टूमेन स्टेट यूनिवर्सिटी

आणविक भौतिकी विभाग

गंभीर तापमान का निर्धारण

I. संक्षिप्त सिद्धांत

§ 1. वास्तविक गैसें।

क्लैपेरॉन - मेंडेलीव की अवस्था का समीकरण प्रयोगों से ज्ञात गैसों के गुणों का अच्छी तरह से वर्णन करता है। हालांकि, यह अनुमानित है और केवल पर्याप्त रूप से कम दबाव पर ही मान्य है। इसके अलावा, अनुभव से पता चलता है कि कुछ दबावों और तापमानों पर, गैसें घनीभूत होती हैं, अर्थात। तरल अवस्था में आना। क्लैपेरॉन-मेंडेलीव समीकरण इस घटना का वर्णन नहीं करता है। इस मामले में एक वास्तविक गैस के लिए इज़ोटेर्म का एक विशिष्ट रूप है (चित्र। 1)।

आइए इस अनुसूची के अनुरूप प्रक्रिया पर विचार करें, जिसे ABCD की दिशा में किया गया है। एबी इज़ोटेर्म का हिस्सा संक्षेपण शुरू होने से पहले गैस संपीड़न की प्रक्रिया का वर्णन करता है। यह क्लैपेरॉन-मेंडेलीव समीकरण (एक बिंदीदार रेखा के रूप में दिखाया गया) के अनुसार गणना की गई इज़ोटेर्म के साथ काफी अच्छी तरह से मेल खा सकता है। हालांकि, एक निश्चित दबाव पर एक वास्तविक पदार्थ के साथ की जाने वाली प्रक्रिया में, संक्षेपण शुरू हो जाएगा (ग्राफ पर बिंदु बी)। इस दबाव को संतृप्ति वाष्प दबाव या केवल संतृप्ति दबाव कहा जाता है।

बीसी ग्राफ का एक भाग पदार्थ की दो-चरणीय अवस्था का वर्णन करता है। जैसे-जैसे आयतन घटता जाता है, पदार्थ का बढ़ता हुआ अनुपात वाष्प अवस्था से तरल अवस्था में जाता है। बिंदु C उस अवस्था को दर्शाता है जब सारा पदार्थ द्रव में बदल गया हो। अंत में, सीडी तरल संपीड़न की प्रक्रिया का वर्णन करती है, ग्राफ ऊर्ध्वाधर अक्ष के लगभग समानांतर चलता है, एक प्रसिद्ध तथ्य को दर्शाता है: तरल पदार्थ में गैसों की तुलना में बहुत कम संपीड्यता होती है।

यदि हम अलग-अलग तापमान पर समान मात्रा में पदार्थ के साथ समान समतापी प्रक्रियाएं करते हैं, तो हमें चित्र 2 में दिखाया गया समतापी तंत्र प्राप्त होगा।

उच्च तापमान के अनुरूप वक्र निर्देशांक की उत्पत्ति से दूर स्थित होते हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, दो-चरण की स्थिति का वर्णन करने वाले समताप मंडल के क्षैतिज भाग कम हो जाते हैं और एक निश्चित तापमान पर, एक बिंदु में पतित हो जाते हैं। इस तापमान को क्रिटिकल कहा जाता है।

महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर के तापमान पर, दो चरण की अवस्था में पदार्थ प्राप्त करना असंभव है।

§ 2. वैन डेर वाल्स समीकरण। वैन डेर वाल्स इज़ोटेर्मस।

उच्च घनत्व पर एक आदर्श गैस के लिए राज्य का समीकरण प्रयोग के साथ एक अच्छा समझौता नहीं दे सकता है, क्योंकि जब यह लिखा गया था कि अणुओं का कोई आयाम नहीं है और एक दूसरे के साथ बातचीत नहीं करते हैं। राज्य का एक समीकरण प्राप्त करने के लिए जो वास्तविक गैसों के गुणों का संतोषजनक वर्णन करता है, अणुओं के आकार या एक दूसरे से छोटी दूरी पर स्थित अणुओं के बीच उत्पन्न होने वाली प्रतिकारक शक्तियों को ध्यान में रखना आवश्यक है। इसके अलावा, अणुओं के बीच आकर्षण बलों को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए।

क्लैपेरॉन - मेंडेलीव की स्थिति के समीकरण को आधार के रूप में लेना और इसमें उचित संशोधन करना संभव है। हम एक किलोमोल गैस के लिए क्लैपेरॉन-मेंडेलीव समीकरण में आयतन में सुधार करके प्रतिकारक बलों या अणुओं के आकार को ध्यान में रखेंगे।

(1)

(2)

दूसरे व्यंजक से यह देखा जा सकता है कि दाब अनंत की ओर प्रवृत्त होता है, अर्थात्। आप पदार्थ को शून्य के बराबर आयतन में संपीड़ित नहीं कर सकते।

अणुओं के बीच अपेक्षाकृत बड़ी दूरी पर, आकर्षक बल एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। समीकरण (2) में दबाव के लिए उचित सुधार शुरू करके उन्हें ध्यान में रखा जा सकता है:

(3)

यह सुधार एक नकारात्मक संकेत के साथ लिया जाना चाहिए, यह मानते हुए कि अणुओं के आकर्षण से किसी दिए गए गैस वाले बर्तन की दीवारों पर दबाव में कमी आती है। समीकरण (3) को निम्नानुसार रूपांतरित किया जा सकता है:

(4)

यह वास्तविक गैसों के लिए राज्य का समीकरण है, जो पहले वैन डेर वाल्स द्वारा प्राप्त किया गया था। आप इसे मनमाना मात्रा में पदार्थ के लिए लिख सकते हैं:

(5)

सापेक्ष आणविक भार कहाँ है।

समीकरण (4) को मात्रा में एक शक्ति श्रृंखला के रूप में दर्शाया जा सकता है:

(6)

स्थिर दबाव और तापमान पर, यह आयतन के संबंध में तीसरी डिग्री का समीकरण होगा और इसके तीन मूल होने चाहिए। सबसे दिलचस्प परिणाम वैन डेर वाल्स इज़ोटेर्म का विश्लेषण करके प्राप्त किए जाते हैं, जिनमें से एक चित्र 3 में दिखाया गया है।

एक निश्चित तापमान पर, प्रत्येक दबाव मान समीकरण (6) की तीन जड़ों के अनुरूप होगा। दबाव तीन वास्तविक जड़ों से मेल खाता है। एक वास्तविक जड़ और दो जटिल संयुग्म जड़ों के दबाव और अनुरूप, जिनका कोई भौतिक अर्थ नहीं है और आगे उन पर विचार नहीं किया जाएगा।

वैन डेर वाल्स इज़ोटेर्म और प्रायोगिक इज़ोटेर्म की तुलना करना दिलचस्प है। चित्र 3 में, प्रायोगिक समताप रेखा के क्षैतिज खंड को सीधी रेखा BF द्वारा दिखाया गया है। भाग एबी पदार्थ की गैसीय अवस्था का वर्णन करता है और प्रयोगात्मक समतापी के साथ संतोषजनक रूप से मेल खाता है। भाग FG एक तरल पदार्थ के इज़ोटेर्मल संपीड़न का वर्णन करता है। इस प्रकार, वैन डेर वाल्स समीकरण एक इज़ोटेर्मल प्रक्रिया के दौरान गैसीय और तरल अवस्था में पदार्थ के व्यवहार का अपेक्षाकृत अच्छी तरह से वर्णन करता है।

खंड BF . में महत्वपूर्ण रूप से भिन्न समताप रेखाएँ . हालाँकि, शाखाओं BC और EF का एक निश्चित भौतिक अर्थ है। बीसी क्षेत्र द्वारा दर्शाए गए पदार्थ की अवस्थाओं को प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त किया जा सकता है। यह सुपरसैचुरेटेड या सुपरकूल्ड स्टीम है। खंड EF के अनुरूप पदार्थ की अवस्थाओं को भी प्रयोगात्मक रूप से देखा जाता है। ऐसी अवस्थाओं में द्रव को अतितापित कहते हैं। इन अवस्थाओं को मेटास्टेबल कहा जाता है। वैन डेर वाल्स इज़ोटेर्म सीडीई का हिस्सा प्रयोगों में कभी नहीं देखा गया है। यह पदार्थ की अस्थिर अवस्था का वर्णन करता है।

§ 3. गंभीर तापमान। गंभीर स्थिति।

आइए वैन डेर वाल्स इज़ोटेर्म्स के एक परिवार का निर्माण करें (चित्र 4)। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, वक्र निर्देशांक की उत्पत्ति से दूर स्थित होंगे और उनका चरित्र बदल जाएगा। मैक्सिमा और मिनिमा दोनों एब्सिस्सा अक्ष के साथ और कोर्डिनेट अक्ष के साथ अभिसरण करेंगे, और एक निश्चित तापमान पर वे एक बिंदु, विभक्ति बिंदु में विलीन हो जाएंगे। इस तापमान और इस बिंदु के अनुरूप दबाव पर, तीन वास्तविक जड़ें कई हो जाती हैं। तरल और वाष्प के बीच का अंतर और उनके बीच का अंतर गायब हो जाता है। ऐसी स्थिति को क्रांतिक कहा जाता है, और तापमान को क्रांतिक तापमान कहा जाता है। यह तापमान प्रत्येक पदार्थ का एक विशिष्ट गुण है।

वैन डेर वाल्स समीकरण का उपयोग करते हुए, व्यक्ति महत्वपूर्ण मापदंडों को व्यक्तिगत पदार्थ स्थिरांक और साथ ही साथ सार्वभौमिक गैस स्थिरांक के संदर्भ में व्यक्त कर सकता है।

महत्वपूर्ण मापदंडों को खोजने का एक तरीका इस तथ्य पर आधारित है कि महत्वपूर्ण स्थिति के लिए लिखे गए वैन डेर वाल्स समीकरण की जड़ें गुणक हैं, अर्थात, समीकरण को निम्नानुसार दर्शाया जा सकता है:

आइए समीकरण (6) से तुलना करें

यह समानता समान रूप से पूरी होगी यदि गुणांक, समान शक्तियों पर, एक दूसरे के बराबर हों:

,

, (8)

.

समीकरणों की प्रणाली (8) को हल करते हुए, हम महत्वपूर्ण मापदंडों के लिए व्यंजक प्राप्त करते हैं:

, , . (9)

वही परिणाम दूसरे तरीके से प्राप्त किए जा सकते हैं। जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, महत्वपूर्ण स्थिति का प्रतिनिधित्व करने वाला बिंदु निर्देशांक में इज़ोटेर्मल प्रक्रिया के ग्राफ पर विभक्ति बिंदु है। हम समीकरण (3) का उपयोग करते हैं, जो दबाव को एक निश्चित तापमान पर आयतन के फलन के रूप में परिभाषित करता है। गणितीय विश्लेषण के दौरान, यह ज्ञात है कि विभक्ति बिंदु पर पहले और दूसरे डेरिवेटिव शून्य के बराबर हैं:

(10)

(11)

समीकरणों की प्रणाली (3), (10), (11) को , के संबंध में हल करने पर, हम उनके लिए समान संबंध (9) प्राप्त करते हैं।

प्रयोगात्मक रूप से महत्वपूर्ण मापदंडों को निर्धारित करने के बाद, कोई भी पदार्थ के अलग-अलग स्थिरांक पा सकता है।

, . (12)

इस प्रकार, वैन डेर वाल्स समीकरण तरल पदार्थ और गैसों के गुणों का वर्णन करता है और एक महत्वपूर्ण स्थिति के अस्तित्व की भविष्यवाणी करता है। हालांकि, यह क्लैपेरॉन-मेंडेलीव समीकरण से कम सार्वभौमिक है, क्योंकि इसमें पदार्थ के दो अलग-अलग स्थिरांक शामिल हैं।

द्वितीय. स्थापना का विवरण।

महत्वपूर्ण मापदंडों का ज्ञान काफी वैज्ञानिक और व्यावहारिक रुचि का है। महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर, कोई पदार्थ केवल गैसीय अवस्था में ही मौजूद हो सकता है। महत्वपूर्ण तापमान पर वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा और पृष्ठ तनाव का गुणांक गायब हो जाता है।

प्रायोगिक डेटा (जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है) के आधार पर इज़ोटेर्म्स की एक प्रणाली का निर्माण करके, एक महत्वपूर्ण तापमान और दो अन्य मापदंडों को निर्धारित कर सकता है। इस पद्धति को सबसे पहले एंड्रयूज ने कार्बन डाइऑक्साइड के महत्वपूर्ण मापदंडों के निर्धारण में लागू किया था। केवल महत्वपूर्ण तापमान का निर्धारण करते समय, मेनिस्कस के गायब होने की कम बोझिल विधि का उपयोग किया जा सकता है। परीक्षण पदार्थ को एक सीलबंद गिलास ampoule में रखा जाता है और गरम किया जाता है। यदि शीशी में तरल की मात्रा इस तरह से चुनी जाती है कि हीटिंग प्रक्रिया के दौरान मेनिस्कस व्यावहारिक रूप से बना रहता है, तो एक निश्चित क्षण में पदार्थ एक महत्वपूर्ण स्थिति में पहुंच जाएगा (मेनिस्कस गायब हो जाएगा)। ठंडा होने पर, यह फिर से प्रकट होगा और पदार्थ दो चरणों में अलग हो जाएगा। जिस तापमान पर मेनिस्कस दिखाई देता है और गायब हो जाता है वह महत्वपूर्ण तापमान होगा।

स्थापना में महत्वपूर्ण तापमान का निर्धारण किया जाता है, जिसकी योजना चित्र 5 में दिखाई गई है।

इल्लुमिनेटर 1 और थर्मोस्टेट 2 को एक सामान्य स्टैंड पर रखा गया है, जिसमें अध्ययन के तहत पदार्थ के साथ एक विशेष माइक्रोप्रेस 3 रखा गया है। इल्लुमिनेटर हाउसिंग के निचले हिस्से में दो टॉगल स्विच होते हैं: एक इल्लुमिनेटर को चालू करता है, दूसरा हीटर 4 थर्मोस्टैट्स को चालू करता है। थर्मोस्टेट तापमान श्रृंखला में जुड़े दो क्रोमेल-कोपेल थर्मोकपल द्वारा नियंत्रित किया जाता है। थर्मोकपल 5 के वर्किंग जंक्शनों को माइक्रोप्रेस के करीब रखा गया है। थर्मो ईएमएफ एक डिजिटल वाल्टमीटर के साथ मापा जाता है 6.

एक माइक्रोप्रेस का उपकरण, जो संरचनात्मक रूप से काम करने वाले कक्ष और एक लघु प्रेस को जोड़ता है, चित्र 6 में दिखाया गया है। माइक्रोप्रेस की कार्यशील मात्रा एक पतली ग्लास ट्यूब 1 का आयतन है, जिसे प्रेस बॉडी 2 में रखा जाता है। दोनों सिरों पर, ग्लास ट्यूब को फ़्लोरोप्लास्टिक सील के साथ स्क्रू 3 और 4 के साथ भली भांति बंद करके सील कर दिया जाता है। स्क्रू के अंदर 4, पिस्टन 6 धागे के साथ आगे बढ़ सकता है और इस प्रकार कार्यशील मात्रा को बदल सकता है। पदार्थ की स्थिति में परिवर्तन का दृश्य अवलोकन प्रेस हाउसिंग और थर्मोस्टेट हाउसिंग में स्लॉट देखने के माध्यम से किया जाता है।

III. माप। माप परिणाम प्रसंस्करण।

प्रयोगशाला कार्य करने की प्रक्रिया में, थर्मोकपल को कैलिब्रेट करना और अंशांकन वक्र बनाना आवश्यक है। ऐसा करने के लिए, पहले वाल्टमीटर चालू करें, और फिर, 20-30 मिनट के बाद, थर्मोस्टैट हीटर चालू करें। एक माइक्रोप्रेस के बजाय, थर्मोस्टेट में 0°C से 350°C तक की माप सीमा वाला एक पारा थर्मामीटर रखा जाता है। तापमान बढ़ाने की प्रक्रिया में, वोल्टमीटर और थर्मामीटर के रीडिंग को के माध्यम से रिकॉर्ड करना आवश्यक है डीटी = 20 डिग्री सेल्सियस. फिर आपको थर्मोस्टैट के हीटिंग को चालू करने और शीतलन के दौरान संबंधित रीडिंग रिकॉर्ड करने की आवश्यकता है। अंशांकन के अंतिम परिणामों को एक ग्राफ के रूप में प्रस्तुत करें: वोल्टमीटर रीडिंग मिलिवोल्ट में लंबवत रूप से प्लॉट किए जाते हैं यू , क्षैतिज रूप से ओवन के तापमान और कमरे के तापमान के बीच का अंतर। तापमान के अंतर को ठीक से लेना आवश्यक है, क्योंकि थर्मोकपल के "ठंडे" जंक्शन कमरे के तापमान पर होते हैं।

स्नातक स्तर की पढ़ाई के बाद, एक सिरिंज का उपयोग करके स्क्रू 3 की तरफ से परीक्षण पदार्थ के साथ माइक्रोप्रेस भरें। इस मामले में, पिस्टन को कांच की ट्यूब में उपयुक्त निशान तक डाला जाना चाहिए, लंबाई का लगभग 3/4। अगला, प्रेस को स्क्रू 3 के साथ सील के साथ बंद करना आवश्यक है ताकि कोई हवा का बुलबुला ग्लास ट्यूब में न जाए। स्क्रू 3 और 4 को मजबूती से कसना चाहिए। उसके बाद, पिस्टन को ग्लास ट्यूब से इस तरह से हटाया जा सकता है कि परिणामी गैसीय चरण तरल चरण के समान मात्रा में हो। फिर प्रेस को थर्मोस्टैट में रखा जाता है ताकि थर्मोस्टेट के बाहर पिस्टन का हैंडल ऊपर की तरफ हो और हीटिंग चालू हो।

हीटिंग की प्रक्रिया में, मेनिस्कस की स्थिति की निगरानी करना आवश्यक है, पिस्टन को एक दिशा या किसी अन्य दिशा में ले जाना, इसे दृष्टि से बाहर न जाने देना। एक निश्चित तापमान पर, मेनिस्कस गायब हो जाना चाहिए। यह महत्वपूर्ण तापमान है। एक महत्वपूर्ण अवस्था में एक पदार्थ प्रकाश को तीव्रता से बिखेरता है और बादल सफेद, अपारदर्शी हो जाता है। इस सेटिंग में, माइक्रोप्रेस के हिस्से थर्मोस्टैट से आगे निकल जाते हैं, उनके माध्यम से गहन गर्मी निष्कासन होता है। इसलिए, ग्लास ट्यूब में तापमान एक समान नहीं होता है, और एक महत्वपूर्ण स्थिति केवल ट्यूब के निचले हिस्से में प्राप्त की जा सकती है। प्रयोग में यही देखा गया है। ट्यूब के ऊपरी हिस्से में, इस मामले में, दो चरणों के बीच का अंतरफलक देखा जा सकता है।

ऑपरेशन के दौरान, उस तापमान को मापना आवश्यक है जिस पर कांच की नली के निचले हिस्से में पदार्थ द्वारा प्रकाश का तीव्र प्रकीर्णन शुरू होता है। फिर हीटरों को बंद कर देना चाहिए और जिस तापमान पर यह प्रकीर्णन गायब हो जाता है उसे मापा जाना चाहिए। इस तरह के माप कई बार किए जाते हैं और औसत मान को महत्वपूर्ण तापमान के रूप में लिया जाता है।

तालिका नंबर एक।

महत्वपूर्ण तापमान को मापने के परिणामों के अनुसार। और महत्वपूर्ण दबाव के लिए तालिका 1 में डेटा का उपयोग करके, वैन डेर वाल्स स्थिरांक और परीक्षण पदार्थ के लिए गणना करें।

नियंत्रण प्रश्न

1) अचर क्यों हैं और वैन डेर वाल्स समीकरण में पेश किए गए हैं?

2) वास्तविक समतापी निकाय और वैन डेर वाल्स समतापी निकाय की तुलना करें।

3) तापमान के साथ संतृप्ति दबाव कैसे बदलता है?

4) क्रांतिक प्राचलों के सूत्र व्युत्पन्न करने की दो विधियों के बारे में बताइए।

5) घटा हुआ वैन डेर वाल्स समीकरण लिखिए।

6)
संबंधित राज्यों के कानून तैयार करें।

साहित्य।

1)ए.के.किकोइन, आई.के.किकोइन। आणविक भौतिकी। एड. "साइंस", 1976, पीपी. 208-237।

2) डी.वी. सिवुखिन। भौतिकी का सामान्य पाठ्यक्रम। टी.पी., एड. "साइंस", 1976, पीपी. 371-399।

यदि एक बंद बर्तन में एक निश्चित मात्रा में तरल रखा जाता है, तो तरल का कुछ हिस्सा वाष्पित हो जाएगा और तरल के ऊपर संतृप्त वाष्प होगा। दबाव, और इसलिए इस वाष्प का घनत्व तापमान पर निर्भर करता है। वाष्प का घनत्व आमतौर पर समान तापमान पर तरल के घनत्व से बहुत कम होता है। यदि तापमान बढ़ाया जाता है, तो तरल का घनत्व कम हो जाएगा (§198), जबकि संतृप्त वाष्प का दबाव और घनत्व बढ़ जाएगा। तालिका में। 22 विभिन्न तापमानों के लिए पानी के घनत्व और संतृप्त जल वाष्प के मूल्यों को दर्शाता है (और, परिणामस्वरूप, संबंधित दबावों के लिए)। अंजीर पर। 497 समान आँकड़ों को आलेख के रूप में प्रस्तुत किया जाता है। ग्राफ का ऊपरी भाग किसी द्रव के तापमान के आधार पर उसके घनत्व में परिवर्तन को दर्शाता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, तरल का घनत्व कम होता जाता है। ग्राफ का निचला भाग तापमान पर संतृप्त वाष्प घनत्व की निर्भरता को दर्शाता है। वाष्प का घनत्व बढ़ जाता है। बिंदु के अनुरूप तापमान पर, तरल और संतृप्त वाष्प के घनत्व समान होते हैं।

चावल। 497. तापमान पर पानी के घनत्व और उसके संतृप्त वाष्प की निर्भरता

तालिका 22. विभिन्न तापमानों पर पानी और उसकी संतृप्त भाप के गुण

तापमान,	संतृप्त भाप दबाव,	पानी का घनत्व,	संतृप्त भाप का घनत्व,	वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा,

तालिका से पता चलता है कि तापमान जितना अधिक होगा, तरल के घनत्व और उसके संतृप्त वाष्प के घनत्व के बीच का अंतर उतना ही कम होगा। एक निश्चित तापमान पर (पानी के लिए) ये घनत्व मेल खाते हैं। वह तापमान जिस पर किसी द्रव के घनत्व और उसके संतृप्त वाष्प का संयोग होता है, किसी दिए गए पदार्थ का क्रांतिक तापमान कहलाता है। अंजीर पर। 497 डॉट से मेल खाती है। बिंदु के अनुरूप दबाव को क्रांतिक दबाव कहा जाता है। विभिन्न पदार्थों के क्रांतिक तापमान आपस में बहुत भिन्न होते हैं। उनमें से कुछ तालिका में दिए गए हैं। 23.

तालिका 23. कुछ पदार्थों का क्रांतिक तापमान और क्रांतिक दबाव

पदार्थ	क्रांतिक तापमान,	गंभीर दबाव, एटीएम	पदार्थ	क्रांतिक तापमान,	गंभीर दबाव, एटीएम
			कार्बन डाईऑक्साइड
			ऑक्सीजन
इथेनॉल

एक महत्वपूर्ण तापमान का अस्तित्व क्या दर्शाता है? इससे भी अधिक तापमान पर क्या होता है?

अनुभव से पता चलता है कि महत्वपूर्ण से अधिक तापमान पर, कोई पदार्थ केवल गैसीय अवस्था में ही मौजूद हो सकता है। यदि हम महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर के तापमान पर वाष्प के कब्जे वाले आयतन को कम करते हैं, तो वाष्प का दबाव बढ़ जाता है, लेकिन यह संतृप्त नहीं होता है और सजातीय बना रहता है: चाहे कितना भी बड़ा दबाव क्यों न हो, हम दो राज्यों को अलग नहीं पाएंगे एक तेज सीमा, जैसा कि हमेशा देखा जाता है भाप संघनन के कारण कम तापमान पर। इसलिए, यदि किसी पदार्थ का तापमान क्रांतिक से अधिक है, तो द्रव के रूप में पदार्थ का संतुलन और उसके संपर्क में वाष्प किसी भी दबाव में असंभव है।

अंजीर में दिखाए गए उपकरण का उपयोग करके पदार्थ की महत्वपूर्ण स्थिति को देखा जा सकता है। 498. इसमें खिड़कियों के साथ एक लोहे का डिब्बा होता है, जिसे ऊपर ("वायु स्नान") गर्म किया जा सकता है, और स्नान के अंदर ईथर के साथ एक गिलास ampoule होता है। जब स्नान को गर्म किया जाता है, तो शीशी में मेनिस्कस ऊपर उठता है, चापलूसी करता है, और अंत में गायब हो जाता है, जो एक महत्वपूर्ण स्थिति के माध्यम से संक्रमण को इंगित करता है। जब स्नान को ठंडा किया जाता है, तो ईथर की कई छोटी-छोटी बूंदों के बनने के कारण ऐम्पूल अचानक बादल बन जाता है, जिसके बाद ईथर ampoule के निचले हिस्से में इकट्ठा हो जाता है।

चावल। 498. ईथर की महत्वपूर्ण स्थिति की निगरानी के लिए उपकरण

जैसा कि तालिका से देखा जा सकता है। 22, जैसे-जैसे महत्वपूर्ण बिंदु निकट आता है, वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा छोटी और छोटी होती जाती है। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, तरल और वाष्प अवस्था में किसी पदार्थ की आंतरिक ऊर्जाओं के बीच का अंतर कम हो जाता है। वास्तव में, अणुओं की संयोजक शक्ति अणुओं के बीच की दूरी पर निर्भर करती है। यदि तरल और वाष्प के घनत्व में थोड़ा अंतर होता है, तो अणुओं के बीच की औसत दूरी भी बहुत कम होती है। नतीजतन, इस मामले में, अणुओं की बातचीत की संभावित ऊर्जा के मूल्यों में भी थोड़ा अंतर होगा। वाष्पीकरण की गर्मी में दूसरा शब्द - बाहरी दबाव के खिलाफ काम - भी कम हो जाता है क्योंकि महत्वपूर्ण तापमान करीब आ जाता है। यह इस तथ्य से अनुसरण करता है कि वाष्प और तरल के घनत्व में अंतर जितना छोटा होता है, वाष्पीकरण के दौरान होने वाला विस्तार उतना ही छोटा होता है, और इसलिए, वाष्पीकरण के दौरान कम काम होता है।

एक महत्वपूर्ण तापमान का अस्तित्व पहली बार 1860 में बताया गया था। दिमित्री इवानोविच मेंडेलीव (1834-1907), रूसी रसायनज्ञ जिन्होंने आधुनिक रसायन विज्ञान के मूल नियम की खोज की - रासायनिक तत्वों का आवधिक नियम। महत्वपूर्ण तापमान के अध्ययन में महान योग्यता अंग्रेजी रसायनज्ञ थॉमस एंड्रयूज की है, जिन्होंने एक इज़ोटेर्मल परिवर्तन के दौरान कार्बन डाइऑक्साइड के व्यवहार का विस्तृत अध्ययन किया है। एंड्रयूज ने दिखाया कि एक बंद बर्तन में कम तापमान पर, तरल और गैसीय अवस्थाओं में कार्बन डाइऑक्साइड का सह-अस्तित्व संभव है; इस तरह के सह-अस्तित्व से ऊपर के तापमान पर असंभव है, और पूरा बर्तन केवल गैस से भर जाता है, चाहे उसका आयतन कितना भी कम हो जाए।

क्रांतिक तापमान की खोज के बाद, यह स्पष्ट हो गया कि लंबे समय तक ऑक्सीजन या हाइड्रोजन जैसी गैसों को तरल में बदलना क्यों संभव नहीं था। उनका क्रांतिक तापमान बहुत कम होता है (सारणी 23)। इन गैसों को एक तरल में बदलने के लिए, उन्हें एक महत्वपूर्ण तापमान से नीचे ठंडा किया जाना चाहिए। इसके बिना, उन्हें द्रवीभूत करने के सभी प्रयास विफल हो जाते हैं।

टॉराइड नेशनल यूनिवर्सिटी। में और। वर्नाडस्की

प्रायोगिक भौतिकी विभाग

प्रयोगशाला कार्य № 6

क्रिटिकल की परिभाषा

पदार्थ का तापमान

सिम्फ़रोपोल 2002

महत्वपूर्ण की परिभाषा

पदार्थ का तापमान

उपकरण : ईथर ampoule, Avenarius डिवाइस, ऑटोट्रांसफॉर्मर, थर्मोकपल, गैल्वेनोमीटर, कैलिब्रेशन ग्राफ।

कार्यों का सैद्धांतिक हिस्सा

तथा
एक आदर्श गैस गैर-अंतःक्रियात्मक सामग्री बिंदुओं का एक समूह है। ऐसी आदर्श प्रणाली की स्थिति का वर्णन मेंडेलीव-क्लैपेरॉन समीकरण द्वारा किया गया है। वास्तविक गैसों में, हालांकि, विद्युत प्रकृति के अंतर-आणविक बल कार्य करते हैं। जब दो अणुओं के बीच की दूरी कम होती है, तो उनके बीच प्रतिकर्षण बल कार्य करते हैं। ये बल गैस के अणुओं के "आकार" को निर्धारित करते हैं, अर्थात वह दूरी जिस पर अणु एक दूसरे को दृढ़ता से पीछे हटाते हैं। जैसे-जैसे दो अणुओं के बीच की दूरी बढ़ती है, प्रतिकर्षण कम होता जाता है और फिर एक आकर्षक बल में बदलकर अपना चिन्ह बदल देता है। जैसे-जैसे अणु आगे बढ़ते हैं, आकर्षक बल शून्य हो जाते हैं। अणुओं के बीच परस्पर क्रिया इस तथ्य की ओर ले जाती है कि उचित तापमान और दबाव पर वास्तविक गैसें तरल अवस्था में चली जाती हैं।

पर चावल। एकएक स्थिर तापमान T=const (T 1 .) पर एक वास्तविक गैस को संपीड़ित करके प्राप्त प्रायोगिक समताप ईवीसमताप मंडल पर टी 1 , तो गैस का दबाव नहीं बढ़ता है। बिंदु पर वीगैस बन जाती है संतृप्त भाप , इसके आगे संकुचन (अनुभाग वा) दबाव में वृद्धि नहीं करता है, लेकिन संतृप्त वाष्प को तरल में परिवर्तित करता है। इस प्रकार, बिंदुओं के बीच के खंड पर स्थित समताप रेखा के बिंदु एतथा वी, एक दो-चरण प्रणाली के अनुरूप है जिसमें एक तरल और उसके संतृप्त वाष्प शामिल हैं, जो संतुलन में हैं। बिंदु पर एसभी भाप द्रवीभूत हो जाती है, सिस्टम एकल-चरण बन जाता है। तरलीकृत गैस का आगे संपीडन, खंड ए एफदबाव में तेज वृद्धि के साथ इज़ोटेर्मस।

कुछ शर्तों के तहत (अशुद्धियों के बिना गैस, धीमी गति से संपीड़न), राज्य प्राप्त करना संभव है सी-डी, बुलाया अतिसंतृप्त भाप . तरलीकृत गैस के विस्तार के लिए समान परिस्थितियों में, एक राज्य प्राप्त करना संभव है एसी, बुलाया अत्यधिक गरम तरल . सुपरसैचुरेटेड वाष्प और सुपरहीटेड तरल की अवस्थाएँ अल्पकालिक (मेटास्टेबल) होती हैं। इनमें से, सिस्टम जल्दी से साइट पर लौट आता है एसी.

जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, संतृप्त वाष्प के संघनन के अनुरूप समताप रेखा का क्षैतिज खंड भी एक निश्चित तापमान पर घट जाता है। टी कृ(अंजीर में टी 3। 1) संक्रमण क्षेत्र को एक बिंदु में संकुचित किया जाता है प्रति. बिंदु पर गैस की स्थिति प्रतिबुलाया पदार्थ की गंभीर अवस्था , और तापमान, दबाव और आयतन के संगत मूल्यों को महत्वपूर्ण कहा जाता है। महत्वपूर्ण बिंदु पर पहुंचने पर, तरल और उसके संतृप्त वाष्प के बीच का अंतर गायब हो जाता है।

यदि T>T cr, तो गैस का कोई भी संपीड़न इसे तरल अवस्था में परिवर्तित नहीं करता है।

पदार्थ की महत्वपूर्ण स्थिति की निगरानी और महत्वपूर्ण तापमान को मापने के लिए उपकरण का विवरण।

इस कार्य में, एक पदार्थ (एथिल ईथर) का महत्वपूर्ण तापमान एक दृश्यमान तरल-वाष्प सीमा के गायब होने और प्रकट होने से निर्धारित होता है। ईथर सील ampoule 2 हीटर के अंदर रखा गया 1 , हीटर के लिए करंट एक ऑटोट्रांसफॉर्मर के माध्यम से नेटवर्क से आपूर्ति की जाती है। हीटर के अंदर का तापमान थर्मोकपल द्वारा मापा जाता है 3 . हीटर की आगे और पीछे की दीवारों में चमकती हुई खिड़कियां हैं: सामने वाला अवलोकन के लिए है, पीछे वाला प्रकाश व्यवस्था के लिए है। हीटर एस्बेस्टस इन्सुलेशन के साथ एक मोटी दीवार वाली आवरण के अंदर स्थित है। थर्मो ईएमएफ एक मिलीवोल्टमीटर द्वारा तय किया जाता है 4 . अंशांकन तालिका 5 थर्मो ईएमएफ को तापमान में बदलने का काम करता है।

काम पूरा करना

जांचें कि स्थापना के सभी भाग मौजूद हैं। हीटर से Ampoule बाहर मत निकालो! बैकलाइट चालू करें। थर्मोकपल को गैल्वेनोमीटर से कनेक्ट करें, हीटर में करंट लगाएं।

प्रयोग शुरू होने के बाद, इसे कवर को खोलने और अंदर कोई सुधार करने की अनुमति नहीं है।

जैसे ही यह गर्म होता है, थर्मोकपल सर्किट से जुड़े गैल्वेनोमीटर की रीडिंग का निरीक्षण करें, और हीटर के अंदर के तापमान का न्याय करने के लिए अंशांकन वक्र का उपयोग करें। 160˚С से शुरू होकर, शीशी में मेनिस्कस की उपस्थिति की निगरानी करें।

उस तापमान का निर्धारण करें जिस पर मेनिस्कस गायब हो जाता है। टी 1 . ऑटोट्रांसफॉर्मर को बंद कर दें। ampoule में होने वाली घटनाओं का निरीक्षण करें। तापमान निर्धारित करें टी 2 मेनिस्कस की उपस्थिति। औसत की गणना करें:

(1)

तीन बार प्रयोग करें। क्रांतिक तापमान के निर्धारण में त्रुटि की गणना कीजिए।

नियंत्रण प्रश्न

एक वास्तविक गैस में अंतराआण्विक बलों की प्रकृति का वर्णन करें।

पर चित्र पीवी- वास्तविक गैस समतापी आरेख और उनके चरित्र की व्याख्या करें।

पर चित्र पीवी-वैन डेर वाल्स गैस इज़ोटेर्म्स के पाठ्यक्रम को आरेखित करें और उसकी व्याख्या करें।

पदार्थ की क्रांतिक अवस्था को देखने और क्रांतिक तापमान को मापने के लिए उपकरण कैसा है?

कार्य। बर्थेलॉट द्वारा प्रस्तावित वास्तविक गैस मॉडल में से एक राज्य के निम्नलिखित समीकरण से मेल खाता है:

जहां ए, बी स्थिरांक हैं। बर्थेलॉट गैस के लिए टी करोड़, पी करोड़ और वी करोड़ खोजें, इन मात्राओं को स्थिरांक ए और बी के रूप में व्यक्त करें।

साहित्य:

डी.वी. सिवुखिन। थर्मोडायनामिक्स और आणविक भौतिकी।

(भौतिकी का सामान्य पाठ्यक्रम)।

शरीर का तापमान सबसे महत्वपूर्ण कारकों में से एक है जो चयापचय के लिए आवश्यक है। यह शरीर की स्थिति का सूचक है और बाहरी और आंतरिक कारकों के प्रभाव के आधार पर भिन्न होता है। यदि आप अस्वस्थ महसूस करते हैं और एक महत्वपूर्ण तापमान दिखाई देता है, तो आपको तत्काल एक विशेष संस्थान से संपर्क करना चाहिए। आखिरकार, यह कई बीमारियों का अग्रदूत हो सकता है।

शरीर के तापमान को प्रभावित करने वाले कारक

यह विभिन्न कारकों, पर्यावरण और शरीर की आंतरिक विशेषताओं दोनों के प्रभाव के कारण बदलता है, उदाहरण के लिए:

दिन के समय। दिन के समय में परिवर्तन के कारण तापमान में अक्सर उतार-चढ़ाव होता है। इस संबंध में, सुबह शरीर का तापमान थोड़ा कम (0.4-0.7 डिग्री) हो सकता है, लेकिन +35.9 डिग्री सेल्सियस से कम नहीं। और शाम तक, तापमान, इसके विपरीत, थोड़ा (0.2-0.6 डिग्री) बढ़ सकता है, लेकिन +37.2 डिग्री सेल्सियस से अधिक नहीं।

उम्र। बच्चों में, तापमान अक्सर 36.6 डिग्री से अधिक होता है, और 60-65 वर्ष से अधिक उम्र के वयस्कों में, सामान्य तापमान गिर जाता है।

स्वास्थ्य की स्थिति। यदि मानव शरीर में कोई संक्रमण होता है, तो तापमान (इससे लड़ने के लिए) बढ़ जाता है।

गर्भावस्था। प्रारंभिक अवस्था में गर्भवती महिलाओं में तापमान 36 डिग्री से नीचे नहीं गिरना चाहिए और 37.5 डिग्री से ऊपर उठना चाहिए।

जीव की व्यक्तिगत विशेषताएं।

पर्यावरणीय प्रभाव।

शरीर का तापमान वर्गीकरण

यदि आप थर्मामीटर के विभिन्न रीडिंग का विश्लेषण करते हैं, तो तापमान को कई प्रकारों और वर्गीकरणों में विभाजित किया जा सकता है।



एक वर्गीकरण के अनुसार तापमान के प्रकार (हाइपरथर्मिया के स्तर के अनुसार):

कम और कम। थर्मामीटर का मान 35°C से कम होता है।

सामान्य। थर्मामीटर पर मान 35-37 डिग्री सेल्सियस के भीतर है।

सबफ़ेब्राइल। थर्मामीटर पर मान 37-38 डिग्री सेल्सियस के भीतर है।

ज्वर। थर्मामीटर पर मान 38-39 डिग्री सेल्सियस के भीतर है।

ज्वरनाशक। थर्मामीटर पर मान 39-41 डिग्री सेल्सियस के भीतर है।

अति ज्वरनाशक। थर्मामीटर का मान 41°C से ऊपर होता है।

अवधि के आधार पर तापमान का विभाजन:

1. सूक्ष्म।

   दीर्घकालिक।

तापमान के प्रकारों का एक और वर्गीकरण:

हाइपोथर्मिया - कम शरीर का तापमान (35 डिग्री सेल्सियस से कम)।

सामान्य तापमान। इस प्रकार के शरीर के तापमान में 35-37 डिग्री सेल्सियस के बीच उतार-चढ़ाव होता है और यह कई कारकों से भिन्न होता है, जिनकी चर्चा ऊपर की गई थी।

अतिताप - ऊंचा शरीर का तापमान (37 डिग्री सेल्सियस से ऊपर)।



सामान्य सीमा के भीतर शरीर का तापमान

औसत शरीर का तापमान, जैसा कि ऊपर बताया गया है, विभिन्न कारकों के प्रभाव में बदल सकता है। इसे न केवल बगल में, बल्कि मुंह में, कान गुहा में और मलाशय में भी मापा जा सकता है। इसके आधार पर, थर्मामीटर पर डेटा भिन्न हो सकता है, महत्वपूर्ण तापमान यहां प्रस्तुत मानदंडों की तुलना में बहुत अधिक या कम होगा।

मुंह में, थर्मामीटर की रीडिंग कांख में मापे जाने की तुलना में 0.3-0.6 ° C अधिक होगी, अर्थात यहाँ 36.9-37.2 ° C के संकेतक को आदर्श माना जाएगा। मलाशय में, थर्मामीटर की रीडिंग 0.6-1.2 ° C अधिक होगी, अर्थात आदर्श 37.2-37.8 ° C है। कान गुहा में, थर्मामीटर की रीडिंग मलाशय की तरह ही होगी, यानी 37.2-37.8 ° C।

इन आंकड़ों को हर व्यक्ति के लिए सटीक नहीं माना जा सकता है। कई अध्ययनों के अनुसार, ज्यादातर लोगों में ऐसे संकेतक होते हैं - यह लगभग 90% है, लेकिन 10% लोगों में सामान्य शरीर का तापमान बहुमत से भिन्न होता है, और संकेतक ऊपर या नीचे उतार-चढ़ाव कर सकते हैं।

यह पता लगाने के लिए कि कौन सा तापमान आदर्श है, आपको दिन के दौरान रीडिंग को मापने और रिकॉर्ड करने की आवश्यकता है: सुबह, दोपहर और शाम। सभी मापों के बाद, आपको सभी संकेतकों का अंकगणितीय माध्य ज्ञात करना होगा। ऐसा करने के लिए, आपको सुबह, दोपहर और शाम के संकेतक जोड़ने और 3 से विभाजित करने की आवश्यकता है। परिणामी संख्या किसी विशेष व्यक्ति के लिए सामान्य औसत शरीर का तापमान है।



गंभीर शरीर का तापमान

दोनों दृढ़ता से कम और दृढ़ता से बढ़े हुए महत्वपूर्ण हो सकते हैं। मनुष्यों में उच्च तापमान कम तापमान की तुलना में बहुत अधिक सामान्य है। जब तापमान 26-28 डिग्री सेल्सियस तक गिर जाता है, तो बहुत अधिक जोखिम होता है कि कोई व्यक्ति कोमा में पड़ जाएगा, सांस लेने और दिल की समस्या होगी, लेकिन ये आंकड़े व्यक्तिगत हैं, क्योंकि इस बारे में कई पुष्टि की गई कहानियां हैं, गंभीर हाइपोथर्मिया के बाद, 16-17 डिग्री सेल्सियस तक लोग जीवित रहने में कामयाब रहे। उदाहरण के लिए, एक कहानी जो कहती है कि एक व्यक्ति ने बाहर निकलने और जीवित रहने का मौका दिए बिना एक विशाल स्नोड्रिफ्ट में लगभग पांच घंटे बिताए, उसका तापमान 19 डिग्री तक गिर गया, लेकिन वे उसे बचाने में कामयाब रहे।

कम शरीर का तापमान

कम तापमान की सीमा को 36 डिग्री से कम तापमान माना जाता है, या किसी व्यक्ति के व्यक्तिगत तापमान से 0.5 से 1.5 डिग्री नीचे शुरू होता है। और निम्न तापमान की सीमा को सामान्य से 1.5 डिग्री सेल्सियस से अधिक कम तापमान माना जाता है।

तापमान में कमी के कई कारण हैं, उदाहरण के लिए, कम प्रतिरक्षा, लंबे समय तक ठंढ के संपर्क में, और इस आधार पर, शरीर का हाइपोथर्मिया, थायरॉयड रोग, तनाव, विषाक्तता, पुरानी बीमारियां, चक्कर आना और यहां तक ​​​​कि सामान्य थकान।

यदि शरीर का तापमान 35 डिग्री सेल्सियस तक गिर गया है, तो आपको तत्काल एम्बुलेंस को कॉल करने की आवश्यकता है, क्योंकि। ज्यादातर मामलों में यह सूचक महत्वपूर्ण है और अपरिवर्तनीय परिणाम हो सकते हैं!

किस महत्वपूर्ण तापमान को सतर्क करना चाहिए?

37 डिग्री से शुरू होने वाला तापमान सबफर्टाइल माना जाता है और अक्सर शरीर में सूजन, संक्रमण और वायरस की उपस्थिति का संकेत देता है। तापमान 37 से 38 डिग्री तक दवाओं की मदद से नीचे नहीं लाया जा सकता, क्योंकि। शरीर में स्वस्थ कोशिकाओं और रोग पैदा करने वाली कोशिकाओं के बीच संघर्ष होता है।

ऐसे कई लक्षण हैं जो तापमान में वृद्धि का संकेत देते हैं, जैसे: कमजोरी, थकान, ठंड लगना, सिरदर्द और मांसपेशियों में दर्द, भूख न लगना और पसीना आना। तापमान को 38.5 डिग्री तक बढ़ने से रोकने के लिए उन्हें अधिक ध्यान देना चाहिए।



महत्वपूर्ण शरीर का तापमान 42 डिग्री सेल्सियस है, और ज्यादातर मामलों में 40 डिग्री का निशान पहले से ही घातक है। उच्च तापमान से मस्तिष्क में अपरिवर्तनीय परिणाम होते हैं, मस्तिष्क के ऊतकों में चयापचय गड़बड़ा जाता है।

इस मामले में, जब तापमान 38.5 डिग्री से अधिक बढ़ जाता है, तो बिस्तर पर आराम महत्वपूर्ण है, एंटीपीयरेटिक्स लेना और डॉक्टर या एम्बुलेंस कॉल के लिए अनिवार्य यात्रा! बहुत अधिक या निम्न तापमान पर मृत्यु को रोकने के लिए, स्व-दवा न करें, लेकिन हमेशा एक डॉक्टर से परामर्श करें जो इस तरह के तापमान के कारण को सही ढंग से निर्धारित कर सकता है, निदान कर सकता है और सही और प्रभावी उपचार लिख सकता है!

ऐसी प्राकृतिक घटना है जिसे वैज्ञानिक सुपरकंडक्टिविटी कहते हैं, और इंजीनियर - "ऊर्जा, चिकित्सा, उच्च गति परिवहन और सैन्य मामलों का भविष्य।" इस तथ्य के बावजूद कि पहली सुपरकंडक्टिंग सामग्री सौ साल से भी पहले खोजी गई थी, उनका उपयोग अपेक्षाकृत हाल ही में और केवल कुछ विशिष्ट उपकरणों में किया गया है, जैसे कि लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर या चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग में। क्यों? क्योंकि हम अभी भी पूरी तरह से नहीं समझ पाए हैं कि यह घटना कैसे काम करती है। नई सामग्री में, संपादक एन+1मैंने अतिचालकता के उद्भव के कई वैज्ञानिक संस्करणों के बारे में यथासंभव संक्षेप में और सरलता से बताने की कोशिश की, जिससे आप समझ पाएंगे कि पूरी दुनिया के भौतिक विज्ञानी एक सदी से क्या उलझन में हैं।

तो अतिचालकता क्या है? कुछ पदार्थों के इस गुण का एक निश्चित तापमान के नीचे सख्ती से शून्य प्रतिरोध होना - इसे महत्वपूर्ण कहा जाता है। दूसरा अनिवार्य मानदंड जिसके द्वारा इस या उस यौगिक को सुपरकंडक्टर के रूप में वर्गीकृत किया जाता है, वह है मीस्नर प्रभाव - सामग्री की क्षमता एक चुंबकीय क्षेत्र को उसके आयतन से बाहर धकेलने पर, फिर से, महत्वपूर्ण तापमान से नीचे।

एक चुंबक के ऊपर एक सुपरकंडक्टर का उत्तोलन मीस्नर प्रभाव की अभिव्यक्ति है।

विकिमीडिया कॉमन्स

अतिचालकता की घटना अद्वितीय और पूरी तरह से "साधारण" दोनों है। मौजूदा और संभावित अनुप्रयोगों की अपनी विस्तृत श्रृंखला के कारण यह अद्वितीय है: हीटिंग तारों के लिए ऊर्जा हानि के बिना विद्युत प्रवाह का संचरण, सुपरस्ट्रॉन्ग मैग्नेट का उत्पादन, विभिन्न डिटेक्टरों, स्क्विड मैग्नेटोमीटर, चुंबकीय उत्तोलन ट्रेनें और यहां तक ​​​​कि होवरबोर्ड भी।

और "साधारण", क्योंकि सुपरकंडक्टिविटी, जैसा कि यह निकला, बड़ी संख्या में यौगिकों में प्रकट होता है - यहां और, धातु ऑक्साइड और, कार्बनिक कंडक्टर, धातु फुलराइड, लौह युक्त और चाकोजेनाइड्स, और कई अन्य। इसलिए, एक और नए सुपरकंडक्टर की खोज की रिपोर्ट अब किसी को भी आश्चर्यचकित नहीं करती है, खासकर वैज्ञानिकों को।

लेकिन अब तक, अतिचालकता की खोज के सौ से अधिक वर्षों के बाद, इसके व्यावहारिक अनुप्रयोग के सभी प्रयास मुख्य समस्या - कम महत्वपूर्ण तापमान में चलते हैं। इस वजह से, सुपरकंडक्टिंग उत्पादों के साथ काम करने के लिए, तरल नाइट्रोजन या महंगे तरल हीलियम का उपयोग करके भारी शीतलन प्रणाली बनाना आवश्यक है। लेकिन अगर कमरे के तापमान के क्रम के एक महत्वपूर्ण तापमान के साथ एक सामग्री खोजना संभव था, तो ट्रेनों और सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनिक्स को भविष्य के सपने से रोजमर्रा की वास्तविकता में बदल दिया जा सकता है।

नए सुपरकंडक्टर्स का अध्ययन करने वाले भौतिक विज्ञानी आमतौर पर अपने महत्वपूर्ण तापमान को बढ़ाने का लक्ष्य नहीं रखते हैं। वे तंत्र के बारे में बात करते हैं - इस तथ्य के कारण कि एक विशेष यौगिक अतिचालक गुण प्रदर्शित करता है। वैज्ञानिकों का मानना ​​​​है कि यह इन तंत्रों की समझ है जो न केवल उच्च महत्वपूर्ण तापमान के साथ यौगिकों की भविष्यवाणी करना संभव बनाती है, बल्कि अन्य समान रूप से महत्वपूर्ण मानकों जैसे कि एक महत्वपूर्ण चुंबकीय क्षेत्र, वर्तमान घनत्व, और अन्य के साथ भी भविष्यवाणी करना संभव बनाती है।

सुपरकंडक्टिविटी की घटना के लिए मुख्य मान्यता प्राप्त तंत्र को इलेक्ट्रॉन-फोनन इंटरैक्शन माना जाता है, जब क्रिस्टल जाली कंपन के प्रभाव में दो इलेक्ट्रॉनों के बीच आकर्षण होता है और तथाकथित कूपर जोड़े बनते हैं। बार्डीन-कूपर-स्क्रिफ़र (बीसीएस) के नोबेल सिद्धांत के अनुसार अतिचालकता इस प्रकार प्रकट होती है। अन्य तंत्र भी प्रस्तावित किए गए हैं, जैसे कि मैग्नन या एक्सिटोन। पूर्व में, इलेक्ट्रॉन युग्मन फोनन के बजाय मैग्नेट के कारण होता है, और बाद में, बोस कंडेनसेट अवस्था में एक्साइटन अतिचालकता के लिए जिम्मेदार होते हैं।

लेकिन अब तक, वैज्ञानिकों के बीच इस बात को लेकर विवाद रहा है कि क्या फोनन तंत्र के अलावा अन्य तंत्र हैं - तथ्य यह है कि कुछ मामलों में प्रयोगात्मक डेटा की व्याख्या अलग-अलग तरीकों से की जा सकती है। इसलिए, सुपरकंडक्टिविटी का अध्ययन करने वाले भौतिक विज्ञानी दो विरोधी और, ऐसा लगता है, अपरिवर्तनीय शिविरों में विभाजित हो गए हैं - शास्त्रीय बीसीएस के समर्थक जो नए डेटा को फिट करने के लिए सिद्धांत को संशोधित करने की कोशिश कर रहे हैं, और जो नए तंत्र को वास्तविक प्रक्रियाओं का प्रतिबिंब मानते हैं। सुपरकंडक्टर्स में।

ये या वे तंत्र वास्तविक हैं या नहीं, यह नए प्रयोगात्मक डेटा द्वारा दिखाया जाएगा। हमने इस मुद्दे पर आधुनिक वैज्ञानिक साहित्य का अध्ययन किया है और जितना संभव हो सके वर्णन करने की कोशिश की है कि कैसे बहुत अलग और प्रतीत होता है कि असंबंधित प्रक्रियाएं अतिचालकता का कारण बन सकती हैं। हमने विभिन्न प्रभावों पर भी ध्यान दिया जो किसी विशेष सुपरकंडक्टर के महत्वपूर्ण तापमान को प्रभावित कर सकते हैं।

कहानी एक: फोनोंस

सुपरकंडक्टर: सरल तत्व, उनके कुछ मिश्र और अन्य यौगिक।

तंत्र: इलेक्ट्रॉन-फोनन इंटरैक्शन (शास्त्रीय बीसीएस सिद्धांत)।

लेख: अतिचालकता का सिद्धांत // भौतिक। रेव 108, 1175 (1957)।

लियोन एन कूपर, एक पतित फर्मी गैस में बाध्य इलेक्ट्रॉन जोड़े, भौतिक। रेव 104, 1189 (1956)।

जे. बारडीन, एल.एन. कूपर, और जे.आर. श्राइफ़र, अतिचालकता का सूक्ष्म सिद्धांत // भौतिक। रेव 106, 162 (1957)।

कमरे का तापमान, सामान्य कंडक्टर। क्रिस्टल जाली के परमाणु (अधिक सटीक रूप से, एक सकारात्मक चार्ज वाले आयन) अलग-अलग दिशाओं में, अलग-अलग आवृत्तियों के साथ दोलन करते हैं। इन "दोलन तरंगों" को भौतिकविदों द्वारा वर्णित किया गया है: अर्ध कणोंफोनोन्स , और प्रत्येक फोनन की अपनी आवृत्ति और ऊर्जा होती है। इन कंपन आयनों के बीच चालन इलेक्ट्रॉन लगभग बेतरतीब ढंग से चलते हैं, दिशा बदलते हैं, आयनों के साथ और एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं। इन अंतःक्रियाओं के परिणामस्वरूप, इलेक्ट्रॉन अपनी ऊर्जा का एक हिस्सा छोड़ देते हैं, इसे आसपास के परमाणुओं पर बिखेर देते हैं - यही कारण है कि कंडक्टरों में गैर-शून्य प्रतिरोध दिखाई देता है।

कमरे के नीचे, क्रिटिकल से ऊपर, एक साधारण कंडक्टर। तापमान के कारण होने वाले परमाणुओं के कंपन कम हो जाते हैं, लेकिन पूरी तरह से नहीं। इलेक्ट्रॉन ऊर्जा को नष्ट करना जारी रखते हैं, लेकिन उनके लिए स्थानांतरित करना पहले से ही बहुत आसान है - परमाणु अपने रास्ते में उतना "झिलमिलाहट" नहीं करते हैं। प्रतिरोध धीरे-धीरे कम हो जाता है।

गंभीर तापमान, अतिचालक संक्रमण। और भी कम फोनन हैं - परमाणु लगभग कंपन नहीं करते हैं। इलेक्ट्रॉनों के लिए एक नई "सुविधाजनक" स्थिति उत्पन्न होती है - संवेग और स्पिन के कुल शून्य मान के साथ युग्मित करने के लिए। क्रिस्टल जाली में आयनों के कंपन के साथ बातचीत के कारण एकीकरण होता है, यानी फोनन के साथ। लेकिन ये फोनोन ऊपर वर्णित नहीं हैं - तापमान में उतार-चढ़ाव, लेकिन " आभासी» - इलेक्ट्रॉनों की गति के कारण। इस परस्पर क्रिया के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन युग्म, जो कहलाते हैं कूपर, जाली परमाणुओं पर ऊर्जा का अपव्यय करना लाभहीन हो जाता है। सामग्री में अभी भी "साधारण इलेक्ट्रॉन" हैं, लेकिन वर्तमान कम से कम प्रतिरोध के पथ के साथ बहता है - यह अचानक शून्य हो जाता है।

महत्वपूर्ण तापमान के नीचे, सुपरकंडक्टर। अधिक से अधिक कूपर जोड़े हैं। चूंकि जोड़ी में एक पूर्णांक स्पिन (-1/2+1/2 = 0 या, शायद ही कभी, 1/2+1/2 = 1) है, ऐसा "कुल कण" एक बोसॉन है। और बोसॉन के लिए, पाउली निषेध लागू नहीं होता - वे एक साथ एक ही क्वांटम अवस्था में या एक ही ऊर्जा स्तर पर हो सकते हैं। अधिक से अधिक जोड़े इस ऊर्जा स्तर पर "गिर" जाते हैं - गठित बोस घनीभूत. बोस संघनन में, कण व्यवहार करते हैं जुड़कर(लगातार), और उनके पाठ्यक्रम धीरे-धीरे(कोई ऊर्जा हानि नहीं)।

कड़ाई से बोलते हुए, बोस-आइंस्टीन सिद्धांत आदर्श गैसों से संबंधित है, न कि सुपरकंडक्टर्स में इलेक्ट्रॉनों के रूप में ऐसी जटिल अंतःक्रियात्मक प्रणालियों के साथ। लेकिन प्रक्रियाओं का सार - कणों के समान ऊर्जा स्तर पर "इकट्ठा" होने की संभावना - समान है। इसलिए, हम खुद को ऐसी सादृश्यता बनाने की अनुमति देंगे।

कूपर जोड़े कैसे बनते हैं?धनावेशित परमाणुओं के बीच उड़ने वाले इलेक्ट्रॉन ऋणात्मक आवेश वाले क्षेत्र के रूप में अपनी ओर आकर्षित होते हैं। लेकिन परमाणु "सुस्त" होते हैं, वे बहुत भारी होते हैं और धीरे-धीरे आगे बढ़ते हैं। नतीजतन, पासिंग इलेक्ट्रॉन के बाद सकारात्मक चार्ज का एक क्षेत्र बनाया जाता है। एक और इलेक्ट्रॉन इसकी ओर आकर्षित होता है। और इसलिए, जोड़े में, वे परमाणुओं के बीच क्रिस्टल जाली के साथ आगे बढ़ते हैं, बिना टकराव में ऊर्जा को नष्ट किए। भौतिक विज्ञानी इस प्रक्रिया को क्रिस्टल जाली के आभासी फोनन के साथ इलेक्ट्रॉनों की बातचीत कहते हैं।

कूपर जोड़े ऊर्जा का अपव्यय क्यों नहीं करते?यह समझाने के लिए कि इलेक्ट्रॉन अपनी ऊर्जा क्यों नहीं खोते हैं, हमें अवधारणा की ओर मुड़ना होगा इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम- तरंग वेक्टर पर ऊर्जा की निर्भरता। एक सुपरकंडक्टर, एक सामान्य धातु के विपरीत, एक विशेष होता है अन्तर- निषिद्ध राज्यों का क्षेत्र। यही है, एक इलेक्ट्रॉन इस निषिद्ध क्षेत्र से ऊर्जा के साथ एक राज्य पर कब्जा नहीं कर सकता है। अंतराल केवल महत्वपूर्ण तापमान पर "खुलता है" और ठंडा होने पर "बढ़ता" रहता है। सुपरकंडक्टर्स में, इस अंतराल के बीच में, अनुमत ऊर्जा के साथ एक स्तर होता है, जहां कूपर जोड़े स्थित होते हैं। लेकिन इस स्तर के ऊपर और नीचे एक "निषिद्ध क्षेत्र" है, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन जोड़े इस स्तर पर अंतराल के बीच में बंद हो जाते हैं। वे केवल उन हिस्सों में ऊर्जा खो सकते हैं या अवशोषित कर सकते हैं जो बैंड गैप से बड़े हैं - कूपर जोड़ी की कम गति पर, यह लगभग असंभव प्रक्रिया है। क्रिस्टल जाली के माध्यम से चालन इलेक्ट्रॉनों की एक गैर-विघटनकारी (ऊर्जा की हानि के बिना) गति होती है - यह अतिचालकता है। हम जोड़ते हैं कि ऐसा अंतर अर्धचालकों और डाइलेक्ट्रिक्स में बैंड गैप के समान नहीं है, जिसके कारण चालकता पूरी तरह से गायब हो जाती है या तापमान के साथ घट जाती है। डाइलेक्ट्रिक्स या सेमीकंडक्टर्स के पास बैंडगैप में कूपर जोड़े के साथ कोई स्तर नहीं होता है, और चालन स्वयं ही हो सकता है (सुपरकंडक्टिविटी का उल्लेख नहीं करने के लिए) केवल तभी जब कोई इलेक्ट्रॉन बाधा पर "कूदने" के लिए ऊर्जा प्राप्त कर सके।

इस स्तर पर, यह थोड़ा स्पष्टीकरण देने योग्य है। लगभग किसी भी वैज्ञानिक को संदेह नहीं है कि सुपरकंडक्टिंग करंट कूपर जोड़े या अन्य बोस कणों के बनने और समान ऊर्जा स्तर पर उनके संघनन के कारण उत्पन्न होता है। विवाद उत्पन्न होते हैं बोस के ये कण वास्तव में कैसे बने हैं?. बीसीएस सिद्धांत इस तरह के एक तंत्र के रूप में इलेक्ट्रॉन-फोनन इंटरैक्शन का सुझाव देता है। लेकिन इसके लिए अन्य क्वासिपार्टिकल्स का "उपयोग" क्यों नहीं किया जाता है? इसी के बारे में है हमारी अगली कहानी।

कहानी दो: मैग्नन्स

सुपरकंडक्टर: ZrZn 2 और अन्य।

तंत्र: सामूहिक इलेक्ट्रॉनों के फेरोमैग्नेटिज्म की घटना के कारण ट्रिपल कूपर जोड़े का गठन।

लेख: सी. फ्लेइडरर एट. अल डी-बैंड धातु ZrZn 2 / प्रकृति 412, 58-61 (2001) में अतिचालकता और लौह चुंबकत्व का सह-अस्तित्व।

डी। फे और जे। पी-स्टेट सुपरकंडक्टिविटी और यात्रा करने वाले फेरोमैग्नेटिज्म / फिज का एपेल सह-अस्तित्व। रेव बी 22, 3173 (1980)।

कमरे का तापमान, अनुचुंबकीय धातु। एक ठोस में एक इलेक्ट्रॉन अन्य इलेक्ट्रॉनों के कूलम्ब प्रतिकर्षण की ताकतों, क्रिस्टल जाली के आयनों के आकर्षण के साथ-साथ बलों से प्रभावित होता है विनिमय बातचीतइलेक्ट्रॉनों के बीच। उत्तरार्द्ध विशुद्ध रूप से क्वांटम प्रकृति के हैं और इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति के कारण हैं पीछे- उचित कोणीय गति, जो मान ±½ लेता है। यह एक्सचेंज इंटरैक्शन है जो अक्सर सामग्री में चुंबकीय क्रम का कारण बनता है - घटना का एक वर्ग जिसे फेरो-, फेरी- और एंटीफेरोमैग्नेटिज्म के रूप में जाना जाता है। कई मामलों में, ये घटनाएं तब होती हैं जब पदार्थ कंडक्टर नहीं होता है, यानी इसमें इलेक्ट्रॉन होते हैं स्थानीय, या किसी विशेष आयन से "संलग्न"। यह कहानी लौह चुंबकत्व के बारे में है। सामूहिकइलेक्ट्रॉन, यानी "मोबाइल" - चालकता के लिए जिम्मेदार।

फेरोमैग्नेटिक ऑर्डरिंग का तापमान, फेरोमैग्नेटिक मेटल। कुछ मामलों में एक कंडक्टर में इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान इस तथ्य को जन्म दे सकता है कि इलेक्ट्रॉनों के स्पिन, एक साधारण कंडक्टर में बेतरतीब ढंग से "उड़ते" हैं, अचानक उसी दिशा में "देखना" शुरू हो जाते हैं। सिद्धांत रूप में, भयभीत लोगों की भागती भीड़ में भी ऐसी ही स्थिति देखी जा सकती है। भीड़ में एक अकेला व्यक्ति पूरी तरह से अराजक दिशा में दौड़ सकता है, अन्य लोगों, दीवारों और बाड़ से टकरा सकता है, जिससे सामान्य धातुओं में प्रतिरोध के समान प्रभाव पड़ता है। लेकिन ज्यादातर लोग अपने हाथों के बजाय अपने पैरों से दौड़ेंगे, इसलिए उनकी "पीठ" - पैरों से सिर तक की दिशा - मेल खाएगी। इस प्रकार, यदि तापमान (भीड़ में लोगों की औसत गति) काफी कम है, तो अधिकांश इलेक्ट्रॉन स्पिन सह-दिशात्मक होंगे और सामग्री एक लौहचुंबकीय धातु होगी।

अतिचालक संक्रमण का महत्वपूर्ण तापमान, फेरोमैग्नेट-सुपरकंडक्टर। हालांकि व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों के स्पिन सह-निर्देशित होते हैं, वे किसी विशेष दिशा में सख्ती से तय नहीं होते हैं। वे सख्त आदेश को दोलन कर सकते हैं, लुढ़क सकते हैं और तोड़ सकते हैं। लेकिन, सामान्य दिशा से भटकते हुए, एक विशेष स्पिन "शांति को तोड़ने" और पड़ोसी इलेक्ट्रॉनों को प्रेरित करता है, और बदले में, वे इसे अपनी मूल स्थिति में वापस करने का प्रयास करते हैं। यह इस तथ्य के कारण है कि फेरोमैग्नेट में, इलेक्ट्रॉनों ऊर्जावान रूप से फायदेमंदकोडायरेक्शनल स्पिन हैं, क्योंकि वे एक्सचेंज इंटरैक्शन की ऊर्जा से जुड़े हुए हैं। इस ऊर्जा लाभ के कारण, कम तापमान पर, इलेक्ट्रॉनों के बीच आकर्षण जैसा कुछ दिखाई देने लगता है - वे जोड़े में जुड़ जाते हैं। लेकिन, "फोनन" सुपरकंडक्टर के विपरीत, इस जोड़ी का कुल स्पिन शून्य के बराबर नहीं है, बल्कि एकता के लिए है, क्योंकि स्पिन कोडायरेक्शनल हैं। ऐसी घटना को कहा जाता है त्रिकअतिचालकता। और "संकटमोचक" जो स्पिन को पलट सकते हैं और आस-पास के इलेक्ट्रॉनों में विकार फैला सकते हैं, कहलाते हैं मैग्नन्स. यह मैग्नेट हैं जो सुपरकंडक्टिंग संक्रमण के दौरान इलेक्ट्रॉनों को जोड़े में संयोजित करने में मदद करते हैं।

कहानी तीन: एक्साइटन्स

सुपरकंडक्टर: कृत्रिम सामग्री जिसमें डाइलेक्ट्रिक्स और अर्धचालकों की कई क्रमबद्ध परतें होती हैं, प्रत्येक परत लगभग एक परमाणु मोटी होती है।

तंत्र: बोस-आइंस्टीन अप्रत्यक्ष उत्तेजनाओं का संघनन।

सामग्री : जे.पी. ईसेनस्टीन, ए.एच. मैकडोनाल्ड बोस-आइंस्टीन कंडेनसेशन ऑफ एक्सिटॉन्स इन बाइलेयर इलेक्ट्रान सिस्टम्स / नेचर 432, 691-694 (9 दिसंबर 2004)।

एम.एम. फोगलर, एल.वी. बुटोव और के.एस. नोवोसेलोव वैन डेर वाल्स हेटरोस्ट्रक्चर / नेचर कम्युनिकेशंस 5, 4555 (2014) में अप्रत्यक्ष उत्तेजनाओं के साथ उच्च तापमान सुपरफ्लुडिटी।

कमरे का तापमान, कोई अतिचालकता नहीं। स्रोत सामग्री डाइलेक्ट्रिक्स की मोनोएटोमिक परतों का एक कृत्रिम "ढेर" है (सामग्री जो वर्तमान का संचालन नहीं करती है) और अर्धचालक (प्रवाहकीय वर्तमान, लेकिन सच्चे कंडक्टर से भी बदतर)। अर्धचालक में करंट होने के लिए, इलेक्ट्रॉनों को "कूदने" के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करनी चाहिए निषिद्ध क्षेत्र. जब एक इलेक्ट्रॉन "कूदता है" और प्रवाहकीय हो जाता है, a छेद, या, सीधे शब्दों में कहें, एक इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति। इलेक्ट्रॉन + छिद्र = उत्तेजना. सच है, एक इलेक्ट्रॉन और एक छेद से एक एक्साइटन बनने के लिए, उन्हें आपस में जोड़ा जाना चाहिए, अर्थात, उनके पास व्यक्तिगत कणों की कुल ऊर्जा की तुलना में थोड़ी कम ऊर्जा होनी चाहिए - केवल इस मामले में वे सामग्री के माध्यम से आगे बढ़ते हैं समन्वित तरीके से। अन्यथा, उदाहरण के लिए, एक "प्रकाश" इलेक्ट्रॉन बस "दूर उड़ सकता है", और एक "अनाड़ी" छेद इसके साथ नहीं रह पाएगा।

तापमान महत्वपूर्ण से ऊपर है, कमरे के तापमान से नीचे है, कोई अतिचालकता नहीं है। यदि ऐसी बहुपरत सामग्री में केवल साधारण उत्सर्जक (जो अर्धचालक परत के अंदर फैलते हैं) मौजूद हो सकते हैं, तो किसी भी अतिचालकता की उम्मीद नहीं की जा सकती है। लेकिन इसमें डाइइलेक्ट्रिक और सेमीकंडक्टर की परतें गैर-यादृच्छिक तरीके से स्थित होती हैं। वे एक "बर्गर" हैं, जिसमें कटलेट एक गैर-संचालन ढांकता हुआ है, और ब्रेड की दो परतें अर्धचालक हैं जिनमें मुक्त इलेक्ट्रॉन, छेद और "गैर-मुक्त" एक्साइटन हैं। ऐसे में "बर्गर" बन सकता है अप्रत्यक्ष उत्तेजना. इसके लिए आवश्यक है कि "ब्रेड" के निचले टुकड़े से एक इलेक्ट्रॉन "कटलेट" के माध्यम से उड़ जाए, ऊपरी टुकड़े में फंस जाए, जबकि "ब्रेड" के निचले टुकड़े से इसके छेद से जुड़ा रहता है। इस प्रकार, ऐसी स्थितियां बनाना संभव है जिसके तहत अर्धचालक ब्रेड की एक परत में इलेक्ट्रॉन जमा हो जाएंगे, और दूसरी परत में छेद हो जाएंगे। तब ढांकता हुआ कटलेट परत इलेक्ट्रॉन को उसके मूल स्थान पर लौटने से रोकेगी, जिससे ऊर्जा अवरोध पैदा होगा। अर्थात्, एक इलेक्ट्रॉन को वापस कूदने के लिए, उसे इस पर अतिरिक्त ऊर्जा खर्च करने की आवश्यकता होती है।

बोस-आइंस्टीन संघनन का महत्वपूर्ण तापमान, अतिचालकता का उदय। एक एक्साइटन में शून्य स्पिन होता है, जिसका अर्थ है कि यह एक बोसॉन है। इस प्रकार, कूपर जोड़े की तरह, एक्साइटन बोस कंडेनसेट बना सकते हैं। दूसरी ओर कूपर युग्म का आवेश इलेक्ट्रॉन के दो आवेशों के बराबर होता है, लेकिन एक्सिटॉन का आवेश शून्य होता है। शून्य आवेशों की गति एक धारा नहीं बना सकती है, चालन कहाँ से आता है, और यहाँ तक कि उपसर्ग सुपर- के साथ भी? वही अप्रत्यक्ष एक्साइटन्स इसमें मदद करेंगे। उनकी मदद से, एक्साइटन के चार्ज को दो भागों में विभाजित किया जाता है, और फिर नकारात्मक इलेक्ट्रॉन अर्धचालक की एक परत से संबंधित होंगे, और दूसरे में सकारात्मक छेद होंगे। अब आप प्रवाहकीय संपर्कों को "मिलाप" कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, सेमीकंडक्टर ब्रेड की ऊपरी परत पर और उन पर वोल्टेज लागू करें - ऊपरी परत के इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करना शुरू हो जाएगा, और उनके साथ निचली परत से छेद भी चले जाएंगे, विपरीत दिशाओं में धाराएँ बनाना। यदि तापमान को इतना कम कर दिया जाता है कि एक्साइटन्स समान ऊर्जा स्तर पर संघनित हो जाते हैं, तो वे ऊर्जा खोए बिना सामग्री के माध्यम से आगे बढ़ेंगे। अर्धचालक की प्रत्येक परत में अतिचालकता देखी जाएगी - छेद या इलेक्ट्रॉनिक।

महत्वपूर्ण तापमान के नीचे, सुपरकंडक्टर। कृत्रिम अतिचालकता बनाने की इस पद्धति में इसकी कमियां हैं। उदाहरण के लिए, घटना के कारण इलेक्ट्रॉन अभी भी छिद्रों में लौट आएंगे सुरंग. इस मामले में, एक्साइटन "गायब हो जाएंगे" (भौतिक विज्ञानी इस प्रक्रिया को कहते हैं पुनर्संयोजन), और कुल चालकता - गिरना। इसके अलावा, ऐसे एक्साइटन्स के निर्माण के लिए अपने आप में ऊर्जा की आवश्यकता होती है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन को ढांकता हुआ द्वारा बनाए गए अवरोध के माध्यम से "फेंकना" चाहिए। जैसे-जैसे तापमान गिरता है, नए एक्साइटन बनाना अधिक कठिन हो जाता है, इसलिए अर्धचालक और डाइलेक्ट्रिक्स का ऐसा कृत्रिम "बर्गर" कभी वास्तविक सुपरकंडक्टर की जगह ले सकता है या नहीं, यह कहना अभी भी मुश्किल है।

यह ध्यान देने योग्य है कि पिछली कहानी में वर्णित कृत्रिम "एक्सिटोन सुपरकंडक्टर" के अलावा, "एक्सिटोन सुपरकंडक्टिविटी मैकेनिज्म" जैसा एक शब्द भी है, और ये घटनाएं बिल्कुल एक जैसी नहीं हैं। उपरोक्त उदाहरण में, वास्तव में, कोई कूपर जोड़े नहीं हैं। एक्सिटॉन मैकेनिज्म बीसीएस सिद्धांत से फोनन एक के समान है, इसमें कूपर जोड़ी के दो इलेक्ट्रॉनों के बीच की कड़ी फोनन नहीं है, बल्कि बोस कंडेनसेट अवस्था में एक्सिटोन है। दोनों तंत्रों में, ऐसा कनेक्शन इस तथ्य की ओर जाता है कि नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे के प्रति आकर्षण का अनुभव करते हैं (हालांकि, कूलम्ब के नियम के अनुसार, उन्हें एक दूसरे को पीछे हटाना चाहिए)। वास्तव में, दोनों इलेक्ट्रॉन फोनन या एक्सिटोन द्वारा बनाए गए अस्थायी रूप से उत्पन्न होने वाले सकारात्मक चार्ज के क्षेत्र में आकर्षित होते हैं। इसके अलावा, चूंकि एक्साइटन "बनाने" के लिए आसान होते हैं, ऐसा माना जाता है कि ऐसा तंत्र कुछ सामग्रियों के लिए महत्वपूर्ण तापमान के उच्च मूल्यों की व्याख्या कर सकता है।

कहानी चार: उतार-चढ़ाव

सुपरकंडक्टर: आयरन सेलेनाइड FeSe और अन्य।

तंत्र: एक गैर-शून्य चुंबकीय क्षण के साथ आयनों वाले यौगिकों में स्पिन उतार-चढ़ाव, एक नेमैटिक संरचनात्मक चरण संक्रमण में संयुक्त।

लेख : क्यूसी वांग एट। अल FeSe / प्रकृति सामग्री, 15, 159–163 (2015) में स्ट्राइप स्पिन उतार-चढ़ाव, नेमैटिकिटी और सुपरकंडक्टिविटी के बीच मजबूत परस्पर क्रिया।

एफए वांग, स्टीवन ए। किवेलसन और डंग-है ली नेमैटिकिटी एंड क्वांटम पैरामैग्नेटिज्म इन फेसे / नेचर फिजिक्स 11, 959–963 (2015)।

कमरे का तापमान, पैरामैग्नेटिक। यह तंत्र तभी संभव है जब सामग्री में गैर-शून्य चुंबकीय क्षण वाले आयन हों - इसका मतलब है कि कुल घुमावएक आयन में स्थानीयकृत इलेक्ट्रॉनों की (क्वांटम विशेषता - उचित कोणीय गति) शून्य के बराबर नहीं होती है। ऐसी सामग्री हैं अनुचुम्बक. चुंबकीय क्षण एक दूसरे के साथ बातचीत कर सकते हैं, आदेश, यही वजह है कि कई सामग्री फेरो-, एंटीफेरोमैग्नेटिक गुण और अन्य, अधिक विदेशी विकल्प प्रदर्शित करती हैं। कमरे के तापमान पर, जाली आयनों के थर्मल कंपन चुंबकीय क्षणों के क्रम में हस्तक्षेप करते हैं, वे लगभग यादृच्छिक रूप से उतार-चढ़ाव करते हैं - पदार्थ अनुचुंबकीय रहता है।

कमरे के तापमान के नीचे, अनुचुंबकीय। जैसे-जैसे तापमान घटता है, दोलन कमजोर होते जाते हैं, और इसके विपरीत, चुंबकीय अंतःक्रियाएँ बढ़ने लगती हैं। चुंबकीय क्षण अब अधिक लगातार दोलन करते हैं, एक "लाभप्रद" स्थिति खोजने के लिए प्रवृत्त होते हैं, लेकिन क्रिस्टल जाली की समरूपता के कारण (चतुर्भुज, यानी, एक आयताकार समानांतर चतुर्भुज a = b ≠ c के साथ), कोई एकल स्थिति नहीं है a न्यूनतम ऊर्जा। ऊर्जा को कम करने के लिए, एक वर्ग जाली में व्यवस्थित चुंबकीय क्षण शुरू होते हैं श्रृंखला बनाएं- एक निश्चित दिशा के आसपास एक प्रमुख गति होती है।

नेमेटिक चरण संक्रमण, पैरामैग्नेट। घुमाव उतार चढ़ाव(कंपन) अब जाली आयनों के कंपन की तुलना में एक महत्वपूर्ण योगदान देते हैं। जंजीरों में पंक्तिबद्ध होने के लिए स्पिन के "प्रयास" अंततः क्रिस्टल जाली को प्रभावित करना शुरू कर देते हैं, जिससे इसकी समरूपता कम हो जाती है (अब a b ≠ c - orthorhombic)। एक चरण है नेमेटिकसंक्रमण (क्रिस्टल जाली की समरूपता में समान कमी के साथ तथाकथित संक्रमण)। यह, बदले में, स्पिन दोलनों के अनिसोट्रॉपी को और बढ़ाता है, जो अंततः जंजीरों में पंक्तिबद्ध होता है। लेकिन पूरी तरह से चुंबकीय क्रम नहीं होता है, क्योंकि श्रृंखला किसी विशेष स्थिति में "ठीक" नहीं हो सकती है, क्योंकि ऐसी स्थिति स्थिर नहीं होती है।

नेमेटिक चरण, पैरामैग्नेट। स्पिन उतार-चढ़ाव मैग्नन्स के "छोटे भाई" हैं (मैग्नन को ऑर्डर किए गए मैग्नेट में स्पिन उतार-चढ़ाव कहा जाता है)। एक नियम के रूप में, एक निश्चित दिशा में लाइन अप करने के लिए "स्पिन के प्रयास" अंततः एक चुंबकीय चरण संक्रमण की ओर ले जाते हैं और पदार्थ बन जाता है, उदाहरण के लिए, एक एंटीफेरोमैग्नेट। हालांकि, कुछ सामग्रियों में यह क्रिस्टल जाली के आयनों के कंपन से बाधित होता है। यह ऐसी सामग्रियां हैं जो सुपरकंडक्टर्स के लिए उम्मीदवार हैं।

अतिचालक संक्रमण का महत्वपूर्ण तापमान। जैसे ही सुपरकंडक्टिंग संक्रमण का तापमान निकट आता है, स्पिन के उतार-चढ़ाव की ऊर्जा जाली कंपन के साथ तुलनीय हो जाती है। चुंबकीय क्रम में स्थापित होने का समय नहीं है, लेकिन स्पिन उतार-चढ़ाव के कारण इलेक्ट्रॉनों का लगातार व्यवहार इलेक्ट्रॉनों के लिए संभावित राज्यों की "सूची" को सीमित करता है। यह इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम में एक अंतर की उपस्थिति की ओर जाता है, और चुंबकीय संक्रमण को एक अतिचालक द्वारा "प्रतिस्थापित" किया जाता है। इस प्रकार, स्पिन में उतार-चढ़ाव, क्रिस्टल जाली के कंपन और इसकी समरूपता में बदलाव के साथ, अंततः कूपर जोड़े बनाने का एक और तरीका है।

/ भौतिक। रेव लेट. 101, 026406 (2008)।

एस वी बोरिसेंको एट। अल आयरन-आधारित सुपरकंडक्टर्स / नेचर फिजिक्स में स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग का प्रत्यक्ष अवलोकन, 12, 311-317 (2015)।

कमरे के तापमान से लेकर गंभीर तक। स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम को प्रभावित करता है, जिससे प्रवाहकीय गुणों के साथ "हस्तक्षेप" होता है। यह घटना - एक गतिमान इलेक्ट्रॉन और उसके स्वयं के स्पिन के बीच की बातचीत - इलेक्ट्रॉन गति की उच्च गति पर सबसे अधिक दृढ़ता से प्रकट होती है (क्वांटम भौतिकी में वे गति की अवधारणा के साथ काम करते हैं), यानी यह एक सापेक्ष प्रभाव है। यह सभी यौगिकों के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को प्रभावित करता है, लेकिन इसका योगदान अधिक है, आवर्त सारणी में परमाणु संख्या जितनी अधिक होगी, क्योंकि उच्च ऊर्जा स्तरों पर इलेक्ट्रॉनों के "वेग" बहुत अधिक होते हैं। LiFeAs और अन्य सुपरकंडक्टिंग आयरन आर्सेनाइड्स में, स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन का योगदान इलेक्ट्रॉनिक संरचना को स्पष्ट रूप से प्रभावित करने के लिए पर्याप्त है। कल्पना कीजिए कि आप अपने हाथों में एक प्लास्टिसिन बॉल पकड़े हुए हैं। इलेक्ट्रॉनिक संरचना पर स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन की क्रिया की कल्पना की जा सकती है जैसे कि आप अपनी उंगलियों से इस गेंद पर डेंट और उभार बनाते हैं, जिससे इसका मूल आकार विकृत हो जाता है।

अंत में, हम कह सकते हैं कि हमारी कहानियां केवल कुछ संभावित प्रक्रियाओं को सूचीबद्ध करती हैं जो अंततः अतिचालकता की ओर ले जाती हैं। शास्त्रीय इलेक्ट्रॉन-फोनन तंत्र सहित उन सभी को एक सामग्री में जोड़ा जा सकता है, या उनमें से एक किसी विशेष पदार्थ के लिए मुख्य होगा। शायद ये सभी असंख्य और जटिल तंत्र कुछ वैश्विक भौतिक कानूनों का एक हिस्सा हैं जिन्हें वैज्ञानिकों ने अभी तक खोजा है। लेकिन यह भी पता चल सकता है कि प्रकृति हमारी कल्पना से कहीं अधिक जटिल और बहुआयामी है, और अतिचालकता का केवल एक ही नियम नहीं है।

एकातेरिना कोज़्लियाकोवा