Абсолютный ноль – минимальная температура. Это отметка, при которой энтропия достигает наименьшего значения.
Задача обучения
- Разобраться в том, почему абсолютный ноль выступает естественным показателем нулевой точки.
Основные пункты
- Абсолютный ноль выступает универсальным, то есть, вся материя пребывает в основном состоянии при этом показателе.
- К обладает квантово-механической нулевой энергией. Но в интерпретации кинетическая энергия может быть нулевой, а тепловая исчезает.
- Максимально низкая температура в лабораторных условиях достигла 10-12 К. Минимальная естественная – 1К (расширение газов в туманности Бумеранг).
Термины
- Энтропия – мера того, как равномерная энергия располагается в системе.
- Термодинамика – отрасль в науке, изучающая тепло и его соотношение с энергией и работой.
Абсолютный ноль – минимальная температура, при которой энтропия достигает наименьшего значения. То есть, это самый маленький показатель, который можно наблюдать в системе. Это универсальное понятие и выступает нулевой точкой в системе единиц температуры.
График зависимости давления от температуры для разных газов с постоянным объемом. Заметьте, что все графики экстраполируются к нулевому давлению при одной температуре
Система в абсолютном нуле все еще наделена квантово-механической нулевой энергией. Согласно принципу неопределенности, положение частичек нельзя определить с абсолютной точностью. Если частичка смещается в абсолютном нуле, то все еще обладает минимальным энергетическим запасом. Но в классической термодинамике кинетическая энергия способна быть нулевой, а тепловая исчезает.
Нулевая точка термодинамической шкалы, вроде Кельвина, приравнивается к абсолютному нулю. Международное соглашение установило, что абсолютный ноль достигает 0K по шкале Кельвина и -273.15°C по Цельсию. Вещество при минимальных температурных показателях проявляет квантовые эффекты, вроде сверхпроводимости и сверхтекучести. Наиболее низкая температура в лабораторных условиях составляла 10-12 K, а в естественной среде – 1K (быстрое расширение газов в туманности Бумеранг).
Температуры это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273 … Википедия
АБСОЛЮТНЫЙ НОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ - начало отсчёта термодинамической шкалы температуры; расположен на 273,16 К (Кельвин) ниже (см.) воды, т.е. равен 273,16°С (Цельсия). Абсолютный ноль предельно низкая температура, в природе и практически недостижимая … Большая политехническая энциклопедия
Это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C.… … Википедия
Абсолютный ноль температуры это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует… … Википедия
Разг. Пренебр. Ничтожный, незначительный человек. ФСРЯ, 288; БТС, 24; ЗС 1996, 33 …
ноль - абсолютный ноль … Словарь русской идиоматики
Ноль и нуль сущ., м., употр. сравн. часто Морфология: (нет) чего? ноля и нуля, чему? нолю и нулю, (вижу) что? ноль и нуль, чем? нолём и нулём, о чём? о ноле, нуле; мн. что? ноли и нули, (нет) чего? нолей и нулей, чему? нолям и нулям, (вижу)… … Толковый словарь Дмитриева
Абсолютный ноль (нуль). Разг. Пренебр. Ничтожный, незначительный человек. ФСРЯ, 288; БТС, 24; ЗС 1996, 33 В ноль. 1. Жарг. мол. Шутл. ирон. О сильном опьянении. Югановы, 471; Вахитов 2003, 22. 2. Жарг. муз. Точно, в полном соответствии с… … Большой словарь русских поговорок
абсолютный - абсолютный абсурд абсолютный авторитет абсолютный безупречность абсолютный беспорядок абсолютный вымысел абсолютный иммунитет абсолютный лидер абсолютный минимум абсолютный монарх абсолютный мораль абсолютный ноль … … Словарь русской идиоматики
Книги
- Абсолютный ноль , Абсолют, Павел. Второй роман цикла «Миры Знака». Жизнь всех творений безумного ученого расы нэсов очень коротка. Но у очередного эксперимента появляется шанс на существование. Чтоже ждет его…
- Абсолютный ноль , Павел Абсолют. Все сражались на пределе сил, лица были мокрые от пота. Он заливал глаза, оружие выскальзывало из рук. Отряд, не сговариваясь, сомкнул ряды, встав на защиту раненого. Лестер закрывал рукой…
Когда в сводке погоды предсказывают температуру около нуля, на каток
идти не стоит: лед будет таять. Температура таяния льда принята за нуль
градусов по шкале Цельсия - самой распространенной температурной шкале.
Нам отлично знакомы отрицательные градусы шкалы Цельсия - градусы <ниже
нуля>, градусы холода. Наиболее низкая температура на Земле была
зарегистрирована в Антарктиде: -88,3°Ц. Вне Земли возможны и еще более
низкие температуры: на поверхности Луны в лунную полночь бывает до -
160°Ц.
Но нигде не могут существовать сколь угодно низкие температуры.
Предельно низкая температура - абсолютный нуль - по шкале Цельсия
соответствует - 273,16°.
От абсолютного нуля берет начало абсолютная температурная шкала, шкала
Кельвина. Лед тает при 273,16° Кельвина, а вода кипит при 373,16° К.
Таким образом, градус К равен градусу Ц. Но по шкале Кельвина все
температуры положительны.
Почему же 0°К - предел холода?
Тепло - хаотическое движение атомов и молекул вещества. Когда вещество
охлаждают, у него отнимают тепловую энергию, и при этом беспорядочное
движение частиц ослабевает. В конце концов, при сильном охлаждении,
тепловая <пляска> частиц почти полностью прекращается. Совсем замерли бы
атомы и молекулы при температуре, которая и принята за абсолютный нуль.
Согласно принципам квантовой механики, при абсолютном нуле прекратилось
бы именно тепловое движение частиц, но сами частицы не замерли бы, так
как они не могут находиться в полном покое. Таким образом, при
абсолютном нуле частицы все же должны сохранять какое-то движение,
которое называют нулевым.
Однако охладить вещество до температуры ниже абсолютного нуля - замысел столь же бессмысленный, как, скажем, намерение <идти медленнее, чем стоять на месте>.
Более того, даже достичь точного абсолютного нуля практически тоже
невозможно. К нему можно лишь приблизиться. Потому что никакими способами нельзя отнять у вещества абсолютно всю его
тепловую энергию. Некоторая доля тепловой энергии остается при самом
глубоком охлаждении.
Как же достигают сверхнизких температур?
Заморозить вещество сложнее, чем нагреть. Это видно хотя бы из сравнения
устройства печки и холодильника.
В большинстве бытовых и промышленных холодильников тепло отнимается
благодаря испарению особой жидкости - фреона, который циркулирует по
металлическим трубкам. Секрет в том, что фреон может пребывать в жидком
состоянии лишь при достаточно низкой температуре. В холодильной камере
за счет тепла камеры он нагревается и кипит, превращаясь в пар. Но пар
сжимается компрессором, сжижается и поступает в испаритель, восполняя
убыль испаряющегося фреона. Энергия расходуется на работу компрессора.
В аппаратах глубокого охлаждения носителем холода служит сверххолодная
жидкость - жидкий гелий. Бесцветный, легкий (в 8 раз легче воды), он
кипит под атмосферным давлением при 4,2°К, а в вакууме - при 0,7°К. Еще
более низкую температуру дает легкий изотоп гелия: 0,3°К.
Устроить постоянно действующий гелиевый холодильник довольно сложно.
Исследования ведутся просто в ваннах с жидким гелием. А чтобы сжижить
этот газ, физики пользуются разными приемами. Например, расширяют
предварительно охлажденный и сжатый гелий, выпуская его через тонкое
отверстие в вакуумную камеру. При этом температура еще снижается и
некоторая часть газа обращается в жидкость. Более эффективно не только
расширять охлажденный газ, но и заставить его выполнять работу - двигать
поршень.
Полученный жидкий гелий хранят в специальных термосах - сосудах Дьюара.
Стоимость этой самой холодной жидкости (единственной не замерзающей у
абсолютного нуля) получается довольно высокой. Тем не менее жидкий гелий
в наши дни используется все шире, не только в науке, но и в различных
технических устройствах.
Самых низких температур удалось добиться иным способом. Оказывается,
молекулы некоторых солей, например хромокалиевых квасцов, могут
поворачиваться вдоль силовых магнитных линий. Такую соль предварительно
охлаждают жидким гелием до 1°К и помещают в сильное магнитное поле. При
этом молекулы поворачиваются вдоль силовых линий, а выделившееся тепло
отбирается жидким гелием. Затем магнитное поле резко снимают, молекулы
вновь поворачиваются в разные стороны, а затраченная
на это работа ведет к дальнейшему охлаждению соли. Так получили
температуру 0,001° К. Подобным же в принципе методом, применяя другие
вещества, можно получить еще более низкую температуру.
Наинизшая температура, полученная пока на Земле, равна 0,00001° К.
Вещество, замороженное до сверхнизких температур в ваннах с жидким гелием, заметно изменяется. Резина становится хрупкои, свинец - твердым, как сталь, и упругим, многие сплавы увеличивают прочность.
Своеобразно ведет себя сам жидкий гелий. При температуре ниже 2,2° К он
приобретает небывалое для обычных жидкостей свойство - сверхтекучесть:
некоторая его часть полностью теряет вязкость и без всякого трения
протекает сквозь самые узкие щели.
Явление это, открытое в 1937 г. советским физиком академиком П. JI.
Капицей, было затем объяснено академиком JI. Д. Ландау.
Оказывается, при сверхнизких температурах начинают заметно сказываться
квантовые законы поведения вещества. Как требует один из таких законов,
от тела к телу энергия может передаваться лишь вполне определенными
порциями-квантами. В жидком гелии так мало квантов тепла, что на все
атомы их не хватает. Часть жидкости, лишенная квантов тепла, пребывает
как бы при абсолютном нуле температуры, ее атомы совершенно не участвуют
в беспорядочном тепловом движении и никак не взаимодействуют со стенками
сосуда. Эта часть (ее назвали гелием-Н) и обладает сверхтекучестью. С
понижением температуры гелия-П становится все больше, и при абсолютном
нуле весь гелий превратился бы в гелий-Н.
Сверхтекучесть сейчас изучена очень подробно и даже нашла полезное
практическое применение: с ее помощью удается разделять изотопы гелия.
Возле абсолютного нуля чрезвычайно любопытные изменения происходят с
электрическими свойствами некоторых материалов.
В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес сделал неожиданное открытие:
оказалось, что при температуре 4,12° К в ртути полностью исчезает
электрическое сопротивление. Ртуть становится сверхпроводником.
Электрический ток, наведенный в сверхпроводящем кольце, не затухает и
может течь практически вечно.
Над таким кольцом сверхпроводящий шарик будет парить в воздухе и не
падать, будто сказочный <гроб Магомета>, потому что его тяжесть
компенсируется магнитным отталкиванием между кольцом и шариком. Ведь
незатухающий ток в кольце создаст магнитное поле, а оно, в свою очередь,
наведет в шарике электрический ток и вместе с ним противоположно
направленное магнитное поле.
Кроме ртути, сверхпроводимостью возле абсолютного нуля обладают олово,
свинец, цинк, алюминий. Это свойство обнаружено у 23 элементов и более
ста различных сплавов и других химических соединений.
Температуры появления сверхпроводимости (критические температуры)
составляют довольно широкий интервал - от 0,35° К (гафний) до 18° К
(сплав ниобий-олово).
Явление сверхпроводимости, как и сверх-
текучести, подробно изучено. Найдены зависимости критических температур
от внутренней структуры материалов и внешнего магнитного поля.
Разработана глубокая теория сверхпроводимости (важный вклад внесен
советским ученым академиком Н. Н. Боголюбовым).
Сущность этого парадоксального явления опять-таки сугубо квантовая. При
сверхнизких температурах электроны в
сверхпроводнике образуют систему попарно связанных частиц, которые не
могут отдавать энергию кристаллической решетке, тратить кванты энергии
на ее нагревание. Пары электронов движутся, как бы <танцуя>, между
<прутьями решетки> - ионами и обходят их без столкновений и передачи
энергии.
Сверхпроводимость все шире используется в технике.
Входят в практику, например, сверхпроводящие соленоиды - катушки из
сверхпроводника, погруженные в жидкий гелий. В них сколь угодно долго
может храниться однажды наведенный ток и, следовательно, магнитное поле.
Оно может достигать гигантской величины - свыше 100 ООО эрстед. В
будущем, несомненно, появятся мощные промышленные сверхпроводящие
устройства - электродвигатели, электромагниты и т. д.
В радиоэлектронике немалую роль начинают играть сверхчувствительные
усилители и генераторы электромагнитных волн, которые особенно хорошо
действуют в ваннах с жидким гелием, - там полностью исчезают внутренние
<шумы> аппаратуры. В электронно-вычислительной технике блестящую
будущность сулят маломощным сверхпроводящим переключателям - криотронам
(см. ст. <Пути электроники>).
Нетрудно представить себе, сколь заманчиво было бы продвинуть действие
подобных приборов в область более высоких, более доступных температур. В
последнее время открывается надежда создания полимерных пленочных
сверхпроводников. Своеобразный характер электропроводности в таких
материалах сулит блистательную возможность сохранить сверхпроводимость
даже при комнатных температурах. Ученые настойчиво ищут пути
осуществления этой надежды.
А теперь заглянем в царство самого горячего, что есть на свете, - в
недра звезд. Туда, где температуры достигают миллионов градусов.
Беспорядочное тепловое движение в звездах настолько интенсивно, что
целые атомы там существовать не могут: они разрушаются в бесчисленных
столкновениях.
Столь сильно раскаленное вещество поэтому не может быть ни твердым, ни
жидким, ни газообразным. Оно пребывает в состоянии плазмы, т. е. смеси
электрически заряженных <осколков> атомов - атомных ядер и электронов.
Плазма - своеобразное состояние вещества. Поскольку ее частицы
электрически заряжены, они чутко повинуются электрическим и магнитным
силам. Поэтому близкое соседство двух атомных ядер (они несут
положительный заряд) - явление редкое. Лишь при высоких плотностях и
огромных температурах налетающие друг на друга атомные ядра способны
сблизиться вплотную. Тогда совершаются термоядерные реакции - источник
энергии звезд.
Ближайшая к нам звезда - Солнце состоит главным образом из водородной
плазмы, которая раскалена в недрах светила до 10 млн. градусов. При
таких условиях тесные сближения быстрых водородных ядер - протонов хоть
и редко, но случаются. Иногда сблизившиеся протоны вступают во
взаимодействие: преодолев электрическое отталкивание, они попадают во
власть гигантских ядерных сил притяжения, стремительно <падают> друг на
друга и сливаются. Тут происходит мгновенная перестройка: вместо двух
протонов возникают дейтрон (ядро тяжелого изотопа водорода), позитрон и
нейтрино. Освобождается энергия 0,46 млн. электрон-вольт (Мэв).
Каждый отдельно взятый солнечный протон может вступить в такую реакцию в
среднем один раз за 14 млрд. лет. Но протонов в недрах светила так
много, что то тут, то там совершается это маловероятное событие, - и
горит наша звезда своим ровным, ослепительным пламенем.
Синтез дейтронов лишь первый шаг солнечных термоядерных превращений.
Новорожденный дейтрон очень скоро (в среднем через 5,7 сек) соединяется
еще с одним протоном. Возникает ядро легкого гелия и гамма-квант
электромагнитного излучения. Освобождается 5,48 Мэв энергии.
Наконец, в среднем раз в миллион лет могут сойтись и соединиться два
ядра легкого гелия. Тогда образуется ядро обычного гелия (альфа-частица)
и отщепляются два протона. Выделяется 12,85 Мэв энергии.
Этот трехступенчатый <конвейер> термоядерных реакций не единственный.
Существует и другая цепочка ядерных превращений, более быстрых. В ней
участвуют (не расходуясь) атомные ядра углерода и азота. Но в обоих
вариантах из водородных ядер синтезируются альфа-частицы. Фигурально
выражаясь, водородная плазма Солнца <сгорает>, превращаясь в <золу> -
плазму гелия. И в процессе синтеза каждого грамма гелиевой плазмы
выделяется 175 тыс. квт-ч энергии. Огромное количество!
Ежесекундно Солнце излучает 4 1033 эргов энергии, теряя в весе 4 1012 г
(4 млн. т) вещества. Но полная масса Солнца 2 1027 т. Значит, за миллион
лет благодаря лучеиспусканию Солнце <худеет> всего лишь на одну
десятимиллионную часть своей массы. Эти цифры красноречиво иллюстрируют
эффективность термоядерных реакций и гигантскую калорийность солнечного
<горючего> - водорода.
Термоядерный синтез, по-видимому, главный источник энергии всех звезд.
При разных температурах и плотностях звездных недр осуществляются разные
типы реакций. В частности, солнечная <зола>-ядра гелия - при 100 млн.
градусов сама становится термоядерным <горючим>. Тогда из альфа-частиц
могут синтезироваться еще более тяжелые атомные ядра - углерода и даже
кислорода.
Как считают многие ученые, вся наша Метагалактика в целом тоже плод
термоядерного синтеза, который проходил при температуре в миллиард
градусов (см. ст. <Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Необычайная калорийность термоядерного <горючего> побудила ученых
добиваться искусственного осуществления реакций ядерного синтеза.
<Горючего> - изотопов водорода на нашей планете немало. Например,
сверхтяжелый водород тритий можно получить из металла лития в ядерных
реакторах. А тяжелый водород - дейтерий входит в состав тяжелой воды,
которую можно добыть из обычной воды.
Тяжелый водород, извлеченный из двух стаканов обычной воды, дал бы в
термоядерном реакторе столько энергии, сколько сейчас дает сжигание
бочки первосортного бензина.
Трудность заключается в том, чтобы предварительно нагреть <горючее> до
температур, при которых оно способно воспламениться могучим термоядерным
огнем.
Впервые эта задача была решена в водородной бомбе. Изотопы водорода там
поджигаются взрывом атомной бомбы, что сопровождается нагревом вещества
до многих десятков миллионов градусов. В одном из вариантов водородной
бомбы термоядерным горючим служит химическое соединение тяжелого
водорода с легким литием - дейтерид легкого л и т и я. Этот белый
порошок, похожий на столовую соль, <воспламеняясь> от <спички>, которой
служит атомная бомба, мгновенно взрывается и создает температуру в сотни
миллионов градусов.
Чтобы возбудить мирную термоядерную реакцию, надо прежде всего научиться
без услуг атомной бомбы разогревать малые дозы достаточно плотной плазмы
изотопов водорода до температур в сотни миллионов градусов. Эта проблема
- одна из труднейших в современной прикладной физике. Над ней уже много
лет работают ученые всего мира.
Мы уже говорили, что именно хаотическое движение частиц создает
нагретость тел, причем средняя энергия их беспорядочного движения и
соответствует температуре. Нагреть холодное тело - значит любым способом
создать этот беспорядок.
Вообразите, что две группы бегунов стремительно несутся навстречу друг
другу. Вот они столкнулись, перемешались, началась толчея, неразбериха.
Отличный беспорядок!
Примерно так же физики на первых порах пытались получить высокую
температуру - путем сталкивания газовых струй высокого давления. Газ
нагревался до 10 тыс. градусов. В свое время это был рекорд: температура
выше, чем на поверхности Солнца.
Но при этом способе дальнейший, достаточно медленный, не взрывной нагрев
газа невозможен, так как тепловой беспорядок мгновенно распространяется
во все стороны, согревая стенки экспериментальной камеры и окружающую
среду. Полученное тепло быстро покидает систему, и изолировать ее
невозможно.
Если струи газа заменить потоками плазмы, проблема теплоизоляции
остается очень трудной, но открывается и надежда на ее решение.
Правда, и плазму нельзя оградить от потерь тепла сосудами,
изготовленными из вещества пусть даже самого тугоплавкого. Соприкасаясь
с твердыми стенками, горячая плазма немедленно остывает. Зато можно
попытаться удержать и разогреть плазму, создав ее скопление в вакууме
так, чтобы она не касалась стенок камеры, а висела в пустоте, ни до чего
не дотрагиваясь. Тут следует воспользоваться тем, что частицы плазмы не
нейтральные, как атомы газа, а электрически заряженные. Поэтому в
движении они подвергаются действию магнитных сил. Возникает задача:
устроить магнитное поле особой конфигурации, в котором горячая плазма
висела бы как в мешке с невидимыми стенками.
Простейший вид такого п.эля создается автоматически, когда через плазму
пропускают сильные импульсы электрического тока. Вокруг плазменного
шнура при этом наводятся магнитные силы, которые стремятся сжать шнур.
Плазма отделяется от стенок разрядной трубки, и у оси шнура в толчее
частиц температура поднимается до 2 млн. градусов.
У нас в стране такие эксперименты были исполнены еще в 1950 г. под
руководством академиков JI. А. Арцимовича и М. А. Леонтовича.
Другое направление опытов - использование магнитной бутылки,
предложенной в 1952 г. советским физиком Г. И. Буд-кером, ныне
академиком. Магнитная бутылка устраивается в пробкотроне -
цилиндрической вакуумной камере, снабженной наружной обмоткой, которая
сгущается у концов камеры. Ток, протекающий по обмотке, создает в камере
магнитное поле. Его силовые линии в средней части располагаются
параллельно образующим цилиндра, а у концов сжимаются и образуют
магнитные пробки. Частицы плазмы, впрыснутой в магнитную бутылку, вьются
вокруг силовых линий, отражаются от пробок. В результате плазма
некоторое время удерживается внутри бутылки. Если энергия введенных в
бутылку плазменных частиц достаточно велика и их достаточно много, они
вступают в сложные силовые взаимодействия, их поначалу упорядоченное
движение запутывается, становится беспорядочным - температура водородных
ядер поднимается до десятков миллионов градусов.
Дополнительный нагрев достигается электромагнитными <ударами> по плазме,
сжатием магнитного поля и т. д. Сейчас плазму ядер тяжелого водорода
раскаляют до сотен миллионов градусов. Правда, это удается сделать либо
на короткое время, либо при малой плотности плазмы.
Чтобы возбудить самоподдерживающуюся реакцию, предстоит дальше поднять
температуру и плотность плазмы. Добиться этого трудно. Однако проблема,
как убеждены ученые, бесспорно разрешима.
Г.Б. Анфилов
Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
Чудеса вблизи абсолютного нуля. Немало поводов для размышлений принесло физикам XX столетие. Среди них результаты опытов в условиях сверхглубокого холода при температурах всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Понятие абсолютный ноль вошло в физику в середине XIX века. Родившись из газового закона, оно постепенно распространилось на все состояния вещества, приобрело фундаментальное значение для всей физики.
Абсолютному нулю соответствует температура -273 градуса Цельсия точнее - 273,15?С. Любое вещество больше охладить нельзя, т.е. нельзя у него отнять энергию. Иными словами, при абсолютном нуле молекулы вещества обладают наименьшей возможной энергией, которая уже не может быть отмена от тела ни при каком охлаждении.
При каждой попытке охладить вещество энергия в нем остается все меньше и меньше, но всю ее вещество никогда не сможет отдать охлаждающему устройству. По этой причине ученые не достигли абсолютного нуля и не надеются сделать это, хотя они уже творят чудеса, достигая температуры порядка миллионных долей градуса. Так как абсолютный ноль есть самая низкая температура, то естественно, что в физике, особенно в тех разделах, где идет речь о низких температурах, пользуются термодинамической температурной шкалой, которая может быть проградуирована в Кельвинах К и в градусах Цельсия?С соотношение между температурой любой из этих шкал Т t 273, Т - абсолютный ноль, t - температура.
Исследования при температурах, близких к абсолютному нулю давно привлекли к себе внимание ученых, такие температуры в физике называются криогенными от греческого слова крио - холод. При криогенной температуре происходит много удивительного. Ртуть замерзает так, что ею можно забивать гвозди, резина разлетается на осколки от удара молотком, некоторые металлы становятся хрупкими как стекло.
Поведение вещества вблизи абсолютного нуля зачастую не имеет ничего общего с его поведением при обычных температурах. Казалось бы, вместе с теплом из вещества уходит энергия, а застывшее вещество уже не может представлять интереса. Еще столетие назад так и считали абсолютный ноль - это смерть материи. Но вот физики получили возможность работать при сверхнизких температурах, и оказалось, что область вблизи абсолютного нуля не такая уж мертвая.
Совсем наоборот здесь начинают проявляться многочисленные красивые эффекты, которые при обычных условиях, как правило, замаскированы тепловым движением атомов. Именно здесь начинается тот мир - удивительный и порой парадоксальный, который называется сверхпроводимостью. Сверхпроводимость - способность вещества пропускать электрический ток, не оказывая ему ни малейшего сопротивления. Открытие этого уникального явления не имеющего аналога в классической физике, мы обязаны замечательному голландскому ученому Гейне Камерлинг - Оннесу. 1.2. У начала пути. Удивительное событие в науке - открытие, а еще удивительнее путь, которым приходит к нему человек.
Он пробивается вперед сквозь, казалось бы непроходимые дебри, всегда вынужден сомневаться, что дороги вперед нет и ее приходится строить позади себя, как говорил немецкий физик Маке Борн. Первый шаг был сделан ещё в конце XVIII веке. В XIX веке были сжижены уже многие газы. Опыты следовали один за другим - превращены в жидкость кислород, азот, водород.
Один лишь гений не поддавался усилиям ученых. Помогали даже, что этот газ занимает в мире какое-то особое положение. Поэтому он и не превращается в жидкость. Во многих теориях мира экспериментаторы активно искали способы получения жидкого гипса. Успех выпал на долю Камерлинг- Оннеса. Именно в его лаборатории низких температур в Лейденском университете был проведен эксперимент, ставший последней страницей в истории поиска новый жидкостей.
Успех голландского физика не был случайным. Задача была решена человеком понявшим коллективный характер науки XX столетия, создавшим, может быть, первую по-настоящему современную научную лабораторию. Мы привыкли к уже масштабным научным исследованием. Но в начале века Оннес резко выделился на фоне многих экспериментаторов, проводивших свои исследования с помощью небольших лабораторных установок. Уже первая установка для сжижения кислорода, азота и др. Атмосферных газов, сконструированная им в 1894 году, имела такую производительность, что смогла удовлетворить быстро растущие потребности в лаборатории в течение многих лет. 1.3. Лейден, 1911г. открытие сверхпроводимости.
Шел 1911 год. Камерлинг-Оннес работал над проблемой, которая значилась в тогдашней лейденской исследовательской программе как изучение свойств различных веществ при гелиевых температурах. Одним из первых исследований, проведенным в новой температурной области, было изучение зависимости электрического сопротивления металлов от температуры. Словно предвидя развитие событий электротехники, ещё в XIX веке ввели в теорию электричества термин идеальный проводник, т. е. проводник без электрического сопротивления.
С другой стороны, и физики, изучавшие свойства металлов, установили, что при сжижении температуры сопротивление металла уменьшается. Но им уже удалось добраться до температуры жидкого водорода, а сопротивление образцов из чистых металлов все падало и падало. А что же дальше? Каким будет предельное значение сопротивления проводника при приближении его температуры к абсолютному нулю. Вот этого никто не знал. В принципе можно было предположить три возможных варианта.
Они изображены на рисунке 1. Большинство ученых придерживалось мнения при абсолютном нуле электрическое сопротивление должно исчезать см. кривую 1 на рис.1 . Действительно, электрический ток - это поток свободных электронов проходящих сквозь кристаллическую решетку.
Если бы кристалл был идеальным, а его атомы строго неподвижны, то электроны двигались бы совершенно свободно, не встречал помех со стороны кристаллической решетки. Такой кристалл был бы идеальным проводником с нулевым сопротивлением. Однако, во-первых, беспорядочность колебание атомов решетки нарушают ее структуру, а во-вторых, электроны, движущиеся в кристалле, могут взаимодействовать с колеблющимися атомами, передавать им часть своей энергии, что и означает появление электрического сопротивления.
При понижении атомов амплитуда колебаний атомов уменьшается, следовательно, столкновение свободных электронов с ними уменьшается, и, таким образом ток встречает меньше сопротивления! При абсолютном нуле, когда решетка уже неподвижна, сопротивление проводника становится равным нулю. Впрочем, небольшое сопротивление тока может сохранится и при абсолютном нуле см. кривая-2, рис.1 , поскольку и тогда некоторые электроны все еще сталкивались бы с атомами решетки. Кроме того, кристаллические решетки, как правило, не являются идеальными в них всегда есть дефекты и примеси посторонних атомов.
С другой стороны была выдвинута гипотеза, согласно которой электроны проводимости при низких температурах объединяются с атомами, что приводит к бесконечно большому сопротивлению при температуре, равной ноль Кельвинов см.кривая 3 рис1 . До 1911г. трудно было себе представить ещё какое-нибудь другой вариант. Опыт и только опыт может служить физических моделей и критерием их справедливости.
Вполне понятно, что одним из первых экспериментов при температуре жидкого гелия стало измерение сопротивление металлов. Сам физический холода не доступен эксперименту, поэтому Камерлинг-Оннес, который к тому времени располагал возможностью получать температуры лишь на один градус выше абсолютного нуля, измерял электрическое сопротивление металлов при разных температурах. Затем строились кривые, которые можно было продолжить, т.е. как бы составить прогноз для интересующей нас области.
Сначала Оннес исследовал образцы платины и золота, так как именно эти металлы имелись тогда в достаточно чистом виде. При понижении температуры образцов сопротивление исправно падало, стремясь к некоторому постоянному значению остаточному сопротивлению. Однако значения электрических сопротивлений различных образцов, при равных условиях были тем меньше, чем чище оказывался металл. Отсюда вывод учитывая поправку на достаточное сопротивление, я пришел к заключению, что сопротивление абсолютно чистой платиной при температуре кипения жидкого гелия, возможно, исчезнет. Итак, ртуть Оннес заморозил ее в сосуде, содержащим жидкий гелий, и приступил к измерению сопротивления.
Вначале все лицо так, как предусматривала теория. Электрическое сопротивление ртути плавно падало по мере снижения температуры 10 5 4,2К, и сопротивление стало таким малым, что его вообще не удавалось зарегистрировать приборами, имевшимися в лаборатории. Позднее, в 1913г вспоминая этот период Оннест писал Будущее казалось мне прекрасным.
Я не видел перед собой трудностей. Они были преодолены и убедительность эксперимента не вызвала сомнений. И вдруг случилось неожиданное. В ходе дальнейших экспериментов на усовершенствованной аппаратуре Оннест заметил, что сопротивление ртути при температуре около 4,1К уменьшалось не плавно, а скачком до неизменно малой величины, т. е. исчезало начисто рис.2. Первая мысль была о неисправности прибора, с помощью которого измерялось сопротивление.
Включили другой. И вновь при температуре 4,1К стрелка прибора прыгнула к 0. Здесь было от чего прийти в замешательство до абсолютного нуля было ещё четыре градуса. И он повторяет эксперимент ещё раз. Изготовляет из ртути новый образец берет даже очень загрязненную ртуть, у которой остаточное сопротивление должно быть ярко выражено замеряет измерительный прибор точнейшим зеркальным гальванометром. Но сопротивление по-прежнему исчезало. Вот тогда, наверное, Камерлине-Оннес и произнес впервые слово сверхпроводимость. и не осталось сомнений писал Оннес в существовании нового состояния ртути, в котором сопротивление физики исчезает ртуть перешла в новое состояние, и, учитывая его исключительные электрические свойства, его можно назвать сверхпроводящим состоянием. Нет нужды говорить о том, каким это была сенсация.
Теперь с его именем связывали два существенных события в физике жидкий гелий и сверхпроводимость. В 1913 году Камерлине-Оннесу была присуждена Нобелевская премия. Разумеется, Оннес думал о загадке сверхпроводимости, но тогда, в декабре 1913 года, ему оставалось только предполагать Эта работа должна приподнять покрывало, которым тепловое движение при обычных температурах закрывает от нас внутренний мир атомов и электронов Из всех областей физики к нам приходят вопросы, ожидающие решения от измерений при гелиевых температурах. 2.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Сверхпроводники
Свободная энергия сверхпроводника 7. Электродинамика сверхпроводников 7.1 Уравнения Лондонов 7.2 Эффект Мейснера 7.3 Глубина проникновения… Человеческое воображение зачастую отказывается служить в этом странном мире… Но, как сказал Л. Д. Ландау, величайшим триумфом человеческого гения является то, что человек способен понять вещи,…
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
