UNIVERSITÀ STATALE DI TYUMEN
DIPARTIMENTO DI FISICA MOLECOLARE
DETERMINAZIONE DELLA TEMPERATURA CRITICA
I. Breve teoria
§ 1. Gas reali.
L'equazione di stato di Clapeyron - Mendeleev descrive abbastanza bene le proprietà dei gas note dagli esperimenti. Tuttavia, è approssimativo ed è valido solo a pressioni sufficientemente basse. Inoltre, l'esperienza mostra che a determinate pressioni e temperature i gas condensano, ad es. arrivare allo stato liquido. L'equazione Clapeyron - Mendeleev non descrive questo fenomeno. L'isoterma per un gas reale in questo caso ha una forma caratteristica (Fig. 1).
Consideriamo il processo corrispondente a questo programma, svolto nella direzione di ABCD. Parte dell'isoterma AB descrive il processo di compressione del gas prima dell'inizio della condensazione. Può coincidere abbastanza bene con l'isoterma calcolata secondo l'equazione di Clapeyron-Mendeleev (mostrata come una linea tratteggiata). Tuttavia, in un processo effettuato con una sostanza reale ad una certa pressione, inizierà la condensazione (punto B del grafico). Questa pressione è chiamata pressione di vapore di saturazione o semplicemente pressione di saturazione.
Parte del grafico BC descrive lo stato della materia a due fasi. Quando il volume diminuisce da a, una proporzione crescente della sostanza passa dallo stato di vapore allo stato liquido. Il punto C rappresenta lo stato in cui tutta la materia si è trasformata in un liquido. Infine, CD descrive il processo di compressione dei liquidi, il grafico scorre quasi parallelo all'asse verticale, riflettendo un fatto ben noto: i liquidi hanno una comprimibilità molto inferiore rispetto ai gas.
Se eseguiamo processi isotermici simili con la stessa quantità di sostanza a temperature diverse, otterremo un sistema di isoterme mostrato in Fig.2.
Le curve corrispondenti a temperature più elevate si trovano più lontane dall'origine delle coordinate. All'aumentare della temperatura, le parti orizzontali delle isoterme che descrivono lo stato bifasico diminuiscono e, ad una certa temperatura, degenerano in un unico punto. Questa temperatura è chiamata critica.
Ad una temperatura superiore a quella critica è impossibile ottenere una sostanza in uno stato bifasico.
§ 2. Equazione di Van der Waals. Isoterme di Van der Waals.
L'equazione di stato per un gas ideale ad alta densità non può dare un buon accordo con l'esperimento, poiché quando è stato scritto si presumeva che le molecole non avessero dimensioni e non interagissero tra loro. Per ottenere un'equazione di stato che descriva in modo soddisfacente le proprietà dei gas reali, è necessario tenere conto delle dimensioni delle molecole o delle forze repulsive che si creano tra molecole poste a piccole distanze l'una dall'altra. Inoltre, devono essere prese in considerazione anche le forze di attrazione tra le molecole.
È possibile prendere come base l'equazione di stato di Clapeyron - Mendeleev e apportarvi le opportune modifiche. Prenderemo in considerazione le forze repulsive o le dimensioni delle molecole introducendo una correzione del volume nell'equazione di Clapeyron-Mendeleev per un kilomole di gas
(1)
(2)
Si può vedere dalla seconda espressione che in , la pressione tende all'infinito, cioè Non puoi comprimere la materia a un volume uguale a zero.
A distanze relativamente grandi tra le molecole, le forze attrattive svolgono un ruolo importante. Possono essere presi in considerazione introducendo un'opportuna correzione della pressione nell'equazione (2):
(3)
Questa correzione va presa con segno negativo, supponendo che l'attrazione delle molecole porti ad una diminuzione della pressione sulle pareti di un recipiente contenente un dato gas. L'equazione (3) può essere trasformata come segue:
(4)
Questa è l'equazione di stato per i gas reali, ottenuta per la prima volta da van der Waals. Puoi scriverlo per una quantità arbitraria di sostanza:
(5)
dove è il peso molecolare relativo.
L'equazione (4) può essere rappresentata come una serie di potenze in volume:
(6)
A pressione e temperatura fisse, sarà un'equazione di terzo grado rispetto al volume e dovrà avere tre radici. I risultati più interessanti si ottengono analizzando le isoterme di van der Waals, una delle quali è mostrata in Fig.3.
Ad una temperatura fissa, ogni valore di pressione corrisponderà a tre radici dell'equazione (6). La pressione corrisponde a tre radici reali , , . Le pressioni e corrispondono ad una radice reale e due radici coniugate complesse, che non hanno significato fisico e non verranno ulteriormente considerate.
È interessante confrontare l'isoterma di van der Waals e l'isoterma sperimentale. In Fig. 3, la sezione orizzontale dell'isoterma sperimentale è mostrata dalla retta BF. La parte AB descrive lo stato gassoso della materia e coincide in modo soddisfacente con l'isoterma sperimentale. La parte FG descrive la compressione isotermica di un fluido. Pertanto, l'equazione di van der Waals descrive relativamente bene il comportamento della materia negli stati gassoso e liquido durante un processo isotermico.
Isoterme significativamente differenti nella sezione BF . Tuttavia, i rami BC ed EF hanno un certo significato fisico. Gli stati della materia rappresentati dalla regione BC possono essere ottenuti sperimentalmente. Questo è vapore supersaturo o superraffreddato. Si osservano sperimentalmente anche gli stati della materia corrispondenti alla sezione EF. Il liquido in tali stati è chiamato surriscaldato. Questi stati sono chiamati metastabili. Parte dell'isoterma di van der Waals CDE non viene mai osservata negli esperimenti. Descrive uno stato instabile della materia.
§ 3. Temperatura critica. Situazione critica.
Costruiamo una famiglia di isoterme di van der Waals (Fig. 4). All'aumentare della temperatura, le curve si troveranno più lontane dall'origine della coordinata e il loro carattere cambierà. I massimi ei minimi convergeranno sia lungo l'asse delle ascisse che lungo l'asse delle ordinate, e ad una certa temperatura si fonderanno in un punto, il punto di flesso. A questa temperatura e alla pressione corrispondente a questo punto, le tre radici reali diventano multiple. La distinzione tra liquido e vapore e l'interfaccia tra loro scompaiono. Tale stato è chiamato critico e la temperatura è chiamata temperatura critica. Questa temperatura è una proprietà caratteristica di ogni sostanza.
Usando l'equazione di van der Waals, si possono esprimere i parametri critici , , in termini di singole costanti di sostanza e , nonché in termini di costante gassosa universale.
Un modo per trovare i parametri critici si basa sul fatto che le radici dell'equazione di van der Waals scritta per lo stato critico sono multiple, cioè l'equazione può essere rappresentata come segue:
Confrontiamo con l'equazione (6)
Questa uguaglianza sarà identica soddisfatta se i coefficienti, a parità di potenze, sono uguali tra loro:
,
, (8)
.
Risolvendo il sistema di equazioni (8), otteniamo espressioni per parametri critici:
, 
, 
. (9)
Gli stessi risultati possono essere ottenuti in altro modo. Come già notato, il punto che rappresenta lo stato critico è il punto di flesso sul grafico del processo isotermico nelle coordinate , . Usiamo l'equazione (3), che definisce la pressione in funzione del volume a una temperatura fissa. Dal corso dell'analisi matematica, è noto che nel punto di flesso la prima e la seconda derivata sono uguali a zero:
(10)
(11)
Risolvendo il sistema di equazioni (3), (10), (11) rispetto a , , otteniamo per esse le stesse relazioni (9).
Determinati sperimentalmente i parametri critici, si possono trovare le singole costanti della sostanza e .
, . (12)
Pertanto, l'equazione di van der Waals descrive le proprietà di liquidi e gas e prevede l'esistenza di uno stato critico. Tuttavia, è meno universale dell'equazione di Clapeyron-Mendeleev, poiché include due costanti individuali della materia e .
II. Descrizione dell'INSTALLAZIONE.
La conoscenza dei parametri critici , , è di notevole interesse scientifico e pratico. Al di sopra della temperatura critica, una sostanza può esistere solo allo stato gassoso. Il calore latente di vaporizzazione e il coefficiente di tensione superficiale svaniscono alla temperatura critica.
Costruendo un sistema di isoterme basato sui dati sperimentali (come mostrato in Fig. 2), si può determinare la temperatura critica e altri due parametri. Questo metodo è stato applicato per la prima volta da Andrews per determinare i parametri critici dell'anidride carbonica. Quando si determina solo la temperatura critica, si può utilizzare il metodo meno ingombrante della scomparsa del menisco. La sostanza in esame viene posta in una fiala di vetro sigillata e riscaldata. Se la quantità di liquido nell'ampolla è selezionata in modo tale che durante il processo di riscaldamento il menisco rimanga praticamente al suo posto, ad un certo momento la sostanza raggiungerà uno stato critico (il menisco scomparirà). Una volta raffreddato, riapparirà e la sostanza si separerà in due fasi. La temperatura alla quale il menisco appare e scompare sarà la temperatura critica.
La determinazione della temperatura critica viene eseguita presso l'installazione, il cui schema è mostrato in Fig. 5.
L'illuminatore 1 e il termostato 2 sono montati su un supporto comune, in cui è collocata una speciale micropressa 3 con la sostanza in studio. Nella parte inferiore dell'alloggiamento dell'illuminatore sono presenti due interruttori a levetta: uno accende l'illuminatore, l'altro riscalda 4 termostati. La temperatura del termostato è controllata da due termocoppie Chromel-Copel collegate in serie. Le giunzioni di lavoro delle termocoppie 5 sono poste in prossimità della micropressa. Termo fem misurata con un voltmetro digitale 6.
Il dispositivo di una micropressa, che combina strutturalmente una camera di lavoro e una pressa in miniatura, è mostrato in Fig.6. Il volume di lavoro della micropressa è il volume di un sottile tubo di vetro 1, che viene inserito nel corpo della pressa 2. Ad entrambe le estremità, il tubo di vetro è sigillato ermeticamente con viti 3 e 4 con guarnizioni fluoroplastiche 5. All'interno della vite 4, il pistone 6 può spostarsi lungo la filettatura e modificare così il volume di lavoro. L'osservazione visiva del cambiamento nello stato della sostanza viene effettuata attraverso le fessure di osservazione nell'alloggiamento della pressa e nell'alloggiamento del termostato.
III. MISURE. ELABORAZIONE DEI RISULTATI DI MISURA.
Nel processo di esecuzione del lavoro di laboratorio, è necessario calibrare le termocoppie e costruire una curva di calibrazione. Per fare ciò, prima accendi il voltmetro, quindi, dopo 20-30 minuti, accendi i riscaldatori del termostato. Al posto di una micropressa, nel termostato viene inserito un termometro a mercurio con limiti di misura da 0°C a 350°C. Nel processo di aumento della temperatura, è necessario registrare le letture del voltmetro e del termometro Dt=20°С. Quindi è necessario accendere il riscaldamento del termostato e registrare le letture corrispondenti durante il raffreddamento. Presentare i risultati finali della calibrazione sotto forma di grafico: le letture del voltmetro in millivolt sono tracciate verticalmente u , orizzontalmente la differenza tra la temperatura del forno e la temperatura ambiente. È necessario prendere esattamente la differenza di temperatura, poiché le giunzioni "fredde" delle termocoppie sono a temperatura ambiente.
Dopo la graduazione, riempire la micropressa con la sostanza in esame dal lato della vite 3 utilizzando una siringa. In questo caso, il pistone deve essere inserito nel tubo di vetro fino alla tacca opportuna, circa 3/4 della lunghezza. Successivamente, è necessario chiudere la pressa con la vite 3 con un sigillo in modo che nessuna bolla d'aria entri nel tubo di vetro. Le viti 3 e 4 devono essere serrate saldamente. Successivamente, il pistone può essere rimosso dal tubo di vetro in modo tale che la fase gassosa risultante occupi all'incirca lo stesso volume della fase liquida. Quindi la pressa viene posizionata in un termostato in modo che la maniglia del pistone sia in alto all'esterno del termostato e il riscaldamento sia acceso.
Nel processo di riscaldamento, è necessario monitorare la posizione del menisco, spostando il pistone in una direzione o nell'altra, per non perderlo di vista. A una certa temperatura, il menisco dovrebbe scomparire. Questa è la temperatura critica. Una sostanza in uno stato critico disperde intensamente la luce e diventa bianco opaco, opaco. In questa impostazione le parti della micropressa vanno oltre il termostato, attraverso di esse avviene un'intensa rimozione del calore, quindi la temperatura nel tubo di vetro non è uniforme e si può ottenere uno stato critico solo nella parte inferiore del tubo. Questo è ciò che si osserva nell'esperimento. Nella parte superiore del tubo, in questo caso, si osserva l'interfaccia tra le due fasi.
Durante il funzionamento è necessario misurare la temperatura alla quale inizia un'intensa dispersione della luce da parte della sostanza nella parte inferiore del tubo di vetro. Quindi i riscaldatori devono essere spenti e deve essere misurata la temperatura alla quale questa dispersione scompare. Tali misurazioni vengono eseguite più volte e il valore medio viene preso come temperatura critica.
Tabella 1.
Secondo i risultati della misurazione della temperatura critica. e utilizzando i dati della tabella 1 per la pressione critica, calcolare le costanti di van der Waals e per la sostanza in esame.
DOMANDE DI PROVA
1) Perché le costanti e vengono introdotte nell'equazione di van der Waals?
2) Confronta il sistema delle isoterme reali e il sistema delle isoterme di van der Waals.
3) Come cambia la pressione di saturazione con la temperatura?
4) Parla di due metodi per derivare formule per parametri critici.
5) Scrivi l'equazione di van der Waals ridotta.
6)
Formulare la legge degli stati corrispondenti.
LETTERATURA.
1) A.K.Kikoin, I.K.Kikoin. Fisica molecolare. Ed. "Scienza", 1976, pp. 208-237.
2) D.V. Sivukhin. Corso generale di fisica. TP, ed. "Scienza", 1976, pp. 371-399.
Se una certa quantità di liquido viene posta in un recipiente chiuso, parte del liquido evaporerà e ci sarà vapore saturo sopra il liquido. La pressione, e quindi la densità di questo vapore, dipende dalla temperatura. La densità di un vapore è solitamente molto inferiore alla densità di un liquido alla stessa temperatura. Se la temperatura viene aumentata, la densità del liquido diminuirà (§ 198), mentre la pressione e la densità del vapore saturo aumenteranno. In tavola. 22 riporta i valori della densità dell'acqua e del vapore acqueo saturo per diverse temperature (e, di conseguenza, per le corrispondenti pressioni). Sulla fig. 497 gli stessi dati sono presentati sotto forma di grafico. La parte superiore del grafico mostra la variazione della densità di un liquido in funzione della sua temperatura. All'aumentare della temperatura, la densità del liquido diminuisce. La parte inferiore del grafico mostra la dipendenza della densità del vapore saturo dalla temperatura. La densità del vapore aumenta. Alla temperatura corrispondente al punto, le densità del liquido e del vapore saturo sono le stesse.
Riso. 497. La dipendenza della densità dell'acqua e del suo vapore saturo dalla temperatura
Tabella 22. Proprietà dell'acqua e del suo vapore saturo a diverse temperature
|
Temperatura, |
pressione del vapore saturo, |
Densità dell'acqua, |
Densità di vapore saturo, |
calore specifico di vaporizzazione, |
La tabella mostra che maggiore è la temperatura, minore è la differenza tra la densità del liquido e la densità del suo vapore saturo. Ad una certa temperatura (per l'acqua a ) queste densità coincidono. La temperatura alla quale la densità di un liquido e il suo vapore saturo coincidono è chiamata temperatura critica di una data sostanza. Sulla fig. 497 corrisponde al punto . La pressione corrispondente al punto è chiamata pressione critica. Le temperature critiche di varie sostanze variano notevolmente tra loro. Alcuni di essi sono riportati nella tabella. 23.
Tabella 23. Temperatura critica e pressione critica di alcune sostanze
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Sostanza |
temperatura critica, |
Pressione critica, atm |
Sostanza |
temperatura critica, |
Pressione critica, atm |
|
diossido di carbonio |
|||||
|
Ossigeno |
|||||
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etanolo |
|||||
Cosa indica l'esistenza di una temperatura critica? Cosa succede a temperature ancora più elevate?
L'esperienza mostra che a temperature superiori a quella critica, una sostanza può esistere solo allo stato gassoso. Se riduciamo il volume occupato dal vapore ad una temperatura superiore a quella critica, allora la tensione di vapore aumenta, ma non si satura e continua a rimanere omogenea: per quanto grande sia la pressione, non troveremo due stati separati da un confine netto, come sempre si osserva, a temperature più basse dovute alla condensazione del vapore. Quindi, se la temperatura di una sostanza è superiore a quella critica, l'equilibrio della sostanza sotto forma di liquido e del vapore a contatto con essa è impossibile a qualsiasi pressione.
Lo stato critico della materia può essere osservato utilizzando lo strumento mostrato in Fig. 498. Si compone di una cassetta di ferro con finestre, riscaldabili più in alto ("bagno d'aria"), e di un'ampolla di vetro con etere all'interno della vasca. Quando il bagno viene riscaldato, il menisco nell'ampolla si alza, diventa più piatto e infine scompare, il che indica il passaggio attraverso lo stato critico. Quando il bagno si è raffreddato, l'ampolla diventa improvvisamente torbida a causa della formazione di tante minuscole goccioline di etere, dopodiché l'etere si raccoglie nella parte inferiore dell'ampolla.
Riso. 498. Dispositivo per il monitoraggio dello stato critico dell'etere
Come si può vedere dalla Tabella. 22, man mano che ci si avvicina al punto critico, il calore specifico di vaporizzazione diventa sempre più piccolo. Ciò è spiegato dal fatto che all'aumentare della temperatura, la differenza tra le energie interne di una sostanza negli stati liquido e vapore diminuisce. Infatti, le forze di coesione delle molecole dipendono dalle distanze tra le molecole. Se le densità del liquido e del vapore differiscono poco, anche le distanze medie tra le molecole differiscono poco. Di conseguenza, in questo caso, anche i valori dell'energia potenziale di interazione delle molecole differiranno di poco. Anche il secondo termine nel calore di vaporizzazione - lavoro contro la pressione esterna - diminuisce all'avvicinarsi della temperatura critica. Ciò deriva dal fatto che minore è la differenza tra le densità del vapore e del liquido, minore è l'espansione che si verifica durante l'evaporazione e, quindi, minore è il lavoro svolto durante l'evaporazione.
L'esistenza di una temperatura critica è stata segnalata per la prima volta nel 1860. Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907), chimico russo che scoprì la legge fondamentale della chimica moderna: la legge periodica degli elementi chimici. Grande merito nello studio della temperatura critica spetta al chimico inglese Thomas Andrews, che ha svolto uno studio dettagliato del comportamento dell'anidride carbonica durante una variazione isotermica del volume che occupa. Andrews ha mostrato che a temperature più basse in un recipiente chiuso, è possibile la coesistenza di anidride carbonica nello stato liquido e gassoso; a temperature superiori a tale coesistenza è impossibile e l'intero recipiente è riempito solo di gas, indipendentemente da come il suo volume si riduca.
Dopo la scoperta della temperatura critica, è diventato chiaro il motivo per cui per molto tempo non è stato possibile trasformare in liquidi gas come ossigeno o idrogeno. La loro temperatura critica è molto bassa (Tabella 23). Per trasformare questi gas in un liquido, devono essere raffreddati al di sotto di una temperatura critica. Senza questo, tutti i tentativi di liquefarli sono destinati al fallimento.
Università Nazionale Tauride. IN E. Vernadsky
Dipartimento di Fisica Sperimentale
Lavoro di laboratorio № 6
DEFINIZIONE DI CRITICO
TEMPERATURE DELLA SOSTANZA
Simferopoli 2002
DEFINIZIONE DI CRITICO
TEMPERATURE DELLA SOSTANZA
ATTREZZATURA : fiala di etere, dispositivo Avenarius, autotrasformatore, termocoppia, galvanometro, diagramma di calibrazione.
PARTE TEORICA DELLE OPERE
E 
Un gas perfetto è un insieme di punti materiali non interagenti. Lo stato di un tale sistema idealizzato è descritto dall'equazione di Mendeleev-Clapeyron. Nei gas reali, invece, agiscono forze intermolecolari di natura elettrica. Quando la distanza tra due molecole è piccola, le forze repulsive agiscono tra di loro. Queste forze determinano la "dimensione" delle molecole di gas, cioè la distanza più vicina alla quale le molecole si respingono fortemente a vicenda. All'aumentare della distanza tra due molecole, la repulsione diminuisce e poi cambia segno, trasformandosi in una forza attrattiva. Quando le molecole si allontanano ulteriormente, le forze di attrazione tendono a zero. 
L'interazione tra le molecole porta al fatto che i gas reali alle temperature e alle pressioni appropriate passano allo stato liquido.
Sul Riso. uno isoterme sperimentali ottenute comprimendo un gas reale a temperatura costante T=const (T 1
In determinate condizioni (gas senza impurità, compressione lenta) è possibile ottenere lo stato CD, chiamata vapore supersaturo . In condizioni simili per l'espansione di un gas liquefatto, è possibile ottenere uno stato corrente alternata, chiamata liquido surriscaldato . Gli stati di vapore supersaturo e liquido surriscaldato sono di breve durata (metastabile). Di questi, il sistema torna rapidamente al sito corrente alternata.
All'aumentare della temperatura, ad una certa temperatura diminuisce anche la sezione orizzontale delle isoterme corrispondente alla condensazione del vapore saturo T kr(T 3 in Fig. 1) l'area di transizione è compressa in un punto A. Stato del gas al punto A chiamata stato critico della materia , e i corrispondenti valori di temperatura, pressione e volume sono detti critici. Quando ci si avvicina al punto critico, la distinzione tra il liquido e il suo vapore saturo scompare.
Se T>T cr, nessuna compressione del gas lo converte in uno stato liquido.
Descrizione del dispositivo per il monitoraggio dello stato critico della materia e la misura della temperatura critica.
In questo lavoro, la temperatura critica di una sostanza (etere etilico) è determinata dalla scomparsa e dalla comparsa di un confine visibile liquido-vapore. Fiala sigillata con etere 2 posto all'interno del riscaldatore 1 , la corrente per il riscaldatore viene fornita dalla rete tramite un autotrasformatore. La temperatura all'interno del riscaldatore è misurata da una termocoppia 3 . Ci sono finestre vetrate nelle pareti anteriore e posteriore della stufa: quella anteriore è per l'osservazione, quella posteriore è per l'illuminazione. Il riscaldatore si trova all'interno di un involucro a pareti spesse con isolamento in amianto. Thermo EMF è fissato da un millivoltmetro 4 . tabella di calibrazione 5 serve a convertire termo EMF in temperatura.
COMPLETAMENTO DEI LAVORI
Verificare che tutte le parti dell'installazione siano presenti. Fiala dal riscaldatore non togliere! Attiva la retroilluminazione. Collegare la termocoppia al galvanometro, applicare corrente al riscaldatore.
DOPO L'INIZIO DELL'ESPERIMENTO, NON È PERMESSO APRIRE IL COPERCHIO ED APPORTARE CORREZIONI ALL'INTERNO.
Quando si riscalda, osservare le letture del galvanometro collegato al circuito della termocoppia e utilizzare la curva di calibrazione per valutare la temperatura all'interno del riscaldatore. A partire da 160˚С, monitorare l'aspetto del menisco nell'ampolla.
Determina la temperatura alla quale il menisco scompare. T 1 . Spegnere l'autotrasformatore. Osservare i fenomeni che si verificano nell'ampolla. Determina la temperatura T 2 aspetto del menisco. Calcola la media:
(1)
Sperimenta tre volte. Calcolare l'errore nel determinare la temperatura critica.
DOMANDE DI PROVA
Descrivi la natura delle forze intermolecolari in un gas reale.
Immagine su PV– diagramma isotermico del gas reale e interpretarne il carattere.
Immagine su PV–diagramma e interpreta il decorso delle isoterme dei gas di van der Waals.
Come è il dispositivo per osservare lo stato critico della materia e misurare la temperatura critica?
Compito. Uno dei modelli di gas reali proposti da Berthelot corrisponde alla seguente equazione di stato:
dove a, b sono costanti. Trovare T cr, P cr e V cr per il gas di Berthelot, esprimendo queste quantità in termini di costanti aeb.
LETTERATURA:
D.V. Sivuchin. Termodinamica e fisica molecolare.
(Corso generale di fisica).
La temperatura corporea è uno dei fattori più importanti necessari per il metabolismo. È un indicatore dello stato del corpo e varia a seconda dell'influenza di fattori esterni e interni. Se non ti senti bene e compare una temperatura critica, devi contattare urgentemente un istituto specializzato. Dopotutto, può essere un presagio di molte malattie.
Fattori che influenzano la temperatura corporea
Cambia a causa dell'influenza di vari fattori, sia l'ambiente che le caratteristiche interne dell'organismo, ad esempio:
subacuto.
Cronico.
Momenti della giornata. La temperatura oscilla molto spesso a causa dei cambiamenti dell'ora del giorno. A questo proposito, al mattino la temperatura corporea può essere leggermente inferiore (di 0,4-0,7 gradi), ma non inferiore a +35,9°C. E verso sera la temperatura, al contrario, può salire leggermente (di 0,2-0,6 gradi), ma non superiore a +37,2°C.
Età. Nei bambini, la temperatura è spesso superiore a 36,6 gradi e negli adulti di età superiore ai 60-65 anni la temperatura abituale scende.
Stato di salute. Se c'è un'infezione nel corpo umano, la temperatura (per combatterla) aumenta.
Gravidanza. Nelle donne in gravidanza nelle prime fasi, la temperatura non dovrebbe scendere sotto i 36 gradi e salire sopra i 37,5 gradi.
Caratteristiche individuali dell'organismo.
Influenza ambientale.
Classificazione della temperatura corporea
Se si analizzano le diverse letture del termometro, la temperatura può essere suddivisa in diversi tipi e classificazioni.
Tipi di temperatura secondo una delle classificazioni (secondo il livello di ipertermia):
Basso e ridotto. Il valore sul termometro è inferiore a 35°C.
Normale. Il valore sul termometro è compreso tra 35-37°C.
Subfebbrile. Il valore sul termometro è compreso tra 37-38°C.
Febbrile. Il valore sul termometro è compreso tra 38-39°C.
piretico. Il valore sul termometro è compreso tra 39-41°C.
Iperpiretico. Il valore sul termometro è superiore a 41°C.
La divisione della temperatura a seconda della durata:
Un'altra classificazione dei tipi di temperatura:
Ipotermia - bassa temperatura corporea (inferiore a 35 ° C).
Temperatura normale. Questo tipo di temperatura corporea oscilla tra 35-37 ° C e varia da molti fattori, che sono stati discussi sopra.
Ipertermia - temperatura corporea elevata (sopra i 37 ° C).
Temperatura corporea entro limiti normali
La temperatura corporea media, come accennato in precedenza, può cambiare sotto l'influenza di vari fattori. Può essere misurato non solo sotto le ascelle, ma anche nella bocca, nella cavità dell'orecchio e nel retto. A seconda di ciò, i dati sul termometro possono variare, i valori delle temperature critiche saranno molto più alti o più bassi rispetto alle norme qui presentate.
In bocca, le letture del termometro saranno 0,3-0,6 ° C in più rispetto a quelle misurate sotto le ascelle, ovvero 36,9-37,2 ° C qui saranno considerate la norma. Nel retto, le letture del termometro saranno 0,6-1,2 ° C più alte, cioè la norma è 37,2-37,8 ° C. Nella cavità dell'orecchio, le letture del termometro saranno le stesse del retto, cioè 37,2-37,8 ° C.
Questi dati non possono essere considerati accurati per ogni persona. Secondo molti studi, tali indicatori si verificano nella maggior parte delle persone: si tratta di circa il 90%, ma nel 10% delle persone la temperatura corporea normale differisce dalla maggioranza e gli indicatori possono fluttuare verso l'alto o verso il basso.
Per scoprire quale temperatura è la norma, è necessario misurare e registrare le letture durante il giorno: mattina, pomeriggio e sera. Dopo tutte le misurazioni, è necessario trovare la media aritmetica di tutti gli indicatori. Per fare ciò, è necessario aggiungere gli indicatori mattina, pomeriggio e sera e dividere per 3. Il numero risultante è la normale temperatura corporea media per una determinata persona.
Temperatura corporea critica
Sia fortemente ridotto che fortemente aumentato possono diventare critici. Le alte temperature negli esseri umani sono molto più comuni di quelle basse. Quando la temperatura scende a 26-28 ° C, c'è un rischio molto alto che una persona cada in coma, ci saranno problemi di respirazione e cuore, ma queste cifre sono individuali, poiché ci sono molte storie confermate su come, dopo una grave ipotermia, le persone sono riuscite a sopravvivere fino a 16-17 °C. Ad esempio, una storia che dice che una persona ha trascorso circa cinque ore in un enorme cumulo di neve senza possibilità di uscire e sopravvivere, la sua temperatura è scesa a 19 gradi, ma sono riusciti a salvarlo.
Bassa temperatura corporea
Il limite di bassa temperatura è considerato una temperatura inferiore a 36 gradi o compresa tra 0,5 e 1,5 gradi al di sotto della temperatura individuale di una persona. E il limite di bassa temperatura è considerato la temperatura inferiore di oltre 1,5 ° C rispetto alla norma.
Ci sono molte ragioni per una diminuzione della temperatura, ad esempio ridotta immunità, esposizione prolungata al gelo e, su questa base, ipotermia del corpo, malattie della tiroide, stress, avvelenamento, malattie croniche, vertigini e persino affaticamento banale.
Se la temperatura corporea è scesa a 35 ° C, è necessario chiamare urgentemente un'ambulanza, perché. questo indicatore nella maggior parte dei casi è critico e possono verificarsi conseguenze irreversibili!
Quale temperatura critica dovrebbe avvisare?
Una temperatura che parte da 37 gradi è considerata subfertile e spesso indica la presenza di infiammazioni, infezioni e virus nell'organismo. La temperatura da 37 a 38 gradi non può essere abbassata con l'aiuto di farmaci, perché. nel corpo c'è una lotta tra le cellule sane e quelle che causano malattie.
Molti sono i sintomi che indicano un aumento della temperatura, come ad esempio: debolezza, affaticamento, brividi, mal di testa e dolori muscolari, perdita di appetito e sudorazione. Dovrebbero prestare maggiore attenzione per evitare che la temperatura salga a 38,5 gradi.
La temperatura corporea critica è di 42 ° C e nella maggior parte dei casi il segno di 40 gradi è già fatale. L'alta temperatura porta a conseguenze irreversibili nel cervello, il metabolismo nei tessuti cerebrali è disturbato.
In questo caso, quando la temperatura sale oltre i 38,5 gradi, il riposo a letto è importante, prendendo antipiretici e una visita obbligatoria da un medico o una chiamata in ambulanza! Per prevenire la morte a temperatura molto alta o bassa, non automedicare, ma consultare sempre un medico in grado di determinare correttamente la causa di tale temperatura, fare una diagnosi e prescrivere il trattamento corretto ed efficace!
Esiste un fenomeno così naturale che gli scienziati chiamano superconduttività e gli ingegneri: "il futuro dell'energia, della medicina, dei trasporti ad alta velocità e degli affari militari". Nonostante il fatto che i primi materiali superconduttori siano stati scoperti più di cento anni fa, sono stati usati relativamente di recente e solo in pochi strumenti piuttosto specifici, come il Large Hadron Collider o nella risonanza magnetica. Come mai? Perché ancora non comprendiamo appieno come funzioni questo fenomeno. Nel nuovo materiale, gli editori N+1 Ho cercato di raccontare nel modo più breve e semplice possibile diverse versioni scientifiche dell'emergere della superconduttività, dopo aver affrontato le quali capirai su cosa i fisici di tutto il mondo si sono scervellati per un secolo.
Allora, cos'è la superconduttività? Questa proprietà di alcune sostanze di avere una resistenza rigorosamente zero al di sotto di una certa temperatura è chiamata critica. Il secondo criterio obbligatorio in base al quale questo o quel composto è classificato come superconduttore è l'effetto Meissner - la capacità dei materiali di spingere un campo magnetico fuori dal suo volume quando raffreddati, ancora, al di sotto della temperatura critica.
La levitazione di un superconduttore su un magnete è una manifestazione dell'effetto Meissner.
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Il fenomeno della superconduttività è allo stesso tempo unico e del tutto "ordinario". È unico per la sua vasta gamma di applicazioni esistenti e possibili: trasmissione di corrente elettrica senza dispersioni di energia per cavi riscaldanti, produzione di magneti superpotenti, rivelatori vari, magnetometri SQUID, treni a levitazione magnetica e persino hoverboard.
E "ordinario", perché la superconduttività, come si è scoperto, si manifesta in un numero enorme di composti: qui e, ossidi metallici e conduttori organici, fulleridi metallici, contenenti ferro e calcogenuri e molti altri. Pertanto, le notizie sulla scoperta di un altro nuovo superconduttore non sorprendono più nessuno, soprattutto gli scienziati.
Ma fino ad ora, più di cento anni dopo la scoperta della superconduttività, tutti i tentativi di applicazione pratica si scontrano con il problema principale: la bassa temperatura critica. Per questo motivo, per lavorare con prodotti superconduttori, è necessario costruire ingombranti sistemi di raffreddamento utilizzando azoto liquido o anche elio liquido costoso. Ma se fosse possibile trovare un materiale con una temperatura critica dell'ordine della temperatura ambiente, i treni levitanti e l'elettronica superconduttrice potrebbero trasformarsi dai sogni dei futurologi nella realtà quotidiana.
I fisici che studiano nuovi superconduttori di solito non mirano ad aumentare la loro temperatura critica. Parlano dei meccanismi - le ragioni che portano al fatto che un particolare composto mostra proprietà superconduttive. Gli scienziati ritengono che sia la comprensione di questi meccanismi che consentirà di prevedere i composti non solo con una temperatura critica più elevata, ma anche con altri parametri altrettanto importanti, come un campo magnetico critico, la densità di corrente e altri.
Il principale meccanismo riconosciuto per il verificarsi della superconduttività è considerato l'interazione elettrone-fonone, quando si verifica attrazione tra due elettroni sotto l'influenza delle vibrazioni del reticolo cristallino e si formano le cosiddette coppie di Cooper. È così che si manifesta la superconduttività secondo la teoria del Nobel di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Sono stati proposti anche altri meccanismi, come il magnon o l'eccitone. Nel primo, l'accoppiamento di elettroni si verifica a causa dei magnoni piuttosto che dei fononi, e nel secondo, gli eccitoni nello stato condensato di Bose sono responsabili della superconduttività.
Ma fino ad ora c'è stata una disputa tra gli scienziati sull'esistenza di altri meccanismi oltre al meccanismo fononico - il fatto è che in alcuni casi i dati sperimentali possono essere interpretati in modi diversi. Pertanto, i fisici che studiano la superconduttività si sono divisi in due campi opposti e, a quanto pare, inconciliabili: aderenti alla BCS classica, che stanno cercando di modificare in qualche modo la teoria per adattarla a nuovi dati, e coloro che considerano i nuovi meccanismi un riflesso di processi reali che si verificano nei superconduttori.
Se questi o quei meccanismi sono reali sarà mostrato da nuovi dati sperimentali. Abbiamo studiato la moderna letteratura scientifica su questo argomento e abbiamo cercato di essere il più semplicistici possibile su come processi molto diversi e apparentemente non correlati possano portare alla superconduttività. Abbiamo anche prestato attenzione a vari effetti che possono influenzare la temperatura critica di un particolare superconduttore.
Storia uno: fononi
Superconduttore: elementi semplici, alcune loro leghe e altri composti.
Meccanismo: interazione elettrone-fonone (teoria BCS classica).
Articoli: Teoria della superconduttività // Phys. Rev. 108, 1175 (1957).
Leon N. Cooper, coppie di elettroni legati in un gas di Fermi degenerato, Phys. Rev. 104, 1189 (1956).
J. Bardeen, L. N. Cooper e J. R. Schrieffer, Teoria microscopica della superconduttività // Phys. Rev. 106, 162 (1957).
Temperatura ambiente, conduttore normale. Gli atomi del reticolo cristallino (più precisamente, ioni con carica positiva) oscillano - in direzioni diverse, con frequenze diverse. Queste "onde di oscillazione" sono descritte dai fisici come quasi-particellefononi , e ogni fonone ha la sua frequenza ed energia. Gli elettroni di conduzione si muovono quasi casualmente tra questi ioni vibranti, cambiano direzione, interagiscono con gli ioni e tra loro. Come risultato di queste interazioni, gli elettroni rinunciano a parte della loro energia, disperdendola sugli atomi circostanti: questo è il motivo della comparsa di una resistenza diversa da zero nei conduttori.
Sotto la stanza, sopra la critica, un normale direttore d'orchestra. Le vibrazioni degli atomi causate dalla temperatura vengono smorzate, ma non completamente. Gli elettroni continuano a dissipare energia, ma è già molto più facile per loro muoversi: gli atomi non "sfarfallano" tanto nel loro percorso. La resistenza diminuisce gradualmente.
Temperatura critica, transizione superconduttiva. Ci sono ancora meno fononi: gli atomi quasi non vibrano. Sorge un nuovo stato "conveniente" per gli elettroni: accoppiarsi con un valore zero totale di quantità di moto e spin. L'unificazione avviene a causa dell'interazione con le vibrazioni degli ioni nel reticolo cristallino, cioè con i fononi. Ma questi fononi non sono quelli sopra menzionati - fluttuazioni di temperatura, ma " virtuale» - causato dal movimento degli elettroni. Come risultato di questa interazione, le coppie di elettroni, che sono chiamate Bottaio, diventa non redditizio dissipare energia sugli atomi del reticolo. Ci sono ancora "elettroni ordinari" nel materiale, ma la corrente scorre lungo il percorso di minor resistenza - si precipita bruscamente a zero.
Al di sotto della temperatura critica, superconduttore. Ci sono sempre più coppie di Cooper. Poiché la coppia ha uno spin intero (-1/2+1/2 = 0 o, più raramente, 1/2+1/2 = 1), tale "particella totale" è un bosone. E per i bosoni, il divieto di Pauli non si applica: possono trovarsi contemporaneamente nello stesso stato quantistico o allo stesso livello di energia. Sempre più coppie "cadono" a questo livello di energia - formate condensato di bose. In un condensato Bose, le particelle si comportano coerentemente(coerentemente) e il loro corso dissipativamente(nessuna perdita di energia).
A rigor di termini, la teoria di Bose-Einstein si occupa di gas ideali e non di complessi sistemi interagenti come gli elettroni nei superconduttori. Ma l'essenza dei processi - la possibilità per le particelle di "raccogliersi" allo stesso livello di energia - è la stessa. Pertanto, ci permetteremo di tracciare una tale analogia.
Come si formano le coppie di Cooper? Gli elettroni, che volano tra atomi caricati positivamente, provocano la loro attrazione verso se stessi, come verso una regione di carica negativa. Ma gli atomi sono "lenti", sono molto più pesanti e si muovono più lentamente. Di conseguenza, viene creata una regione di carica positiva dopo l'elettrone che passa. Un altro elettrone ne è attratto. E così, in coppia, si muovono lungo il reticolo cristallino tra gli atomi, senza dissipare energia nelle collisioni. I fisici chiamano questo processo l'interazione degli elettroni con i fononi virtuali del reticolo cristallino.
Perché le coppie di Cooper non dissipano energia? Per spiegare perché gli elettroni non perdono la loro energia, dobbiamo rivolgerci al concetto spettro elettronico- dipendenze dell'energia dal vettore d'onda. Un superconduttore, a differenza di un normale metallo, ha uno speciale spacco- area degli stati proibiti. Cioè, un elettrone non può occupare uno stato con energia da questa regione proibita. Il divario "si apre" proprio alla temperatura critica e continua a "crescere" quando si raffredda. Nei superconduttori, nel mezzo di questo divario, c'è un livello con energia consentita, in cui si trovano le coppie di Cooper. Ma al di sopra e al di sotto di questo livello c'è una "zona proibita", il che significa che le coppie di elettroni sembrano essere bloccate a questo livello nel mezzo del divario. Possono perdere o assorbire energia solo in porzioni più grandi del gap di banda: alle basse velocità della coppia Cooper, questo è un processo quasi impossibile. C'è un movimento non dissipativo (senza perdita di energia) degli elettroni di conduzione attraverso il reticolo cristallino: questa è la superconduttività. Aggiungiamo che tale gap non è lo stesso del gap di banda nei semiconduttori e nei dielettrici, a causa del quale la conduttività scompare del tutto o diminuisce con la temperatura. Dielettrici o semiconduttori non hanno alcun livello con le coppie di Cooper nel bandgap e la conduzione stessa può verificarsi (per non parlare della superconduttività) solo se un elettrone può guadagnare energia per "saltare" oltre la barriera.
A questo punto, vale la pena fare un piccolo chiarimento. Quasi nessuno degli scienziati dubita che la corrente superconduttrice derivi dalla formazione di coppie di Cooper o altre particelle di Bose e dalla loro condensazione allo stesso livello di energia. Sorgono controversie in merito Come si formano esattamente queste particelle di Bose?. La teoria BCS suggerisce l'interazione elettrone-fonone come tale meccanismo. Ma perché non "usare" altre quasiparticelle per questo? Questo è ciò di cui parla la nostra prossima storia.
Storia due: Magnon
Superconduttore: ZrZn 2 e altri.
Meccanismo: formazione di coppie di triplette di Cooper dovute al fenomeno del ferromagnetismo degli elettroni collettivizzati.
Articolo: C. Pfleiderer et. al Coesistenza di superconduttività e ferromagnetismo nel metallo in banda d ZrZn 2 / Nature 412, 58-61 (2001).
D. Fay e J. Appel Coesistenza della superconduttività dello stato p e del ferromagnetismo itinerante / Phys. Rev. B 22, 3173 (1980).
Temperatura ambiente, metallo paramagnetico.
Un elettrone in un solido è influenzato dalle forze di repulsione coulombiana di altri elettroni, dall'attrazione degli ioni del reticolo cristallino, nonché dalle forze interazione di scambio tra elettroni. Questi ultimi sono di natura puramente quantistica e sono dovuti alla presenza di elettroni indietro- momento angolare corretto, che assume i valori ±½. Sono le interazioni di scambio che più spesso causano l'ordinamento magnetico nei materiali, una classe di fenomeni noti come ferro, ferri e antiferromagnetismo. In molti casi, questi fenomeni si verificano quando la sostanza non è un conduttore, cioè gli elettroni in essa contenuti localizzato, o "attaccato" a uno ione specifico. Questa storia parla di ferromagnetismo. collettivizzato elettroni, cioè "mobili" - responsabili della conduttività.
Temperatura di ordinamento ferromagnetico, metallo ferromagnetico. L'interazione di scambio di elettroni in un conduttore in alcuni casi può portare al fatto che gli spin degli elettroni, "volando" casualmente avanti e indietro in un normale conduttore, iniziano improvvisamente a "guardare" nella stessa direzione. In linea di principio, una situazione simile può essere osservata in una folla in corsa di persone spaventate. Una sola persona in mezzo alla folla può correre in una direzione completamente caotica, scontrarsi con altre persone, muri e recinzioni, provocando un effetto simile alla resistenza dei normali metalli. Ma la maggior parte delle persone molto probabilmente correrà con i piedi piuttosto che con le braccia, quindi la loro "schiena" - la direzione dai piedi alla testa - corrisponderà. Pertanto, se la temperatura (la velocità media delle persone nella folla) è sufficientemente bassa, la maggior parte degli spin degli elettroni sarà codirezionale e il materiale sarà un metallo ferromagnetico.
Temperatura critica di transizione superconduttore, ferromagnete-superconduttore. Sebbene gli spin dei singoli elettroni siano co-diretti, non sono fissati rigidamente in una direzione particolare. Possono oscillare, ribaltarsi e rompere l'ordine rigoroso. Ma, deviando dalla direzione generale, uno spin particolare induce a "rompere la pace" e gli elettroni vicini, e loro, a loro volta, cercano di riportarlo al suo stato originale. Ciò è dovuto al fatto che in un ferromagnete, gli elettroni energeticamente benefico hanno spin codirezionali, poiché sono interconnessi dall'energia dell'interazione di scambio. A causa di questo guadagno di energia, alle basse temperature, qualcosa di simile all'attrazione inizia ad apparire tra gli elettroni: si combinano in coppie. Ma, a differenza del superconduttore "fonone", lo spin totale di questa coppia non è uguale a zero, ma all'unità, poiché gli spin sono codirezionali. Un tale fenomeno è chiamato tripletta superconduttività. E vengono chiamati "problemi" che possono capovolgere gli spin e diffondere disordine agli elettroni vicini magnon. Sono i magnoni che aiutano gli elettroni a combinarsi in coppie durante la transizione superconduttiva.
Storia tre: Eccitoni
Superconduttore: materiali artificiali costituiti da diversi strati ordinati di dielettrici e semiconduttori, ogni strato ha uno spessore di quasi un atomo.
Meccanismo: Condensazione di Bose-Einstein di eccitoni indiretti.
Articoli : JP Eisenstein, AH MacDonald Condensazioni Bose-Einstein di eccitoni in sistemi di elettroni a doppio strato / Nature 432, 691-694 (9 dicembre 2004).
M. M. Fogler, L. V. Butov e K. S. Novoselov Superfluidità ad alta temperatura con eccitoni indiretti nelle eterostrutture di van der Waals / Nature Communications 5, 4555 (2014).
Temperatura ambiente, nessuna superconduttività. Il materiale sorgente è un "mucchio" artificiale di strati monoatomici di dielettrici (materiali che non conducono corrente) e semiconduttori (corrente conduttiva, ma peggio dei veri conduttori). Affinché si verifichi una corrente in un semiconduttore, gli elettroni devono ricevere energia sufficiente per "saltare" attraverso zona proibita. Quando un elettrone "salta" e diventa conduttivo, a Foro, o, semplicemente, l'assenza di un elettrone. Elettrone + buco = eccitone. È vero, affinché un eccitone si formi da un elettrone e una lacuna, devono essere interconnessi, cioè devono avere un'energia leggermente inferiore all'energia totale delle singole particelle - solo in questo caso si muovono attraverso il materiale in un modo coordinato. Altrimenti, ad esempio, un elettrone "leggero" può semplicemente "volare via" e un buco "goffo" non sarà in grado di stargli dietro.
La temperatura è al di sopra della temperatura critica, al di sotto della temperatura ambiente, non c'è superconduttività. Se solo gli eccitoni ordinari (che si propagano all'interno dello strato semiconduttore) potessero esistere in un tale materiale multistrato, non si potrebbe sperare in alcuna superconduttività. Ma gli strati di dielettrico e semiconduttore si trovano al suo interno in modo non casuale. Sono un "hamburger", in cui la cotoletta è un dielettrico non conduttivo e due strati di pane sono semiconduttori con elettroni liberi, buchi ed eccitoni "non liberi". In un tale "hamburger" può formarsi eccitoni indiretti. Ciò richiede che un elettrone dal pezzo inferiore di "pane" voli attraverso la "cotoletta", rimanga bloccato nel pezzo superiore, pur rimanendo collegato al suo foro dal pezzo inferiore di "pane". Pertanto, è possibile creare condizioni in cui gli elettroni si accumuleranno in uno strato di pane semiconduttore e buchi nell'altro strato. Quindi lo strato di cotoletta dielettrico impedirà all'elettrone di tornare al suo posto originale, creando una barriera energetica. Cioè, affinché un elettrone possa tornare indietro, deve spendere energia aggiuntiva per questo.
La temperatura critica della condensazione di Bose-Einstein, l'emergere della superconduttività. Un eccitone ha spin zero, il che significa che è un bosone. Pertanto, gli eccitoni possono formare un condensato di Bose, proprio come le coppie di Cooper. D'altra parte, la carica della coppia di Cooper è uguale a due cariche dell'elettrone, ma la carica dell'eccitone è zero. Il movimento di zero cariche non può creare una corrente, da dove viene la conduzione, e anche con il prefisso super-? Quegli stessi eccitoni indiretti aiuteranno in questo. Con il loro aiuto, la carica dell'eccitone è divisa in due parti, quindi gli elettroni negativi apparterranno a uno strato del semiconduttore e i buchi positivi all'altro. Ora puoi "saldare" i contatti conduttivi, ad esempio, allo strato superiore del pane semiconduttore e applicare loro tensione: gli elettroni dello strato superiore inizieranno a muoversi e con loro si muoveranno anche i fori dello strato inferiore, creando correnti in direzioni opposte. Se la temperatura viene abbassata abbastanza da far condensare gli eccitoni allo stesso livello di energia, si muoveranno attraverso il materiale senza perdere energia. In ogni strato del semiconduttore si osserverà la superconduttività - buco o elettronica.
Al di sotto della temperatura critica, superconduttore. Questo metodo per creare superconduttività artificiale ha i suoi svantaggi. Ad esempio, gli elettroni torneranno comunque nelle lacune a causa del fenomeno tunneling. In questo caso, gli eccitoni "scompariranno" (i fisici chiamano questo processo ri combinazione), e la conduttività totale - a cadere. Inoltre, la creazione di tali eccitoni di per sé richiede energia, perché l'elettrone deve essere "lanciato" attraverso la barriera creata dal dielettrico. Man mano che la temperatura scende, diventa più difficile creare nuovi eccitoni, quindi è ancora difficile dire se un tale "hamburger" artificiale di semiconduttori e dielettrici possa mai sostituire un vero superconduttore.
Vale la pena notare che oltre al "superconduttore eccitone" artificiale menzionato nella storia precedente, esiste anche un termine come "meccanismo di superconduttività degli eccitoni" e questi fenomeni non sono esattamente la stessa cosa. Nell'esempio sopra, infatti, non ci sono coppie di Cooper. Il meccanismo dell'eccitone è simile a quello del fonone della teoria BCS, solo il collegamento tra due elettroni della coppia di Cooper in esso non sono i fononi, ma gli eccitoni nello stato condensato di Bose. In entrambi i meccanismi, tale connessione porta al fatto che gli elettroni caricati negativamente sembrano provare attrazione l'uno per l'altro (sebbene, secondo la legge di Coulomb, dovrebbero respingersi a vicenda). Infatti, entrambi gli elettroni sono attratti nella regione della carica positiva temporaneamente emergente creata da fononi o eccitoni. Inoltre, poiché gli eccitoni sono più facili da "creare", si ritiene che un tale meccanismo possa spiegare gli alti valori della temperatura critica per alcuni materiali.
Storia quattro: fluttuazioni
Superconduttore:
seleniuro di ferro FeSe e altri.
Meccanismo: fluttuazioni di spin in composti contenenti ioni con momento magnetico diverso da zero, combinati in una transizione di fase strutturale nematica.
Articolo : Qisi Wang et. al Forte interazione tra fluttuazioni di spin della striscia, nematicità e superconduttività in FeSe / Nature Materials, 15, 159–163 (2015).
Fa Wang, Steven A. Kivelson e Dung-Hai Lee Nematicità e paramagnetismo quantistico in FeSe / Nature Physics 11, 959–963 (2015).
Temperatura ambiente, paramagnetico. Questo meccanismo è possibile solo se il materiale contiene ioni con un momento magnetico diverso da zero, ciò significa che il totale roteare(caratteristica quantistica - momento angolare intrinseco) degli elettroni localizzati in uno ione non è uguale a zero. Tali materiali sono paramagneti. I momenti magnetici possono interagire tra loro, ordine, motivo per cui molti materiali mostrano proprietà ferromagnetiche, antiferromagnetiche e altre opzioni più esotiche. A temperatura ambiente, le vibrazioni termiche degli ioni reticolari interferiscono con l'ordine dei momenti magnetici, fluttuano in modo quasi casuale: la sostanza rimane paramagnetica.
Al di sotto della temperatura ambiente, paramagnetico. Al diminuire della temperatura, le oscillazioni si indeboliscono e le interazioni magnetiche, al contrario, iniziano ad aumentare. I momenti magnetici ora oscillano in modo più consistente, tendendo a trovare una posizione “vantaggiosa”, ma a causa della simmetria del reticolo cristallino (tetragonale, cioè un parallelepipedo rettangolare con a = b ≠ c), non esiste uno stato unico con a energia minima. Per abbassare l'energia, iniziano i momenti magnetici disposti in un reticolo quadrato incatenarsi- c'è un movimento predominante attorno a una certa direzione.
Transizione di fase nematica, paramagnete. Roteare fluttuazioni(vibrazioni) ora danno un contributo significativo rispetto alle vibrazioni degli ioni reticolari. I "tentativi" di spin per allinearsi in catene alla fine iniziano a influenzare il reticolo cristallino, abbassandone la simmetria (ora a ≠ b ≠ c - ortorombico). C'è una fase nematico transizione (la cosiddetta transizione con una simile diminuzione della simmetria del reticolo cristallino). A sua volta, migliora ulteriormente l'anisotropia delle oscillazioni di spin, che alla fine si allineano in catene. Ma non si verifica un ordinamento completamente magnetico, poiché le catene non possono "fissarsi" in nessuna posizione particolare, poiché tale stato non è stabile.
Fase nematica, paramagnete. Le fluttuazioni di spin sono i "fratelli minori" dei magnon (i magnon sono chiamati fluttuazioni di spin nei magneti ordinati). Di norma, i "tentativi di spin" per allinearsi in una certa direzione portano alla fine a una transizione di fase magnetica e la sostanza diventa, ad esempio, un antiferromagnete. Tuttavia, in alcuni materiali ciò è ostacolato dalle vibrazioni degli ioni del reticolo cristallino. Sono questi materiali che sono candidati per i superconduttori.
Temperatura critica della transizione superconduttrice. Quando la temperatura della transizione superconduttrice si avvicina, l'energia delle fluttuazioni di spin diventa paragonabile alle vibrazioni del reticolo. L'ordine magnetico non ha tempo per essere stabilito, ma il comportamento coerente degli elettroni dovuto alle fluttuazioni di spin limita la "lista" di possibili stati per gli elettroni. Ciò porta alla comparsa di uno spazio vuoto nello spettro elettronico e la transizione magnetica viene "sostituita" da una superconduttrice. Pertanto, le fluttuazioni di spin, insieme alle vibrazioni del reticolo cristallino e a un cambiamento nella sua simmetria, portano alla fine a un altro modo di formare coppie di Cooper.
/ Fis. Rev. Lett. 101, 026406 (2008).
S.V. Borisenko et. al Osservazione diretta dell'accoppiamento spin-orbita in superconduttori a base di ferro / Nature Physics, 12, 311–317 (2015).
Da temperatura ambiente a critica. L'interazione spin-orbita influenza lo spettro elettronico, "interferendo" così con le proprietà conduttive. Questo fenomeno - l'interazione tra un elettrone in movimento e il suo stesso spin - si manifesta in modo più forte alle alte velocità di movimento degli elettroni (in fisica quantistica operano con il concetto di quantità di moto), cioè è un effetto relativistico. Influisce sulle proprietà elettroniche di tutti i composti, ma il suo contributo è maggiore, maggiore è il numero atomico nella tavola periodica, poiché le "velocità" degli elettroni a livelli di energia più elevati sono molto più elevate. In LiFeAs e altri arseniuri di ferro superconduttori, il contributo dell'interazione spin-orbita risulta essere sufficiente per influenzare notevolmente la struttura elettronica. Immagina di tenere in mano una palla di plastilina. L'azione dell'interazione spin-orbita sulla struttura elettronica può quindi essere immaginata come se si creassero ammaccature e rigonfiamenti su questa palla con le dita, distorcendo così la sua forma originale.
In conclusione, possiamo dire che le nostre storie elencano solo alcuni dei possibili processi che alla fine portano alla superconduttività. Tutti loro, incluso il classico meccanismo elettrone-fonone, possono essere combinati in un materiale o uno di essi sarà il principale per una particolare sostanza. Forse tutti questi numerosi e complessi meccanismi sono solo una parte di qualche legge fisica globale che gli scienziati devono ancora scoprire. Ma potrebbe anche risultare che la natura è molto più complessa e sfaccettata di quanto possiamo immaginare, e semplicemente non esiste un'unica legge di superconduttività.
Ekaterina Kozlyakova
