location where helium hydride should exist in our Universe today: in the ionized plasmas of dying Sun-like stars. With temperatures high enough to ionize hydrogen, but plenty of neutral helium expelled from the dying stars outer layers, these planetary nebulae should be ideal homes for helium hydride.

Although it’s been more than 40 years since planetary nebulae were suggested as homes for helium hydride, observations had never caught up with it. Part of the reason is that helium hydride’s signature emissions come from a rotational transition that emits at very low energies: producing photons at 149.1 microns, placing it in the far-infrared portion of the spectrum.

You cannot see this from the ground, as the atmosphere obscures it. You can try to see it from space, but the instruments launched aboard observatories like Herschel and Spitzer were insufficient to uncover it. But that’s where NASA’s SOFIA comes in. It flies up to 45,000 feet, above the obscuring atmosphere. But, because it returns to Earth, its instruments can be easily upgraded. And upgrading the German Receiver at Terahertz Frequencies (GREAT) instrument was just what astronomers needed.

This new study determined, for the first time, that helium hydride ions really do exist in space. By observing the planetary nebula NGC 7027 with this newly upgraded instruments, scientists were able to see this characteristic transition that’s an unmistakable signature of helium hydride. According to Rolf Güsten, lead author of the new study published in Nature,

“It was so exciting to be there, seeing helium hydride for the first time in the data. This brings a long search to a happy ending and eliminates doubts about our understanding of the underlying chemistry of the early universe.”

This is the first proof we have that helium hydride can, and does, exist in the natural environment of space.

The largest lesson to learn from all of this is that there’s an incredible value to straddling the border between ground-based and space-based astronomy. Going to space is great because you no longer need to contend with the interfering effects of Earth’s atmosphere. Staying on the ground is great because you don’t have to pay for launch costs, your telescope size isn’t limited by the size of the launch vehicle, and your instruments are upgradable.

But a unique instrument like SOFIA gives us the best of both worlds. As Hal Yorke, director of the SOFIA Science Center, said,

“This molecule was lurking out there, but we needed the right instruments making observations in the right position — and SOFIA was able to do that perfectly.”

Helium hydride was long thought to be the first molecule in the Universe, but we’d never been able to detect its natural presence in space before. At long last, we have proof of its existence, and with it, further confirmation of our picture of how the Universe came to be the way it is today.


Charged particles

A typical gas, such as nitrogen or hydrogen sulfide, is made of molecules that have a net charge of zero, giving the gas volume as a whole a net charge of zero. Plasmas, being made of charged particles, may have a net charge of zero over their whole volume but not at the level of individual particles. That means the electrostatic forces between the particles in the plasma become significant, as well as the effect of magnetic fields.

Being made of charged particles, plasmas can do things gases cannot, like conduct electricity. And since moving charges make magnetic fields, plasmas also can have them.

In an ordinary gas, all the particles will behave roughly the same way. So if you have gas in a container and let it cool to room temperature, all the molecules inside will, on average, be moving at the same speed, and if you were to measure the speed of lots of individual particles you'd get a distribution curve with lots of them moving near the average and only a few either especially slowly or quickly. That's because in a gas the molecules, like billiard balls, hit each other and transfer energy between them.

That doesn't happen in a plasma, especially in an electric or magnetic field. A magnetic field can create a population of very fast particles, for example. Most plasmas aren't dense enough for particles to collide with one another very often, so the magnetic and electrostatic interactions become more important.

Speaking of electrostatic interactions, because particles in a plasma &ndash the electrons and ions &ndash can interact via electricity and magnetism, they can do so at far greater distances than an ordinary gas. That in turn means waves become more important when discussing what goes on in a plasma. One such wave is called an Alfvén wave, named for Swedish physicist and Nobel laureate Hannes Alfvén. An Alfvén wave happens when the magnetic field in a plasma is disturbed, creating a wave that travels along the field lines. There's no real analogue to this in ordinary gases. It's possible that Alfvén waves are the reason the temperature of the solar corona&ndash also a plasma &ndash is millions of degrees, while on the surface, it is only thousands.

Another characteristic of plasmas is that they can be held in place by magnetic fields. Most fusion power research is focused on doing just that. To create the conditions for fusion, one needs very hot plasma &mdash at millions of degrees. Since no material can contain it, scientists and engineers have turned to magnetic fields to do the job.


Is most hydrogen in the universe in the form of plasma, atomic neutral hydrogen, ionized hydrogen, or molecular? - Astronomia

( Last checked 2018/01/16 - The estate of Paul Marmet )

Eine deutsche bersetzung dieses Artikels finden Sie hier.

In papers published about a decade ago, the author and colleagues predicted the widespread presence of hydrogen in the molecular (H 2 ) form in space (Marmet and Reber 1989 Marmet 1990a,b). Although hydrogen in the atomic form is easily detected through radioastronomy, the molecular form is difficult to detect. We showed that the presence of this missing mass would explain the anomalous rotational motion observed in galaxies, which is otherwise explained by exotic hypotheses, such as swarms of invisible brown or white dwarfs, or weird atomic particles called WIMPs or axions, and "quark nuggets."

We also showed that the presence of large amounts of the hard-to-detect molecular hydrogen in interstellar space could provide an alternative explanation to the Big Bang theory, by explaining the observed redshift as a result of the delayed propagation of light through space, caused by the collision of photons with interstellar matter.

The more commonly held view explains the observed shift in frequency of the spectral lines detected from distant galaxies as arising from a Doppler shift (a shift in the frequency of a wave caused by the relative motion of the emitting object and the observer). The downshift in the frequency, toward the red end of the spectrum, is taken to mean that distant galaxies are receding from us, thus implying an expanding universe.

Our prediction, based on a critique of many of the commonly held assumptions of cosmology, was the result of a serious study of the molecular structure of hydrogen and of the astronomical observation of atomic hydrogen in space. However, the astrophysicists preferred to ignore H 2 , and instead to hypothesize the existence of weird objects.

Using the European Space Agency's Infrared Space Observatory, E. A. Valentijn and P. P. van der Werf recently detected huge amounts of molecular hydrogen (H 2 ) in NGC 891 , an edge-on galaxy 30 million light-years away in Andromeda (Valentijn and van der Werf 1999). In their report, published in September 1999, they state that their result "matches well, the mass required to solve the problem of the missing mass of spiral galaxies." They conclude that the galaxy contains 5 to 15 times more molecular than atomic hydrogen. [For a second Internet news story on this discovery click aqui .]

It is generally accepted that atomic hydrogen is by far the most abundant particle in the universe. It is also well established that about 10 times as much molecular hydrogen as atomic hydrogen solves the missing mass problem. Finally, Valentijn adds: "The halo culture that has grown up around the dark matter problem might never have arisen if the ISO results had been known earlier."

Two months after the publication of this discovery, in a piece published in Natureza, Nov. 25, 1999, P. Richter, et al. reported the discovery of the absorption lines of molecular hydrogen in a high-velocity cloud of the Milky Way halo (Richter et al. 1999).

Nature of Molecular Hydrogen

Molecular hydrogen is rarely looked for in space. In most papers in astrophysics, the word hydrogen is mentioned without distinguishing whether it is atomic or molecular. Yet it is a well-known fact of basic chemistry that atomic hydrogen is extremely unstable, and that it reacts violently to produce molecular hydrogen, which is extremely stable. Given a bottle of pure atomic hydrogen, one would expect an immediate energetic explosion, producing molecular hydrogen at a very high temperature.

Atomic hydrogen (H), composed of a single proton and electron, is the simplest existing stable atom. Because of the spin structure of the particle, it is easily detectable using a high frequency radio signal at 21-cm wavelength. Atomic hydrogen in galaxies and in intergalactic space can be detected very easily, because the atomic hydrogen can change its spin (which changes its energy).

Electromagnetic radiation is emitted at the wavelength of 21 cm, or an absorption line is observed (in the background radiation) at that wavelength. However, when two atoms of atomic hydrogen combine, forming molecular hydrogen (H 2 ), their spins are coupled and completely cancel each other. The radio-frequency spectral line at 21 cm no longer exists, and the molecular hydrogen becomes totally invisible at that wavelength.

The possible vibrational and rotational states for the two hydrogen nuclei in the diatomic hydrogen molecule are well known (cf. Herzberg 1950). However, the only two electrons are so tightly coupled, that they form a pair in which the electric field and the spin of the electrons are completely cancelled.

Molecular hydrogen possesses no permanent dipole. Such a perfect coupling is unusual among diatomic molecules. For example, in the cases of nitrogen and oxygen, there are seven and eight electrons per atom, so that when combined, it is not possible to fulfill such a perfect coupling of spins (with zero permanent dipole) for all seven or eight pairs of electrons.

When light passes through normal molecular gases, such as oxygen, nitrogen, and others, radiation excites the resulting electric dipole in the molecule, and some energy is scattered or absorbed. However, in the case of molecular hydrogen, there is no dipole moment, so that no radiation can be absorbed or emitted.

Most excited molecules possess an electric or magnetic dipole, and emit photons (light) after about 10 - 8 seconds. By comparison, the spontaneous emission of light from the first rotational state of molecular hydrogen is practically impossible. A transition from the second rotational state (producing a photon of light) is relatively much more probable, but occurs only once in about every 1,000 years. One must reach the sixth state before the probability of the transition occurring becomes once a year. These so-called forbidden transitions are so improbable that we cannot hope to detect cold molecular hydrogen in space. Because the universe has an average temperature of 3K, the detection of most of the molecular hydrogen still remains unlikely.

Why the Surprise? The extreme transparency of molecular hydrogen in different quantum states may also be examined (Marmet 1992). Compared with all other known gases, molecular hydrogen is the most transparent in the universe. Yet, this well-known fact, should have led to the expectation of finding molecular hydrogen, because atomic hydrogen had already been observed. It is difficult to understand why it was ignored, when so many experimental observations require the presence of missing mass in the universe.

There are many misleading statements concerning the detection of hydrogen in the universe. Without making any distinction between atoms and molecules, most papers in astrophysics state that the amount of hydrogen in the universe is well known because it is easily detectable out to considerable distances. The presence of an enormous amount of molecular hydrogen certainly makes this statement erroneous.

However, it is well known that atomic hydrogen in space was certainly naturally transformed into H 2 . Over billions of years, dust, three-body interactions, and even photon emission have produced H 2 . Once molecular hydrogen is formed, it is so stable that it has little probability of dissociation. It cannot be argued that H 2 does not exist in space because it could be ionized or dissociated by ultraviolet radiation. If there were enough ultraviolet radiation to ionize H 2 , that same radiation would also ionize atomic hydrogen. This is not the case, because non-ionized atomic hydrogen is observed, even though it requires less energy to ionize the atomic than the molecular form of hydrogen.

These considerations show, that as a result of the large amount of atomic hydrogen already observed in space, and the extreme stability of molecular hydrogen, the chemical equilibrium giving the relative abundance between atomic hydrogen and molecular hydrogen in space, strongly favors the formation of the diatomic form (H 2 ) over the monoatomic form. We must thus conclude that the recent discovery of H 2 , is no surprise, and should have been expected from the known facts concerning the natural equilibrium between H 2 and H. It is expected that much more colder H 2 will also be discovered.

Dark Matter and the Redshift

The presence of H 2 also has important consequences regarding the origin of the universe and the interpretation of the cosmological redshift. This author has been arguing for several years that this huge amount of transparent H 2 in space is interacting with light received from the cosmos (Marmet 1988, 1990a, b). The essential argument is summarized as follows:

Even when H 2 is not excited to specific quantum states, there is another kind of interaction that perturbs and slows down the moving photon. We know that light interacts with a transparent medium, because its velocity is reduced, without scattering, as calculated and observed using the simple index of refraction of gases. Cosmic light, moving across billion of light years, suffers an almost unimaginable number of collisions with those transparent molecules of hydrogen in the universe.

Light is a wave-train of electromagnetic radiation. As a result of its coherence, which is maintained during a time span (known as the time or length of coherence), the phase of the electromagnetic field progresses regularly in time. Using the Fourier transform, we can calculate that an electromagnetic wave train (which never can last an infinite time), always possesses two frequency components: the usual high-frequency component, but also a very low frequency component, which depends on the time of coherence.

From the electron-proton structure of hydrogen, it can be calculated that some energy is lost (scattered) during the interaction of light with hydrogen, which depends on that low-frequency component (time of coherence). We have shown that the passage of light through hydrogen, either atomic or molecular, is always (slightly) inelastic. It is also known that the energy loss is compatible with the relationship "" Consequently, the redshift following the collision of a photon with H 2 is indistinguishable from the phenomenon caused by the Doppler effect.

Only the warmest molecular hydrogen (involving higher vibration and rotation quantum numbers) is detectable now. When the technology develops to the point that we can detect the colder H 2 in the universe, a larger quantity of H 2 , coming from colder molecular hydrogen in galaxies, will certainly be discovered.

The recent discovery of an enormous quantity of molecular hydrogen not only solves the problem of missing mass it also solves the problem of the redshift, in a non-expanding unlimited universe. The Doppler interpretation of the redshift is a variation of the Creationist theory, since it claims that the universe was created from nothing, 15 billion years ago, with a sudden Big Bang. Since a much larger amount of molecular hydrogen than previously admitted has been observed in the universe, we can now see how this hydrogen is responsible for the redshift observed. That molecular hydrogen is responsible for the redshift which is erroneously believed to have a cosmological Doppler origin.

It is unfortunate that the existence of H 2 has been ignored for so long. As noted by one of the recent discoverers, E.A. Valentijn, the missing mass problem might never have arisen if the Infrared Space Observatory results (or predictions of H 2 ) had been known earlier. It is also true that the problem would not have arisen, if the arguments presented by this author and others for the necessary presence of H, had been heeded.

With the new discovery, science can now have a logical and realistic description of nature, because we no longer have to speculate with such exotic hypotheses as WIMPs and "quark nuggets" to explain the missing matter in the universe.


Dr. Paul Marmet recently retired from the Physics Faculty at the University of Ottawa. He was formerly a senior researcher at the Herzberg Institute of Astrophysics of the National Research Council of Canada, in Ottawa, and from 1967 to 1982, he was director of the laboratory for Atomic and Molecular Physics at Laval University in Quebec. A past president of the Canadian Association of Physicists, Marmet also served as a member of the executive committee for the Atomic Energy Commission of Canada from 1979 to 1984.

He is the author of Einstein's Theory of Relativity vs. Classical Mechanics, published by Newton Physics Books in Gloucester, Ontario. Marmet can be reached by e-mail.

G. Herzberg, 1950 . Spectra of Diatomic Molecules (Second edition,) D. van Nostrand Co.
P. Marmet, 1988. "A New Non-Doppler Effect," Physics Essays, Vol. 1 p. 24
------P. Marmet, 1990a. "Big Bang Cosmology Meets an Astronomical Death," 21st Century Science and Technology, Vol. 3, No. 2 (Spring), pp. 52-59.
-----P. Marmet, 1990b. "The Deceptive Illusion of the Big Bang Cosmology," Physics in Canada, Vol. 46, No.5, pp. 97-101.
-----P. Marmet, 1992."The Cosmological Constant and the Redshift of Quasars," IEEE, Transactions on Plasma Science, Vol. 20, No. 6 (Dec.), pp. 958-964.
P. Marmet and G. Reber, 1989. "Cosmic Matter and the Non-Expanding Universe," IEEE, Transactions on Plasma Science, Vol. 17, No. 2 (Dec.), pp. 264-269.
P. Richter, S. Richter, K. S. de Beer, N. Widmann, N. Kappelmann, W. Gringel, M. Grawing, J. Barnstadt, 1999. Natureza, Vol. 402 (Nov. 25), p.386.
E. A. Valentijn and P. P. van der Werf, 1999. "First Extragalactic Direct Detection of Large-Scale Molecular Hydrogen," Cartas de jornal astrofísico, Vol. 522, No. 1 (Sept. 1), pp. L29-35.


Author: Paul Marmet web site
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Is most hydrogen in the universe in the form of plasma, atomic neutral hydrogen, ionized hydrogen, or molecular? - Astronomia

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Properties of Plasma

A plasma is an ionized gas, a gas into which sufficient energy is provided to free electrons from atoms or molecules and to allow both species, ions and electrons, to coexist.

Plasma is the fourth state of matter. Many places teach that there are three states of matter solid, liquid and gas, but there are actually four. The funny thing about that is, that as far as we know, plasmas are the most common state of matter in the universe. They are even common here on earth. A plasma is a gas that has been energized to the point that some of the electrons break free from, but travel with, their nucleus. Gases can become plasmas in several ways, but all include pumping the gas with energy. A spark in a gas will create a plasma. A hot gas passing through a big spark will turn the gas stream into a plasma that can be useful. Plasma torches like that are used in industry to cut metals. The biggest chunk of plasma you will see is the sun. The sun's enormous heat rips electrons off the hydrogen and helium molecules that make up the sun. Essentially, the sun, like most stars, is a great big ball of plasma.