Fyzika nízkých teplot
Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 21. srpna 2017; ověření vyžaduje 21 úprav .Fyzika nízkých teplot je obor fyziky, který studuje fyzikální vlastnosti systémů při nízkých teplotách. Zejména se tato část zabývá jevy, jako je supravodivost a supratekutost . Fyzika nízkých teplot studuje fyzikální procesy probíhající při velmi nízkých teplotách až po absolutní nulu , zabývá se studiem vlastností materiálů při těchto nízkých a ultranízkých teplotách, a je tak spojena s mnoha oblastmi vědy a techniky. [jeden]
Metody pro získání nízkých teplot
Odpařování kapalin
K získání a udržení nízkých teplot se běžně používají zkapalněné plyny . V Dewarově nádobě , obsahující zkapalněný plyn odpařující se za atmosférického tlaku, je dobře udržována konstantní teplota normálního varu chladiva. Nejčastěji používaná chladiva jsou kapalný dusík a kapalné helium . Dříve používaný zkapalněný vodík a kyslík se dnes kvůli zvýšené výbušnosti par používají poměrně zřídka. Dusík a helium jsou prakticky inertní a nebezpečí představuje pouze prudká expanze při přechodu z kapalného do plynného skupenství.
Snížením tlaku nad volným povrchem kapaliny je možné získat teplotu pod normálním bodem varu této kapaliny. Například odčerpáním par dusíku lze dosáhnout teploty až do teploty trojného bodu 63 K, odčerpáním par vodíku (nad pevnou fází) teploty 10 K, odčerpáním par helia teploty asi 0,7 K (za velmi dobrých experimentálních podmínek).
Škrcení
Při průtoku zúžením v průchozím kanálu potrubí - škrticí klapkou nebo porézní přepážkou dochází k poklesu tlaku plynu nebo páry spolu s poklesem jejich teploty. Škrticí efekt se využívá především pro hluboké chlazení a zkapalňování plynů.
Změna teploty pro malou změnu tlaku v důsledku Joule-Thomsonova procesu je určena derivací , zvanou Joule-Thomsonův koeficient.
Rozšíření o externí práci
Plyn můžete ochladit pomocí expandéru - zařízení pro dodatečné chlazení plynu jeho vypuštěním pod tlakem do válce s pístem, který se pohybuje silou. Plyn funguje a ochlazuje se. Používá se v cyklu výroby kapalného helia.
Pokud místo pístu použijete turbínu, získáte turboexpandér, jehož princip fungování je podobný.
Adiabatická demagnetizace
Metoda je založena na efektu uvolňování tepla z paramagnetických solí při jejich magnetizaci a následné absorpci tepla při jejich demagnetizaci. To umožňuje získat teploty až 0,001 K. Pro získání velmi nízkých teplot jsou nejvhodnější soli s nízkou koncentrací paramagnetických iontů, tedy soli, ve kterých jsou sousední paramagnetické ionty od sebe odděleny nemagnetickými atomy. .
Peltierův efekt
Peltierův jev se používá v termoelektrických chladicích zařízeních. Je založena na snižování teploty přechodů polovodičů při průchodu stejnosměrného elektrického proudu. Množství uvolněného tepla a jeho znaménko závisí na typu kontaktujících látek, síle proudu a době průchodu proudu, to znamená, že množství uvolněného tepla je úměrné množství náboje prošlého kontaktem.
Disoluční kryostat
Chladicí proces využívá směs dvou izotopů helia : 3 He a 4 He . Při ochlazení pod 700 mK dochází ve směsi ke spontánní separaci fází , čímž se vytvoří fáze bohaté na 3 He a bohaté na 4 He. Směs 3 He/ 4 He je zkapalněna v kondenzátoru , který je připojen přes tlumivku k bohaté oblasti 3 He směšovací komory. 3 atomy He procházející fázovou hranicí odebírají energii ze systému. Chladničky s kontinuálním ředěním se běžně používají ve fyzikálních experimentech při nízkých teplotách.
Měření nízkých teplot
Primárním termometrickým zařízením pro měření termodynamické teploty do 1 K je plynový teploměr . Používají se odporové teploměry ( platina - pro přesné měření, měď , uhlí ).
Jako sekundární teploměry lze použít termočlánky , polovodičové diody - vyžadují však kalibraci. Obdobou termometrie z hlediska tlaku nasycených par v oblasti ultranízkých teplot je měření teploty v rozsahu 30–100 mK pomocí osmotického tlaku ³He ve směsi ³He -4He .
Historie fyziky nízkých teplot
Hlavní etapy vývoje fyziky nízkých teplot byly spojeny se zkapalňováním plynů, které umožňovalo provádět měření při teplotě rovné bodu varu.
- V roce 1852 objevili James Joule a William Thomson Joule-Thomsonův efekt .
- V roce 1883 Sigismund Wroblewski a Karol Olszewski jako první získali kapalný kyslík a kapalný dusík v měřitelných množstvích.
- V roce 1898 získal James Dewar asi 20 cm³ kapalného vodíku .
- V roce 1908 se Heike Kamerling-Onnes podařilo získat 60 cm³ kapalného helia . Nízkých teplot potřebných pro kondenzaci helia bylo dosaženo adiabatickým škrcení vodíku.
- V roce 1913 byla Heike Kamerling-Onnes oceněna Nobelovou cenou za fyziku za získání kapalného hélia .
- V roce 1925 Albert Einstein teoreticky předpověděl existenci Bose-Einsteinova kondenzátu jako důsledek zákonů kvantové mechaniky na základě práce Shatyendranatha Bose .
- V roce 1926 byl Willem Hendrik Keesom schopen získat 1 cm³ pevného helia za použití nejen nízké teploty, ale také vysokého tlaku.
- V roce 1930 [2] Willem Hendrik Keesom objevil přítomnost fázového přechodu v kapalném heliu při teplotě 2,17 K a tlaku nasycených par 0,005 MPa. Jmenuje fázi stabilní nad 2,17 K helia-I a fázi stabilní pod 2,17 K helia-II. Pozoruje také související anomálie tepelné vodivosti (dokonce nazývá helium-II „supertermální vodivé“), tepelné kapacity, tekutosti helia.
- V roce 1938 P. L. Kapitsa objevil supratekutost helia-II.
- V roce 1941 podal L. D. Landau kvantově mechanické vysvětlení jevu supratekutosti .
- V roce 1948 bylo také helium-3 poprvé zkapalněno .[ komu? ]
- V roce 1962 obdržel L. D. Landau Nobelovu cenu za fyziku .
- V roce 1972 byl také v kapalině 3 He objeven fázový přechod do supratekutého stavu . Později bylo experimentálně prokázáno, že pod 2,6 mK a při tlaku 34 atm se 3 He skutečně stává supratekutým.
- V roce 1978 byla Nobelova cena za fyziku udělena Pyotr Kapitsa , Arno Allan Penzias a Robert Woodrow Wilson za objev fenoménu supratekutosti .
- V roce 1995 Bose-Einsteinův kondenzát poprvé získali Eric Cornell a Karl Wiman . Vědci použili plyn z atomů rubidia , ochlazený na 170 nanokelvinů .
- V roce 1996 byli D. Osherov , R. Richardson a D. Lee oceněni Nobelovou cenou za fyziku za objev supratekutosti helia-3 .
- V roce 2001 byli Eric Cornell , Karl Wieman a Wolfgang Ketterle oceněni Nobelovou cenou za fyziku za získání Bose-Einsteinova kondenzátu .
- V roce 2003 byla Nobelova cena za fyziku udělena Alexeji Alekseeviči Abrikosovovi , Vitalymu Lazarevičovi Ginzburgovi a Anthonymu Leggettovi , mimo jiné za vytvoření teorie supratekutosti kapalného helia-3.
- V roce 2004 byl oznámen objev supratekutosti v pevném heliu. Toto tvrzení bylo vzneseno na základě efektu neočekávaného snížení momentu setrvačnosti torzního kyvadla s pevným heliem. V následujících letech však výsledky nezávislých experimentů nemohly tento objev potvrdit. Situace se supratekutostí v pevném heliu zůstala nejasná až do roku 2012 , kdy se ukázalo, že interpretace objeveného jevu jako přechodu pevného helia do supratekutého stavu byla chybná.
Specialita VAK
"Fyzika nízkých teplot" (speciální kód 01.04.09) je obor základní vědy, který studuje fyzikální jevy a stavy hmoty charakteristické pro teploty blízké absolutní nule . Zahrnuje teoretické a experimentální studie struktury a vlastností hmoty v kvantovém základním stavu a fyzikální podstaty a charakteristik různých elementárních excitací , stejně jako kvantových kooperativních jevů, jako je supratekutost , supravodivost , Boseova kondenzace , magnetické, nábojové a další typy objednávání. [3] Pas specializace Vyšší atestační komise „Fyzika nízkých teplot“ stanoví tyto oblasti studia:
- Kvantové kapaliny a krystaly .
- Supravodivé systémy včetně vysokoteplotních supravodičů .
- Kvantové plyny, Bose-Einsteinovy kondenzáty.
- Silně korelované elektronické a fononové systémy.
- Nízkoteplotní magnetismus: magnetické struktury, fázové přechody, magnetická rezonance.
- Nízkorozměrné kvantové systémy a systémy s poruchou.
- mezoskopické systémy.
- Studium mechanických, elektrických, magnetických, optických, tepelných a dalších fyzikálních vlastností látek při nízkých teplotách.
- Vývoj metod pro získávání a měření nízkých a ultranízkých teplot.
Vědecké časopisy
- " Fyzika nízkých teplot " Fyzikálně-technického ústavu nízkých teplot. Národní akademie věd Ukrajiny B. I. Verkina [4]
Viz také
Poznámky
- ↑ Fyzika nízkých teplot. Stručný historický nástin. (nedostupný odkaz)
- ↑ Věda a technika: Fyzika/SUPERFLUIDITA . Datum přístupu: 30. května 2010. Archivováno z originálu 17. prosince 2009.
- ↑ Pas odbornosti VAK . Získáno 30. května 2010. Archivováno z originálu 18. září 2010.
- ↑ Low Temperature Physics Journal . Získáno 30. května 2010. Archivováno z originálu 1. června 2010.