ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

I.Краткая теория

§ 1.Реальные газы.

Уравнение состояния Клапейрона - Менделеева достаточно хорошо описывает известные из опытов свойства газов. Однако, оно является приближённым и оказывается справедливым только при достаточно малых давлениях. Кроме того опыт показывает, что при определенных значениях давления и температуры газы конденсируется, т.е. приходят в жидкое состояние. Уравнение Клапейрона - Менделеева это явление не описывает. Изотерма для реального газа при этом имеет характерный вид (рис. 1).

Рассмотрим процесс, соответствующий этому графику, проведённый в направлении ABCD. Часть изотермы AB описывает процесс сжатия газа до начала конденсации. Она достаточно хорошо может совпадать с изотермой, рассчитанной по уравнению Клапейрона-Менделеева (изображена пунктиром). Однако в процессе, проведённом с реальным веществом при определенном давлении начнётся конденсация (точка B на графике). Это давление называют давлением насыщенных паров или просто давлением насыщения .

Часть графика BC описывает двухфазное состояние вещества. При уменьшении объема от до все большая доля вещества переходит из парообразного состояния в жидкое. Точка C изображает состояние, когда всё вещество превратилось в жидкость. Наконец, CD описывает процесс сжатия жидкости, график идет почти параллельно вертикальной оси, отражая известный факт: жидкости имеют гораздо меньшую сжимаемость, чем газы.

Если проводить подобные изотермические процессы с одним и тем же количеством вещества при различных температурах, мы получим систему изотерм, изображенную на рис.2.

Кривые, соответствующие более высоким температурам, располагаются дальше от начала координат. С повышением температуры горизонтальные части изотерм, описывающие двухфазное состояние, уменьшаются и при некоторой температуре вырождаются в одну единственную точку. Эта температура называется критической.

При температуре выше критической нельзя получить вещество в двухфазном состоянии.

§ 2. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса.

Уравнение состояния идеального газа при больших плотностях не может дать хорошего совпадения с экспериментом, поскольку при eгo написании предполагалось, что молекулы не имеют размеров и не взаимодействуют между собой. Чтобы получить уравнение состояния, удовлетворительно описывающее свойства реальных газов, надо учесть размеры молекул или силы отталкивания, возникающие между молекулами, находящимися на малых расстояниях друг отдруга. Кроме того, надо учестьтакже и силы притяжения между молекулами.

Можно взять за основу уравнение состояния Клапейрона - Менделеева и внести в него соответствующие поправки. Учёт сил отталкивания или размеров молекул произведем, введя поправку к объёму в уравнении Клапейрона - Менделеева для одного киломоля газа

(1)

(2)

Из второго выражения видно, что при давление стремится к бесконечности, т.е. нельзя сжать вещество до объёма, равного нулю.

При сравнительно больших расстояниях междумолекулами существенную роль играют силы притяжения. Их можно учесть, введя соответствующую поправку к давлению в уравнении (2):

(3)

Эту поправку необходимо взять с отрицательным знаком, полагая, что притяжение молекул приводит к уменьшению давления на стенки содержащего данный газ сосуда. Уравнение (3) можно преобразовать так:

(4)

Это и есть уравнение состояния реальных газов, впервые полученное Ван-дер-Ваальсом. Можно записать его для произвольного количества вещества:

(5)

где относительная молекулярная масса.

Уравнение (4) можно представить в виде степенного ряда по объему:

(6)

При фиксированных давлении и температуре оно будет являться уравнении третьей степени относительно объема и должно иметь три корня. Наиболее интересные результаты получаются при анализе изотерм Ван-дер-Ваальса, одна на которых изображена, на рис.3.

При фиксированной температуре каждому значению давление будут соответствовать три корня уравнении (6). Давлению соответствуют три вещественных корня , , . Давлениям и соответствуют один вещественный корень и два комплексно сопряжённых корня, которые физического смысла не имеют и в дальнейшем рассматриваться не будут.

Интересно сопоставить изотерму Ван-дер-Ваальса и опытную изотерму. На рис.3 горизонтальный участок опытной изотермы изображен прямой BF. Часть AB описывает газообразное состояние вещества и удовлетворительно совпадает с опытной изотермой. Часть FG описывает изотермическое сжатие жидкости. Таким образом, уравнение Ван-дер-Ваальса сравнительно неплохо описывает поведение вещества в газообразном и жидком состояниях при изотермическом процессе.

Существенно изотермы отличаются на участке BF . Однако ветви BC и EFимеют определённый физический смысл. Состояния вещества, изображаемые участком BC, могут быть экспериментально получены. Это - пересыщенный или переохлаждённый пар. Состояния вещества, соответствующие участку EFтакже наблюдаются на опыте. Жидкость в таких состояниях называется перегретой. Эти состояния называют метастабильными. Часть изотермы Ван-дер-Ваальса CDE в опытах никогда не наблюдается. Она описывает нестабильное состояние вещества.

§ 3. Критическая температура. Критическое состояние.

Построим семейство изотерм Ван-дер-Ваальса (рис.4). С увеличением температуры кривые будут располагаться далее от начала координаты и характер их будет меняться. Максимумы и минимумы будут сближаться как по оси абсцисс, так и по оси ординат, и при некоторой температуре сольются в одну точку, точку перегиба. При этой температуре и соответствующем данной точке давлении три вещественных корня становятся кратными. Различие между жидкостью и паром и граница раздела между ними исчезают. Такое состояние называют критическим, а температуру - критической температурой. Эта температура является характерным свойством каждого вещества.

Используя уравнение Ван-дер-Ваальса, можно выразить критические параметры , , через индивидуальные константы вещества и , а также через универсальную газовую постоянную .

Один способ нахождения критических параметров основывается на том, что корни уравнения Ван-дер-Ваальса, написанного для критического состояния, являются кратными, т.е, уравнение можно представить так:

Сопоставим с уравнением (6)

Это равенство будет тождественно выполняться, если коэффициенты, при одинаковых степенях будут равны между собой:

,

, (8)

.

Решая систему уравнений (8), получим выражения для критических параметров:

, , . (9)

Эти же результаты можно получить другим путем. Как уже отмечалось, точка, изображающая критическое состояние, является точкой перегиба на графике изотермического процесса в координатах , . Используем уравнение (3), определяющее давление как функции объёма при фиксированной температуре. Из курса математического анализа известно, что в точке перегиба первая и вторая производные равны нулю:

(10)

(11)

Решая систему уравнений (3), (10), (11) относительно , , получим для них те же соотношения (9).

Определив экспериментально критические параметры, можно найти индивидуальные константы вещества и .

, . (12)

Таким образом, уравнение Ван-дер-Ваальса описывает свойства жидкостей и газов, предсказывает существование критического состояния. Однако, оно является менее универсальным, чем уравнение Клапейрона-Менделееве, так как в него входят две индивидуальные константы вещества и .

II. Описание УСТАНОВКИ.

Знание критических параметров , , представляет значительный научный и практический интерес. При температуре выше критической вещество может существовать только в газообразном состоянии. Скрытая теплота парообразования и коэффициент поверхностного натяжения при критической температуре обращаются в нуль.

Построив на основе экспериментальных данных систему изотерм (как показано не Рис2), можно определить критическую температуру и два других параметра. Этот метод был впервые применен Эндрюсом при определении критических параметров углекислого газ. При определении только критической температуры можно воспользоваться менее громоздким методом исчезновения мениска. Исследуемое вещество помещается в запаянную стеклянную ампулу и нагревается. Если количество жидкости в ампуле подобрано таким образом, что в процессе нагревания мениск практически остается на месте, то в определённый момент вещество достигнет критического состояния (мениск при этом исчезнет). При охлаждении он снова появится и вещество разделится на две фазы. Температура, при которой появляется и исчезает мениск и будет являться критической температурой.

Определение критической температуры производится на установке, схема которой изображена не рис.5.

На общей подставке смонтированы осветитель 1 и термостат 2, в который помещается специальный микропресс 3 с исследуемы веществом. В нижней части корпуса осветителя имеется два тумблера: одним включается осветитель, другим нагреватели 4 термостате. Температура термостата контролируется с помощью двух хромель-копелевых термопар, включенных последовательно. Рабочие спаи термопар 5 помещаются в непосредственной близости к микропрессу. Термо-э.д.с. измеряется с помощью цифрового вольтметра 6.

Устройство микропресса, совмещающего в себе конструктивно рабочую камеру и миниатюрный пресс, показано на рис.6. Рабочим объемом иикропресса является объём тонкой стеклянной трубки 1, которая помещается в корпус пресса 2. С обоих торцов стеклянная трубка герметически закрывается винтами 3 и 4 с фторопластовыми уплотнениями 5. Внутри винта 4 по резьбе может перемещаться поршень 6 и таким образом менять рабочий объём. Визуальное наблюдение за изменением состояния вещества производится через смотровые щели в корпусе пресса и в корпусе термостате.

III. ИЗМЕРЕНИИ. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

В процессе выполнения лабораторной работы необходимо провести градуировку термопар и построение градировочной кривой. Для этого предварительно включить вольтметр, а затем, через 20-30 минут, включить нагреватели термостата. Вместо микропрес-са в термостат помещается ртутный термометр с пределами измерения от 0°С до 350°С. В процессе повышения температуры необходимо записывать показания вольтметра и термометра через Dt=20°С . Затем надо включить нагрев термостата и записать соответствующие показания при остывании. Окончательные результаты градуировки представить в виде графика: по вертикали откладываются показания вольтметра в милливольтах U , по горизонтали разность между температурой термостата и комнатной температурой. Необходимо брать именно разность температур, поскольку "холодные" спаи термопар находятся при комнатной температуре.

После проведения градуировки заполнить микропресс исследуемым веществом со стороны винта 3 с помощью шприца. Поршень при этом должен быть введён в стеклянную, трубку до соответствующей отметки, примерно на 3/4 длины. Далее необходимо винтом 3 с уплотнением закрыть пресс так, чтобы в стеклянную трубку не попал пузырёк воздуха. Винты 3 и 4 надо крепко закрутить. После этого поршень можно вывести из стеклянной трубки таким образом, чтобы образовавшаяся при этом газообразная фаза занимала примерно такой же объём, как и жидкая. Затем пресс помещают в термостат так, чтобы рукоятка поршня находилась сверху за пределами термостата и включают нагрев.

В процессе нагревания необходимо следить за положением менискаи, перемещая поршень, в ту или другую сторону, не давать ему уйти из поля зрения. При определенной температуре мениск должен исчезнуть. Это критическая температура. Вещество в критическим состоянии интенсивно рассеивает свет и становится мутно-белым, непрозрачным. В данной установке детали микропресса выходят за пределы термостата, через них происходит интенсивный теплоотвод, Поэтому температура в стеклянной трубке неоднородна, и критическое состояние может быть получено только в нижней части трубки. Это и наблюдается в эксперименте. В верхней части трубки при этом может наблюдаться граница раздела двух фаз.

В процессе работы необходимо измерить температуру, при которой в нижней части стеклянной трубку начнется интенсивное рассеяние света веществом. Затем нагреватели необходимо выключить и измерить температуру, при которой это рассеяние исчезнет. Подобные измерения провести несколько рез и в качестве критической температуры взять среднее значение.

Таблица 1.

По результатам измерения критической температуры. и используя данные таблицы 1 для критического давления, рассчитать константы Ван-дер-Ваальса и для исследуемого вещества.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1) Для чего введены константы и в уравнение Ван-дер-Ваальса?

2) Сравнить систему реальных изотерм и систему изотерм Ван-дер-Ваальса.

3) Как меняется давление насыщения при изменении температуры?

4) Рассказать о двух методах вывода формул для критических параметров.

5) Написать приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса.

6)
Сформулировать закон соответственных состояний.

ЛИТЕРАТУРА.

1) А.К.Кикоин, И.К.Кикоин. Молекулярная физика. Изд."Наука",1976, с.208-237.

2) Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.П, изд."Наука", 1976,с.371-399.

Если некоторое количество жидкости поместить в закрытый сосуд, то часть жидкости испарится и над жидкостью будет находиться насыщенный пар. Давление, а следовательно, и плотность этого пара зависят от температуры. Плотность пара обычно значительно меньше плотности жидкости при той же температуре. Если повысить температуру, то плотность жидкости уменьшится (§ 198), давление же и плотность насыщенного пара возрастут. В табл. 22 приведены значения плотности воды и насыщенного водяного пара для разных температур (а следовательно, и для соответствующих давлений). На рис. 497 эти же данные приведены в виде графика. Верхняя часть графика показывает изменение плотности жидкости в зависимости от ее температуры. При повышении температуры плотность жидкости уменьшается. Нижняя часть графика показывает зависимость плотности насыщенного пара от температуры. Плотность пара увеличивается. При температуре, соответствующей точке , плотности жидкости и насыщенного пара совпадают.

Рис. 497. Зависимость плотности воды и ее насыщенного пара от температуры

Таблица 22. Свойства воды и ее насыщенного пара при разных температурах

Температура,	Давление насыщенного пара,	Плотность воды,	Плотность насыщенного пара,	Удельная теплота парообразования,

Из таблицы видно, что чем выше температура, тем меньше разница между плотностью жидкости и плотностью ее насыщенного пара. При некоторой температуре (у воды при ) эти плотности совпадают. Температуру, при которой плотности жидкости и ее насыщенного пара совпадают, называют критической температурой данного вещества. На рис. 497 ей соответствует точка . Давление, соответствующее точке , называют критическим давлением. Критические температуры различных веществ сильно разнятся между собой. Некоторые из них приведены в табл. 23.

Таблица 23. Критическая температура и критическое давление некоторых веществ

Вещество	Критическая температура,	Критическое давление, атм	Вещество	Критическая температура,	Критическое давление, атм
			Углекилый газ
			Кислород
Спирт этиловый

На что указывает существование критической температуры? Что будет при еще более высоких температурах?

Опыт показывает, что при температурах, более высоких чем критическая, вещество может находиться только в газообразном состоянии. Если мы будем уменьшать объем, занятый паром, при температуре выше критической, то давление пара возрастает, но он не становится насыщенным и продолжает оставаться однородным: как бы велико ни было давление, мы не обнаружим двух состояний, разделенных резкой границей, как это всегда наблюдается при более низких температурах вследствие конденсации пара. Итак, если температура какого-нибудь вещества выше критической, то равновесие вещества в виде жидкости и соприкасающегося с ней пара невозможно ни при каком давлении.

Критическое состояние вещества можно наблюдать при помощи прибора, изображенного на рис. 498. Он состоит из железной коробки с окнами, которую можно нагревать выше («воздушная баня»), и находящейся внутри бани стеклянной ампулы с эфиром. При нагревании бани мениск в ампуле поднимается, делается более плоским и, наконец, исчезает, что и свидетельствует о переходе через критическое состояние. При охлаждении бани ампула внезапно мутнеет вследствие образования множества мельчайших капелек эфира, после чего эфир собирается в нижней части ампулы.

Рис. 498. Прибор для наблюдения критического состояния эфира

Как видно из табл. 22, по мере приближения к критической точке удельная теплота парообразования становится все меньше и меньше. Это объясняется тем, что при повышении температуры уменьшается различие внутренних энергий вещества в жидком и парообразном состояниях. В самом деле, силы сцепления молекул зависят от расстояний между молекулами. Если плотности жидкости и пара отличаются мало, то мало отличаются и средние расстояния между молекулами. Следовательно, при этом будут мало отличаться и значения потенциальной энергии взаимодействия молекул. Второе слагаемое теплоты парообразования - работа против внешнего давления - тоже уменьшается по мере приближения к критической температуре. Это следует из того, что чем меньше различие в плотностях пара и жидкости, тем меньше расширение, происходящее при испарении, и, значит, тем меньше совершаемая при испарении работа.

На существование критической температуры впервые указал в 1860г. Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), русский химик, открывший основной закон современной химии - периодический закон химических элементов. Большие заслуги в изучении критической температуры имеет английский химик Томас Эндрюс, произведший обстоятельное исследование поведения углекислоты при изотермическом изменении занимаемого ею объема. Эндрюс показал, что при температурах ниже в замкнутом сосуде возможно сосуществование углекислоты в жидком и в газообразном состояниях; при температурах выше такое сосуществование невозможно и весь сосуд наполнен только газом, как бы ни уменьшать его объем.

После открытия критической температуры стало понятно, почему долго не удавалось превратить в жидкость такие газы, как кислород или водород. Их критическая температура очень низка (табл. 23). Чтобы превратить эти газы в жидкость, их нужно охладить ниже критической температуры. Без этого все попытки их сжижения обречены на неудачу.

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

Кафедра экспериментальной физики

Лабораторная работа № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЩЕСТВА

Симферополь 2002

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЩЕСТВА

ОБОРУДОВАНИЕ : ампула с эфиром, прибор Авенариуса, автотрансформатор, термопара, гальванометр, градуировочный график.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТ

И
деальным газом называется совокупность невзаимодействующих материальных точек. Состояние такой идеализированной системы описывается уравнением Менделеева-Клапейрона. В реальных газах, однако, действуют межмолекулярные силы электрического характера. При малом расстоянии между двумя молекулами между ними действуют силы отталкивания. Эти силы определяют "размер" молекул газа, то есть расстояние, ближе которого молекулы сильно отталкиваются друг от друга. По мере увеличения расстояния между двумя молекулами отталкивание уменьшается и затем меняет свой знак, превращаясь в силу притяжения. При дальнейшем удалении молекул друг от друга силы притяжения стремятся к нулю.Взаимодействие между молекулами приводит к тому, что реальные газы при соответствующих температурах и давлениях переходят в жидкое состояние.

На рис. 1 приведены опытные изотермы, полученные сжатием реального газа при постоянной температуре Т=const (T 1 ев на изотерме Т 1 , то давление газа не возрастает. В точке в газ становится насыщенным паром , его дальнейшее сжатие (участок ва ) приводит не к повышению давления, а к превращению насыщенного пара в жидкость. Таким образом, точки изотермы, лежащие на участке между точками a и в , соответствуют двухфазной системе, состоящей из жидкости и ее насыщенного пара, находящихся в равновесии. В точке а весь пар сжижается, система становится однофазной. Дальнейшее сжатие сжиженного газа, участок аf изотермы, сопровождается резким ростом давления.

При определенных условиях (газ без примесей, медленное сжатие) удается получить состояние в-d , называемые перенасыщенным паром . При аналогичных условиях расширения разжиженного газа удается получить состояние а-с , называемые перегретой жидкостью . Состояния перенасыщенного пара и перегретой жидкости недолговечны (метастабильны). Из них система быстро возвращается на участок а-в .

По мере увеличения температуры горизонтальный участок изотерм, соответствующий конденсации насыщенного пара, уменьшается и при некоторой температуре Т кр (Т 3 на рис.1) область перехода сжимается в одну точку К . Состояние газа в точке К называется критическим состоянием вещества , а соответствующие значения температуры, давления и объема называются критическими. При приближении к критической точке исчезает различие между жидкостью и ее насыщенным паром.

Если T>T кр, то никакое сжатие газа не переводит его в жидкое состояние.

Описание прибора для наблюдения критического состояния вещества и измерение критической температуры.

В настоящей работе критическая температура вещества (этилового эфира) определяется по исчезновению и появлению видимой границы жидкость-пар. Запаянная ампула с эфиром 2 помещена внутри нагревателя 1 , ток для нагревателя подается от сети через автотрансформатор. Температура внутри нагревателя измеряется термопарой 3 . В передней и задней стенках нагревателя имеются застекленные окна: переднее для наблюдения заднее - для освещения. Нагреватель находится внутри толстостенного кожуха с асбестовой изоляцией. Термо ЭДС фиксируется милливольтметром 4 . Градуировочная таблица 5 служит для перевода термо ЭДС в температуру.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Проверить наличие всех частей установки. Ампулу из нагревателя не вынимать ! Включить подсвет. Подключить термопару к гальванометру, подать ток в нагреватель.

ПОСЛЕ НАЧАЛА ОПЫТА НЕ РАЗРЕШАЕТСЯ РАСКРЫВАТЬ КОЖУХ И ПРОИЗВОДИТЬ ВНУТРИ ЕГО КАКИЕ-ЛИБО ИСПРАВЛЕНИЯ.

По мере нагревания наблюдать за показаниями гальванометра, включенного в цепь термопары, и по градуировочному графику судить о температуре внутри нагревателя. Начиная с 160˚С следить за видом мениска в ампуле.

Определить температуру исчезновения мениска Т 1 . Выключить автотрансформатор. Наблюдать за явлениями, происходящими в ампуле. Определить температуру Т 2 появления мениска. Вычислить среднее значение:

(1)

Опыт произвести три раза. Вычислить погрешность определения критической температуры.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Описать характер межмолекулярных сил в реальном газе.

Изобразить на PV – диаграмме изотермы реального газа и интерпретировать их характер.

Изобразить на PV –диаграмме и интерпретировать ход изотерм газа Ван-дер-Ваальса.

Как устроен прибор для наблюдения критического состояния вещества и измерения критической температуры?

Задача. Одной из моделей реального газа, предложенной Бертло, соответствует следующее уравнение состояния:

где a, b- постоянные. Найти Т кр, Р кр и V кр для газа Бертло, выразив эти величины через константы a и b.

ЛИТЕРАТУРА:

Д.В. Сивухин. Термодинамика и молекулярная физика.

(Общий курс физики).

Температура тела - один из важнейших факторов, которые необходимы для обмена веществ. Она является показателем состояния организма и меняется в зависимости от влияния внешних и внутренних факторов. При плохом самочувствии и появлении критической температуры необходимо в срочном порядке обратиться в специализированное учреждение. Ведь это может быть предвестником множества заболеваний.

Факторы, влияющие на температуру тела

Меняется из-за влияния различных факторов, как окружающей среды, так и внутренних особенностей организма, например:

Время суток. Температура очень часто меняется из-за изменения времени суток. В связи с этим утром температура тела может быть слегка пониженной (на 0,4-0,7 градусов), но не ниже, чем +35,9°С. А к вечеру температура наоборот может немного повышаться (на 0,2-0,6 градусов), но не выше, чем +37,2°С.

Возраст. У детей температура чаще всего выше, чем 36,6 градусов, а у взрослых людей, которые старше 60-65 лет, обычная температура понижается.

Состояние здоровья. Если в организме человека инфекция, то температура (для борьбы с ней) повышается.

Беременность. У беременных на ранних сроках температура не должна опускаться ниже 36 градусов и подниматься выше 37,5 градусов.

Индивидуальные особенности организма.

Влияние окружающей среды.

Классификация температуры тела

Если проанализировать разные показания термометра, температуру можно подразделить на несколько видов и классификаций.



Виды температуры по одной из классификаций (по уровню гипертермии):

Низкая и пониженная. Значение на термометре ниже 35°С.

Нормальная. Значение на термометре в пределах 35-37°С.

Субфебрильная. Значение на термометре в пределах 37-38°С.

Фебрильная. Значение на термометре в пределах 38-39°С.

Пиретическая. Значение на термометре в пределах 39-41°С.

Гиперпиретическая. Значение на термометре выше 41°С.

Деление температуры в зависимости от длительности:

1. Подострая.

   Хроническая.

Еще одна классификация видов температуры:

Гипотермия - низкая температура тела (менее 35°С).

Нормальная температура. Этот вид температуры тела колеблется между отметкой в 35-37°С и изменяется от многих факторов, о которых шла речь выше.

Гипертермия - повышенная температура тела (выше 37°С).



Температура тела в пределах нормы

Средний показатель температуры тела, как уже было сказано выше, может изменяться под действием разных факторов. Ее можно измерять не только в подмышечных впадинах, но и во рту, в полости уха, прямой кишке. В зависимости от этого данные на термометре могут различаться, значения критических температур будут гораздо выше или ниже норм, представленных здесь.

Во рту показания термометра будут выше на 0,3-0,6°С, чем при измерении в подмышечных впадинах, то есть здесь нормой будет считаться показатель 36,9-37,2°С. В прямой кишке показания термометра будут выше на 0,6-1,2°С, то есть норма - 37,2-37,8°С. В полости уха показания термометра будут такими же, как в прямой кишке, то есть 37,2-37,8°С.

Эти данные нельзя считать точными для каждого человека. По данным многих исследований, такие показатели встречаются у большинства людей - это примерно 90%, но у 10% людей нормальная температура тела отличается от большинства, и показатели могут колебаться в большую или меньшую сторону.

Чтобы узнать то, какая температура является нормой, нужно измерять и записывать показания в течение дня: утром, в обед и вечером. После всех замеров нужно найти среднее арифметическое всех показателей. Для этого нужно утренние, дневные и вечерние показатели сложить и разделить на 3. Полученное число является нормальной средней температурой тела для определенного человека.



Критическая температура тела

Критической может стать как сильно пониженная, так и сильно повышенная. Высокая температура у людей проявляется намного чаще низкой. При снижении температуры до 26-28°С появляется очень большой риск того, что человек впадет в кому, появятся проблемы с дыханием и сердцем, но эти цифры индивидуальны, так как есть множество подтвержденных историй о том, как после сильнейшего переохлаждения до 16-17°С людям удалось выжить. Например, история, в которой говорится о том, что человек провел около пяти часов в огромном сугробе без шанса выбраться и выжить, его температура снизилась до 19 градусов, но его смогли спасти.

Низкая температура тела

Границей пониженной температуры считается температура ниже, чем 36 градусов, либо начиная от 0,5 до 1,5 градусов ниже индивидуальной температуры человека. А границей низкой температуры считается та температура, которая ниже более, чем на 1,5°С от нормальной.

Причин понижения температуры много, например пониженный иммунитет, длительное нахождение на морозе, а исходя из этого переохлаждение тела, болезни щитовидки, стрессы, отравления, хронические заболевания, головокружения и даже банальная усталость.

Если температура тела понизилась до 35°С, то нужно срочно вызывать скорую помощь, т.к. этот показатель в большинстве случаев является критическим и могут возникнуть необратимые последствия!

Какая критическая температура должна насторожить?

Температура, которая начинается с отметки в 37 градусов, считается субфертильной и зачастую свидетельствует о наличии в организме воспалений, инфекций и вирусов. Температуру от 37 до 38 градусов нельзя сбивать с помощью препаратов, т.к. в организме происходит борьба между здоровыми клетками и болезнетворными.

Есть множество симптомов, которые свидетельствуют о повышении температуры, например: слабость, быстрая утомляемость, озноб, боли головы и мышц, потеря аппетита и потливость. На них стоит обращать повышенное внимание, чтобы не допустить повышения температуры до 38,5 градусов.



Критической температурой тела является показатель 42°С, а в большинстве случаев отметка в 40 градусов уже приводит к летальному исходу. Высокая температура приводит к необратимым последствиям в головном мозге, нарушается обмен веществ в тканях мозга.

В таком случае при повышении температуры, выше, чем 38,5 градусов важен постельный режим, прием жаропонижающих и обязательное обращение к врачу или звонок скорой помощи! Чтобы предотвратить летальный исход при очень высокой или низкой температуре не занимайтесь самолечением, а всегда обращайтесь к врачу, который сможет правильно определить причину такой температуры, поставить диагноз и назначить верное и действенное лечение!

Есть такое природное явление, которое ученые называют сверхпроводимостью, а инженеры - «будущим энергетики, медицины, скоростного транспорта и военного дела». Несмотря на то, что первые сверхпроводящие материалы были открыты более ста лет назад, применять их научились сравнительно недавно и лишь в нескольких довольно специфических приборах вроде Большого адронного коллайдера или в магнитно-резонансной томографии. Почему? Потому что мы до сих пор не до конца понимаем, как это явление работает. В новом материале редакция N + 1 постаралась максимально коротко и просто рассказать о нескольких научных версиях возникновения сверхпроводимости, разобравшись с которыми вы поймете, над чем вот уже столетие ломают голову физики всего мира.

Так что же такое сверхпроводимость? Это свойство некоторых веществ обладать строго нулевым сопротивлением ниже определенной температуры - ее называют критической. Второй обязательный критерий, по которому то или иное соединение причисляют к сверхпроводникам, это эффект Мейсснера - способность материалов выталкивать магнитное поле из своего объема при охлаждении, опять же, ниже критической температуры.

Левитация сверхпроводника над магнитом - проявление эффекта Мейснера.

Wikimedia Commons

Явление сверхпроводимости одновременно и уникальное, и совершенно «обыденное». Уникально оно из-за своего широкого спектра существующих и возможных применений: передача электрического тока без потерь энергии на нагрев проводов, изготовление сверхсильных магнитов, различные детекторы, СКВИД-магнитометры, поезда на магнитной подушке и даже ховерборды.

А «обыденное», потому что сверхпроводимость, как оказалось, проявляется у огромного количества соединений - тут и , оксиды металлов и , органические проводники, фуллериды металлов, железосодержащие и халькогениды и многие другие. Поэтому сообщения об обнаружении еще одного нового сверхпроводника уже никого не удивляет, особенно ученых.

Но до сих пор, спустя более чем сто лет с момента открытия сверхпроводимости, всякие попытки ее практического применения упираются в главную проблему - низкую критическую температуру. Из-за этого для работы со сверхпроводящими изделиями приходится строить громоздкие системы охлаждения, использующие жидкий азот или даже дорогостоящий жидкий гелий. Но если бы удалось найти материал с критической температурой порядка комнатной, левитирующие поезда и сверхпроводящая электроника могли бы превратиться из мечтаний футурологов в повседневную реальность.

Физики, которые занимаются исследованием новых сверхпроводников, обычно не ставят целью повысить их критическую температуру. Они говорят о механизмах - причинах, приводящих к тому, что то или иное соединение проявляет сверхпроводящие свойства. Ученые полагают, что именно понимание этих механизмов позволит предсказывать соединения не только с более высокой критической температурой, но также и другими, не менее важными параметрами, такими как критическое магнитное поле, плотность тока и другие.

Основным признанным механизмом возникновения сверхпроводимости считается электрон-фононное взаимодействие, когда между двумя электронами под влиянием колебаний кристаллической решетки возникает притяжение и образуются так называемые куперовские пары. Так проявляется сверхпроводимость согласно нобелевской теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Предлагались и другие механизмы, например, магнонный или экситонный. В первом электронное спаривание происходит за счет магнонов, а не фононов, а во втором за сверхпроводимость отвечают экситоны в состоянии бозе-конденсата.

Но до сих пор между учеными не затихает спор о том, существуют ли другие механизмы, кроме фононного, - дело в том, что в некоторых случаях экспериментальные данные можно интерпретировать разными способами. Поэтому физики, исследующие сверхпроводимость, разбились на два противоборствующих и, кажется, непримиримых лагеря - сторонников классической БКШ, которые пытаются как-то модифицировать теорию под новые данные, и тех, кто считает новые механизмы отражением реальных процессов, происходящих в сверхпроводниках.

Являются ли те или иные механизмы реальными, покажут новые экспериментальные данные. Мы изучили современную научную литературу по этому вопросу и постарались максимально упрощенно рассказать о том, как самые разные и, казалось бы, не связанные между собой процессы, могут привести к сверхпроводимости. Мы также уделили внимание различным эффектам, которые могут влиять на критическую температуру того или иного сверхпроводника.

История первая: фононы

Сверхпроводник: простые элементы, некоторые их сплавы и другие соединения.

Механизм: электрон-фононное взаимодействие (классическая теория БКШ).

Статьи: Theory of Superconductivity // Phys. Rev. 108, 1175 (1957).

Leon N. Cooper, Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas // Phys. Rev. 104, 1189 (1956).

J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, Microscopic Theory of Superconductivity // Phys. Rev. 106, 162 (1957).

Комнатная температура, обычный проводник. Атомы кристаллической решетки (точнее, ионы с положительным зарядом) колеблются - в разных направлениях, с разными частотами. Эти «волны колебаний» физики описывают как квазичастицы- фононы , причем каждый фонон обладает своей собственной частотой и энергией. Электроны проводимости движутся почти хаотично между этими колеблющимися ионами, меняют направления, взаимодействуют с ионами и друг с другом. В результате этих взаимодействий электроны отдают часть своей энергии, рассеивая ее на окружающих атомах - это причина возникновения ненулевого сопротивления в проводниках.

Ниже комнатной, выше критической, обычный проводник. Колебания атомов, вызванные температурой, затухают, но не полностью. Электроны продолжают рассеивать энергию, но им уже гораздо легче двигаться - атомы не «мельтешат» так сильно на их пути. Сопротивление постепенно падает.

Критическая температура, сверхпроводящий переход. Фононов еще меньше - атомы почти не колеблются. Возникает новое «удобное» для электронов состояние - объединяться в пары с суммарным нулевым значением импульса и спина. Объединение происходит за счет взаимодействия с колебаниями ионов в кристаллической решетке, то есть с фононами. Но фононы эти не те, о которых говорилось выше - температурные колебания, а «виртуальные » - вызванные движением электронов. В результате этого взаимодействия электронным парам, которые называют куперовскими , становится невыгодно рассеивать энергию на атомах решетки. В материале все еще остаются «обычные электроны», но ток течет по пути наименьшего сопротивления - оно скачком устремляется к нулю.

Ниже критической температуры, сверхпроводник. Куперовских пар становится все больше. Поскольку у пары целочисленный спин (-1/2+1/2 = 0 или, реже, 1/2+1/2 = 1) - такая «суммарная частица» является бозоном. А для бозонов не действует запрет Паули - они могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии или на одном уровне энергии. Все больше пар «падают» на этот энергетический уровень - образуется бозе-конденсат . В бозе-конденсате частицы ведут себя когерентно (согласованно), и их течение бездиссипативно (без потерь энергии).

Строго говоря, теория Бозе-Эйнштейна имеет дело с идеальными газами, а не с такими сложными взаимодействующими системами, как электроны в сверхпроводниках. Но суть процессов - возможность для частиц «собраться» на одном энергетическом уровне - одинакова. Поэтому мы позволим себе провести такую аналогию.

Как образуются куперовские пары? Электроны, пролетая между положительно заряженными атомами, вызывают их притяжение к себе, как к области отрицательного заряда. Но атомы «неповоротливы», они гораздо тяжелее и движутся медленнее. В результате, после пролетающего электрона создается область положительного заряда. К ней притягивается другой электрон. И так, парами, они движутся по кристаллической решетке между атомами, не рассеивая энергию на столкновения. Физики называют такой процесс взаимодействием электронов с виртуальными фононами кристаллической решетки.

Почему куперовские пары не рассеивают энергию? Чтобы объяснить, почему же не теряют свою энергию электроны, нужно обратиться к понятию электронного спектра - зависимости энергии от волнового вектора. У сверхпроводника, в отличие от нормального металла, в этом спектре есть особая щель - область запрещенных состояний. То есть электрон не может занять состояние с энергией из этой запрещенной области. Щель «открывается» как раз при критической температуре и продолжает «расти» при охлаждении. У сверхпроводников посередине этой щели находится уровень с разрешенной энергией, где и располагаются куперовские пары. Но выше и ниже этого уровня находится «запрещенная зона», а значит, электронные пары словно заперты на этом уровне посередине щели. Они могут терять или поглощать энергию лишь порциями, которые больше величины запрещенной зоны - при малых скоростях движения куперовской пары это практически невозможный процесс. Возникает бездиссипативное (без потери энергии) движение электронов проводимости через кристаллическую решетку - это и есть сверхпроводимость. Дополним, что такая щель - не то же самое, что запрещенная зона у полупроводников и диэлектриков, из-за которой проводимость исчезает вовсе или снижается с температурой. У диэлектриков или полупроводников нет никакого уровня с куперовскими парами в запрещенной зоне, и сама проводимость может возникнуть (не говоря уже о сверхпроводимости), только если электрон сможет приобрести энергию, чтобы «перескочить» через барьер.

На этом этапе стоит сделать небольшое пояснение. Практически никто из ученых не сомневается, что сверхпроводящий ток возникает за счет образования куперовских пар или других бозе-частиц и конденсации их на одном и том же энергетическом уровне. Споры возникают о том, каким именно образом образуются эти бозе-частицы . Теория БКШ предлагает электрон-фононное взаимодействие в качестве подобного механизма. Но почему бы не «использовать» для этого другие квазичастицы? Об этом как раз повествует наша следующая история.

История вторая: магноны

Сверхпроводник: ZrZn 2 и другие.

Механизм: образование триплетных куперовских пар за счет явления ферромагнетизма коллективизированных электронов.

Статья: C. Pfleiderer et. al Coexistence of superconductivity and ferromagnetism in the d-band metal ZrZn 2 / Nature 412, 58-61 (2001).

D. Fay and J. Appel Coexistence of p-state superconductivity and itinerant ferromagnetism / Phys. Rev. B 22, 3173 (1980).

Комнатная температура, парамагнетик-металл. На электрон в твердом теле действуют силы кулоновского отталкивания других электронов, притяжения ионов кристаллической решетки, а также силы обменного взаимодействия между электронами. Последние имеют чисто квантовую природу и обусловлены наличием у электронов спина - собственного момента импульса, принимающего значения ±½. Именно обменные взаимодействия чаще всего становятся причиной магнитного упорядочения в материалах - класса явлений, которые известны как ферро-, ферри- и антиферромагнетизм. Во многих случаях эти явления возникают, когда вещество не является проводником, то есть электроны в нем локализованы , или «прикреплены» к определенному иону. В данной истории речь пойдет о ферромагнетизме коллективизированных электронов, то есть «подвижных» - отвечающих за проводимость.

Температура ферромагнитного упорядочения, ферромагнетик-металл. Обменное взаимодействие электронов в проводнике в некоторых случаях может привести к тому, что спины электронов, хаотично «летающих» туда-сюда в обычном проводнике, вдруг станут «смотреть» в одном и том же направлении. В принципе, похожую ситуацию можно наблюдать в бегущей толпе испуганных людей. Отдельный человек в толпе может бежать в совершенно хаотичном направлении, сталкиваться с другими людьми, стенами и оградами, вызывая эффект, схожий с сопротивлением в обычных металлах. Но при этом, скорее всего, большинство людей будет бежать с помощью ног, а не рук, поэтому их «спины» - направление от ног к голове - будут совпадать. Таким образом, если температура (средняя скорость людей в толпе) достаточно низкая, большинство электронных спинов будет сонаправлено и такой материал будет являться ферромагнитным металлом.

Критическая температура сверхпроводящего перехода, ферромагнетик-сверхпроводник. Несмотря на то, что спины отдельных электронов сонаправлены, они не закреплены жестко в конкретном направлении. Они могут колебаться, переворачиваться и нарушать строгий порядок. Но, отклоняясь от общего направления, конкретный спин побуждает «нарушать спокойствие» и соседние к нему электроны, а они, в свою очередь, стараются вернуть его в исходное состояние. Это происходит из-за того, что в ферромагнетике электронам энергетически выгодно иметь сонаправленные спины, поскольку они связаны между собой энергией обменного взаимодействия. Из-за этого энергетического выигрыша при низких температурах между электронами начинает возникать что-то похожее на притяжение - они объединяются в пары. Но, в отличие от «фононного» сверхпроводника, суммарный спин этой пары равен не нулю, а единице, так как спины сонаправлены. Такое явление называют триплетной сверхпроводимостью. А «нарушители спокойствия», которые могут переворачивать спины и распространять беспорядок на соседние электроны, называются магнонами . Именно магноны помогают электронам объединиться в пары при сверхпроводящем переходе.

История третья: экситоны

Сверхпроводник: искусственные материалы, состоящие из нескольких упорядоченных слоев диэлектриков и полупроводников, каждый слой толщиной практически в один атом.

Механизм: бозе-эйнштейновская конденсация непрямых экситонов.

Статьи : J. P. Eisenstein, A. H. MacDonald Bose-Einstein condensation of excitons in bilayer electron systems / Nature 432, 691-694 (9 December 2004).

M. M. Fogler, L. V. Butov & K. S. Novoselov High-temperature superfluidity with indirect excitons in van der Waals heterostructures / Nature Communications 5, 4555 (2014).

Комнатная температура, сверхпроводимости нет. Исходный материал - искусственное «нагромождение» из одноатомных слоев диэлектриков (материалов, не проводящих ток) и полупроводников (проводящих ток, но хуже, чем истинные проводники). Чтобы в полупроводнике возник ток, электроны должны получить достаточно энергии, чтобы «перескочить» через запрещенную зону . Когда электрон «перескакивает» и становится проводящим, на его месте остается дырка , или, попросту говоря, отсутствие электрона. Электрон + дырка = экситон . Правда, чтобы из электрона и дырки образовался экситон, они должны быть связаны между собой, то есть иметь чуть меньшую энергию, чем суммарная энергия отдельных частиц - только в таком случае они движутся через материал согласованно. Иначе, например, «легкий» электрон может просто «улететь», а «неповоротливая» дырка не сумеет поспеть за ним следом.

Температура выше критической, ниже комнатной, сверхпроводимости нет. Если бы в таком многослойном материале могли существовать только обычные экситоны (которые распространяются внутри слоя полупроводника), можно было бы и не надеяться ни на какую сверхпроводимость. Но слои диэлектрика и полупроводника расположены в нем неслучайным образом. Они представляют собой «бургер», в котором котлета - это непроводящий ток диэлектрик, а два слоя хлеба - полупроводники со свободными электронами, дырками и «несвободными» экситонами. В таком «бургере» могут образовываться непрямые экситоны . Для этого нужно, чтобы электрон из нижнего куска «хлеба» пролетел через «котлету», застрял в верхнем куске, оставшись при этом связанным со своей дыркой из нижнего куска «хлеба». Таким образом, можно создать условия, при которых в одном слое хлеба-полупроводника соберутся преимущественно электроны, а в другом слое - дырки. Тогда слой котлеты-диэлектрика будет мешать электрону вернуться на свое прежнее место, создавая энергетический барьер. То есть, чтобы электрону перескочить обратно, ему нужно затратить на это дополнительную энергию.

Критическая температура бозе-эйнштейновской конденсации, возникновение сверхпроводимости. Экситон имеет нулевой спин, а, значит, он является бозоном. Таким образом, экситоны могут образовывать бозе-конденсат, как и куперовские пары. С другой стороны, заряд куперовской пары равен двум зарядам электрона, а вот заряд экситона - нулевой. Движение нулевых зарядов не может создать ток, откуда же возникает проводимость, да еще с приставкой сверх-? В этом помогут те самые непрямые экситоны. С их помощью заряд экситона разделится на две части, и тогда одному слою полупроводника будут принадлежать отрицательные электроны, а другому - положительные дырки. Теперь можно «припаять» проводящие контакты, например, к верхнему слою хлеба-полупроводника и приложить к ним напряжение - электроны верхнего слоя начнут движение, а вместе с ними в движение придут и дырки из нижнего слоя, создавая токи в противоположных направлениях. Если понизить температуру настолько, что экситоны сконденсируются на одном и том же энергетическом уровне, то они станут двигаться через материал, не теряя энергию. В каждом слое полупроводника будет наблюдаться сверхпроводимость - дырочная или электронная.

Ниже критической температуры, сверхпроводник. У данного способа создания искусственной сверхпроводимости есть свои минусы. Например, электроны все-таки будут возвращаться к дыркам за счет явления туннелирования . При этом экситоны будут «исчезать» (физики называют этот процесс рекомбинацией ), а суммарная проводимость - падать. Кроме того, создание таких экситонов само по себе требует затрат энергии, ведь электрон нужно «перебросить» через барьер, созданный диэлектриком. С понижением температуры создавать новые экситоны становится сложнее, поэтому сможет ли такой искусственный «бургер» из полупроводников и диэлектриков когда-нибудь заменить настоящий сверхпроводник, пока сказать сложно.

Стоит отметить, что помимо искусственного «экситонного сверхпроводника», о котором говорилось в предыдущей истории, существует также такой термин как «экситонный механизм сверхпроводимости», и эти явления - не совсем одно и то же. В вышеописанном примере, по сути, нет куперовских пар. Экситонный же механизм схож с фононным из теории БКШ, только связующим звеном между двумя электронами куперовской пары в нем служат не фононы, а экситоны в состоянии бозе-конденсата. В обоих механизмах такая связь приводит к тому, что отрицательно заряженные электроны словно бы испытывают притяжение друг к другу (хотя по закону Кулона должны отталкиваться). На самом деле, оба электрона притягиваются к области временно возникающего положительного заряда, создаваемого фононами или экситонами. Причем, поскольку экситоны легче «создать», то считается, что такой механизм может объяснить высокие значения критической температуры для некоторых материалов.

История четвертая: флуктуации

Сверхпроводник: селенид железа FeSe и другие.

Механизм: спиновые флуктуации в соединениях, содержащих ионы с ненулевым магнитным моментом, в сочетании в нематическим структурным фазовым переходом.

Статья : Qisi Wang et. al Strong interplay between stripe spin fluctuations, nematicity and superconductivity in FeSe / Nature Materials, 15, 159–163 (2015).

Fa Wang, Steven A. Kivelson & Dung-Hai Lee Nematicity and quantum paramagnetism in FeSe / Nature Physics 11, 959–963 (2015).

Комнатная температура, парамагнетик. Данный механизм возможен, только если в материале присутствуют ионы с ненулевым магнитным моментом - это значит, что суммарный спин (квантовая характеристика - собственный момент импульса) локализованных электронов в ионе не равен нулю. Такие материалы относятся к парамагнетикам . Магнитные моменты могут взаимодействовать друг с другом, упорядочиваться, из-за чего многие материалы проявляют ферро-, антиферромагнитные свойства и другие, более экзотические варианты. При комнатной температуре тепловые колебания ионов решетки мешают упорядочению магнитных моментов, они колеблются почти хаотично - вещество остается парамагнетиком.

Температура ниже комнатной, парамагнетик. При понижении температуры колебания ослабевают, а магнитные взаимодействия, наоборот, начинают усиливаться. Магнитные моменты теперь колеблются более согласованно, стремятся найти «выгодное» положение, но из-за симметрии кристаллической решетки (тетрагональная, то есть прямоугольный параллелепипед с a = b ≠ c) одного-единственного состояния с минимальной энергией нет. Чтобы понизить энергию, магнитные моменты, расположенные в квадратной решетке, начинают выстраиваться в цепи - возникает преимущественное их движение вокруг определенного направления.

Нематический фазовый переход, парамагнетик. Спиновые флуктуации (колебания) теперь вносят значительный вклад по сравнению с колебаниями ионов решетки. «Попытки» спинов выстроиться в цепи в конце концов начинают влиять на кристаллическую решетку, понижая ее симметрию (теперь a ≠ b ≠ c - орторомбическая). Происходит фазовый нематический переход (так называют переход с подобным понижением симметрии кристаллической решетки). Он, в свою очередь, еще больше усиливает анизотропию колебаний спинов, которые в конце концов выстраиваются в цепочки. Но полностью магнитного упорядочения не происходит, поскольку цепочки не могут «закрепиться» в каком-то конкретном положении, так как такое состояние не является устойчивым.

Нематическая фаза, парамагнетик. Спиновые флуктуации - это «младшие братья» магнонов (магнонами называют спиновые флуктуации в упорядоченных магнетиках). Как правило, «попытки спинов» выстроиться в определенном направлении в конечном итоге приводят к магнитному фазовому переходу и вещество становится, например, антиферромагнетиком. Однако в некоторых материалах это оказывается затруднено колебаниями ионов кристаллической решетки. Именно такие материалы и являются кандидатами в сверхпроводники.

Критическая температура сверхпроводящего перехода. При приближении к температуре сверхпроводящего перехода энергия спиновых флуктуаций становится сравнима с колебаниями решетки. Магнитный порядок так и не успевает установиться, но согласованное поведение электронов из-за спиновых флуктуаций ограничивает «список» возможных состояний для электронов. Это приводит к появлению щели в электронном спектре, и магнитный переход «заменяется» сверхпроводящим. Таким образом, спиновые флуктуации вместе с колебаниями кристаллической решетки и изменением ее симметрии приводят в конце концов к другому пути образования куперовских пар.

/ Phys. Rev. Lett. 101, 026406 (2008).

S. V. Borisenko et. al Direct observation of spin-orbit coupling in iron-based superconductors / Nature Physics, 12, 311–317 (2015).

От комнатной температуры до критической. Спин-орбитальное взаимодействие оказывает влияние на электронный спектр, тем самым «вмешиваясь» в проводящие свойства. Это явление - взаимодействие между движущимся электроном и его же собственным спином - проявляется наиболее сильно при высоких скоростях движения электрона (в квантовой физике оперируют понятием импульс), то есть является релятивистским эффектом. Оно влияет на электронные свойства всех соединений, но его вклад тем больше, чем выше порядковый номер атома в таблице Менделеева, поскольку «скорости» движения электронов на более высоких энергетических уровнях гораздо выше. В LiFeAs и других сверхпроводящих арсенидах железа вклад спин-орбитального взаимодействия оказывается достаточным, чтобы заметно влиять на электронную структуру. Представьте, что вы держите в руках пластилиновый шарик. Действие спин-орбитального взаимодействия на электронную структуру тогда можно представить, как будто вы создаете на этом шарике пальцами вмятины и выпуклости, тем самым, искажая его первоначальную форму.

В качестве заключения можно сказать, что в наших рассказах перечислены лишь немногие из возможных процессов, которые в итоге приводят к сверхпроводимости. Все они, в том числе и классический электрон-фононный механизм, могут сочетаться в одном материале, либо какой-то из них будет основным для конкретного вещества. Может быть, все эти многочисленные и сложные механизмы - лишь часть какого-нибудь глобального физического закона, который ученым еще предстоит открыть. Но может оказаться и так, что природа гораздо сложнее и многограннее, чем мы можем себе представить, и никакого единого закона сверхпроводимости попросту не существует.

Екатерина Козлякова