ტიუმენის სახელმწიფო უნივერსიტეტი
მოლეკულური ფიზიკის დეპარტამენტი
კრიტიკული ტემპერატურის განსაზღვრა
მოკლედ ვამბობ თეორიას
1. რეალური აირები.
კლაპეირონ - მენდელეევის მდგომარეობის განტოლება საკმაოდ კარგად აღწერს ექსპერიმენტებით ცნობილი აირების თვისებებს. თუმცა, ეს არის სავარაუდო და გამოდის ძალაში მხოლოდ საკმარისად დაბალი წნევის დროს. გარდა ამისა, გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ წნევისა და ტემპერატურის გარკვეულ მნიშვნელობებზე აირები კონდენსირდება, ე.ი. მოვიდეს თხევად მდგომარეობაში. კლაპეირონ - მენდელეევის განტოლება არ აღწერს ამ ფენომენს. ამ შემთხვევაში, რეალური აირის იზოთერმს აქვს დამახასიათებელი ფორმა (სურ. 1).
განვიხილოთ ABCD– ის მიმართულებით შედგენილი ამ სქემის შესაბამისი პროცესი. იზოთერმის AB ნაწილი აღწერს გაზის შეკუმშვის პროცესს კონდენსაციის დაწყებამდე. ის სავსებით შეიძლება დაემთხვეს კლაპერონ-მენდელეევის განტოლებით გამოთვლილ იზოთერმას (ნაჩვენებია წერტილოვანი ხაზით). ამასთან, გარკვეულ წნევაზე რეალურ ნივთიერებასთან განხორციელებულ პროცესში დაიწყება კონდენსაცია (გრაფიკი B წერტილი). ამ წნევას ეწოდება ორთქლის წნევა, ან უბრალოდ გაჯერების წნევა.
ძვ.წ. გრაფიკის ნაწილი აღწერს მატერიის ორფაზიან მდგომარეობას. მოცულობის შემცირებით, ნივთიერების მზარდი ნაწილი გადადის ორთქლის მდგომარეობიდან თხევად მდგომარეობაში. წერტილი C წარმოადგენს მდგომარეობას, როდესაც ყველა მატერია გადაიქცა თხევად. დაბოლოს, CD აღწერს თხევადი შეკუმშვის პროცესს, გრაფიკი თითქმის ვერტიკალური ღერძის პარალელურად მიმდინარეობს და ასახავს ცნობილ ფაქტს: სითხეებს გაცილებით ნაკლები აქვთ შეკუმშვა, ვიდრე გაზები.
თუ ჩვენ ვატარებთ მსგავს იზოთერმულ პროცესებს ერთი და იმავე რაოდენობის მატერიით სხვადასხვა ტემპერატურაზე, მივიღებთ ნახაზში ნაჩვენები იზოთერმების სისტემას.
უფრო მაღალი ტემპერატურის შესაბამისი მოსახვევები განლაგებულია წარმოშობიდან უფრო შორს. ტემპერატურის მატებასთან ერთად, იზოფერმული ჰორიზონტალური ნაწილები, რომლებიც აღწერენ ორფაზიან მდგომარეობას, მცირდება და გარკვეულ ტემპერატურაზე გადადის ერთ წერტილში. ამ ტემპერატურას კრიტიკული ეწოდება.
კრიტიკულ ტემპერატურაზე მაღლა, შეუძლებელია ნივთიერების მიღება ორფაზა მდგომარეობაში.
2. ვან დერ ვაალის განტოლება. ვან დერ ვაალის იზოთერმები.
იდეალური აირის მდგომარეობის განტოლება მაღალი სიმკვრივით ვერ იძლევა კარგ შეთანხმებას ექსპერიმენტთან, ვინაიდან როდესაც დაიწერა, ვარაუდობდნენ, რომ მოლეკულებს არ აქვთ ზომები და არ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. მდგომარეობის განტოლების მისაღებად, რომელიც დამაკმაყოფილებლად აღწერს რეალური აირების თვისებებს, აუცილებელია გავითვალისწინოთ მოლეკულების ზომა ან საძაგელი ძალები, რომლებიც წარმოიქმნება ერთმანეთისგან მცირე მანძილზე მდებარე მოლეკულებს შორის. გარდა ამისა, უნდა გავითვალისწინოთ მოლეკულებს შორის მიზიდულობის ძალები.
თქვენ შეგიძლიათ მიიღოთ საფუძველი კლაპეირონის - მენდელეევის მდგომარეობის განტოლება და შეიტანოთ შესაბამისი ცვლილებები მასში. ჩვენ გავითვალისწინებთ მომაბეზრებელ ძალებს ან მოლეკულების ზომებს კლაპეირონ – მენდელეევის განტოლებაში მოცულობის შესწორების გაზი ერთი კილომოლი გაზისთვის
(1)
(2)
მეორე გამოთქმიდან ჩანს, რომ ზეწოლა უსასრულობისკენ მიდის, ე.ი. თქვენ არ შეგიძლიათ შეკუმშოთ ნივთიერება ნულის ტოლად.
მოლეკულებს შორის შედარებით დიდ მანძილზე მიმზიდველი ძალები მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ. მათი გათვალისწინება შესაძლებელია განტოლებაში წნევის შესაბამისი კორექციის შემოღებით (2):
(3)
ეს შესწორება უნდა იქნას მიღებული უარყოფითი ნიშნით, იმ ვარაუდით, რომ მოლეკულების მოზიდვა იწვევს წნევის დაქვეითებას მოცემული აირის შემცველი გემის კედლებზე. განტოლება (3) შეიძლება გარდაიქმნას შემდეგნაირად:
(4)
ეს არის მდგომარეობის განტოლება რეალური გაზებისთვის, რომელიც პირველად მიიღო ვან დერ ვაალსმა. თქვენ შეგიძლიათ დაწეროთ იგი თვითნებური რაოდენობის სუბსტანციისთვის:
(5)
სად არის შედარებით მოლეკულური წონა.
განტოლება (4) შეიძლება წარმოდგენილი იყოს სიმძლავრის სერიის სახით:
(6)
ფიქსირებულ წნევასა და ტემპერატურაზე, ეს იქნება მესამე ხარისხის განტოლება მოცულობასთან მიმართებაში და უნდა ჰქონდეს სამი ფესვი. ყველაზე საინტერესო შედეგები მიიღება ვან დერ ვაალსის იზოთერმების ანალიზით, რომელთაგან ერთი ნაჩვენებია ნახ. 3 -ში.
ფიქსირებულ ტემპერატურაზე, თითოეული წნევის მნიშვნელობა შეესაბამება განტოლების სამ ფესვს (6). სამი რეალური ფესვი ,,. ზეწოლა და შეესაბამება ერთ რეალურ ფესვს და ორ რთულ კონიუგირებულ ფესვს, რომელსაც არ გააჩნია ფიზიკური მნიშვნელობა და შემდგომ არ განიხილება.
საინტერესოა ვან დერ ვაალსის იზოთერმის და ექსპერიმენტული იზოთერმის შედარება. ნახ. 3, ექსპერიმენტული იზოთერმის ჰორიზონტალური მონაკვეთი ნაჩვენებია სწორი ხაზით BF. AB ნაწილი აღწერს ნივთიერების აირისებრ მდგომარეობას და დამაკმაყოფილებელია შეთანხმებული ექსპერიმენტულ იზოთერმთან. ნაწილი FG აღწერს სითხის იზოთერმულ შეკუმშვას. ამრიგად, ვან დერ ვაალის განტოლება შედარებით კარგად აღწერს მატერიის ქცევას აირისებრ და თხევად მდგომარეობებში იზოთერმულ პროცესში.
იზოთერმები მნიშვნელოვნად განსხვავდება BF განყოფილებაში . თუმცა, BC და EF ფილიალებს აქვთ გარკვეული ფიზიკური მნიშვნელობა. ძვ.წ. რეგიონის მიერ გამოსახული მატერიალური მდგომარეობების მიღება შესაძლებელია ექსპერიმენტულად. ეს არის ზედმეტად გაჯერებული ან ზედმეტად გაცივებული ორთქლი. EF რეგიონის შესაბამისი მატერიის მდგომარეობები ასევე ექსპერიმენტულად არის დაცული. ასეთ სახელმწიფოებში თხევადს უწოდებენ გადახურებას. ამ მდგომარეობებს მეტასტაბილური ეწოდება. ვან დერ ვაალსის იზოთერმის CDE ნაწილი არასოდეს დაფიქსირებულა ექსპერიმენტებში. იგი აღწერს მატერიის არასტაბილურ მდგომარეობას.
§ 3. კრიტიკული ტემპერატურა. კრიტიკული მდგომარეობა.
მოდით ავაშენოთ ვან დერ ვაალსის იზოთერმების ოჯახი (სურ. 4). ტემპერატურის მატებასთან ერთად, მოსახვევები განლაგდება კოორდინატის წარმოშობიდან უფრო შორს და მათი ხასიათი შეიცვლება. მაქსიმუმი და მინიმალი გაერთიანდება როგორც აბსცესის, ისე ორდინირებული ღერძების გასწვრივ და გარკვეულ ტემპერატურაზე ისინი გაერთიანდებიან ერთ წერტილში, შემობრუნების წერტილში. ამ ტემპერატურაზე და ამ წერტილის შესაბამის წნევაზე სამი რეალური ფესვი მრავლდება. თხევადსა და ორთქლს შორის განსხვავება და მათ შორის ინტერფეისი ქრება. ამ მდგომარეობას კრიტიკული ეწოდება, ხოლო ტემპერატურა კრიტიკულ ტემპერატურას. ეს ტემპერატურა ყველა ნივთიერების დამახასიათებელი თვისებაა.
ვან დერ ვაალის განტოლების გამოყენებით შესაძლებელია კრიტიკული პარამეტრების გამოხატვა ,, ნივთიერების ცალკეული მუდმივების მეშვეობით, ასევე გაზის უნივერსალური მუდმივის მეშვეობით.
კრიტიკული პარამეტრების საპოვნელად ერთი გზა ემყარება იმ ფაქტს, რომ კრიტიკული მდგომარეობისათვის დაწერილი ვან დერ ვაალის განტოლების ფესვები მრავლობითია, ანუ განტოლება შეიძლება წარმოდგენილი იყოს შემდეგნაირად:
მოდით შევადაროთ განტოლებას (6)
ეს თანასწორობა იდენტურად შესრულდება, თუ კოეფიციენტები, იმავე ხარისხით, ერთმანეთის ტოლია:
,
, (8)
.
განტოლებების სისტემის გადაჭრა (8), ჩვენ ვიღებთ გამონათქვამებს კრიტიკული პარამეტრებისთვის:
, 
, 
. (9)
ერთიდაიგივე შედეგების მიღება შესაძლებელია სხვადასხვა გზით. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, წერტილი, რომელიც წარმოადგენს კრიტიკულ მდგომარეობას, არის გადახრის წერტილი იზოთერმული პროცესის გრაფიკზე კოორდინატებში. ჩვენ ვიყენებთ განტოლებას (3), რომელიც განსაზღვრავს წნევას, როგორც მოცულობის ფუნქციას ფიქსირებულ ტემპერატურაზე. მათემატიკური ანალიზის კურსიდან ცნობილია, რომ გადახრის წერტილში პირველი და მეორე წარმოებულები ნულის ტოლია:
(10)
(11)
ამონახსნების სისტემის ამოხსნა (3), (10), (11) რაც შეეხება ,, ჩვენ ვიღებთ მათთვის ერთსა და იმავე ურთიერთობებს (9).
ექსპერიმენტულად კრიტიკული პარამეტრების დადგენის შემდეგ შესაძლებელია ნივთიერების ინდივიდუალური მუდმივების პოვნა და.
, . (12)
ამრიგად, ვან დერ ვაალის განტოლება აღწერს სითხეებისა და აირების თვისებებს, პროგნოზირებს კრიტიკული მდგომარეობის არსებობას. თუმცა, ის ნაკლებად უნივერსალურია ვიდრე კლაპეირონ-მენდელეევის განტოლება, ვინაიდან იგი მოიცავს მატერიის ორ ინდივიდუალურ მუდმივობას და.
II ინსტალაციის აღწერა.
კრიტიკული პარამეტრების ცოდნა არის მნიშვნელოვანი სამეცნიერო და პრაქტიკული ინტერესი. კრიტიკული ტემპერატურის ზემოთ, ნივთიერება შეიძლება არსებობდეს მხოლოდ აირისებრ მდგომარეობაში. აორთქლების ფარული სითბო და კრიტიკულ ტემპერატურაზე ზედაპირული დაძაბულობის კოეფიციენტი ქრება.
ექსპერიმენტული მონაცემების საფუძველზე იზოთერმების სისტემის აგებით (როგორც ნაჩვენებია ნახ. 2), შესაძლებელია კრიტიკული ტემპერატურის და ორი სხვა პარამეტრის განსაზღვრა. ეს მეთოდი პირველად ენდრიუსმა გამოიყენა ნახშირორჟანგის კრიტიკული პარამეტრების დასადგენად. მხოლოდ კრიტიკული ტემპერატურის განსაზღვრისას შეგიძლიათ გამოიყენოთ მენისკის გაქრობის ნაკლებად რთული მეთოდი. გამოსაცდელი ნივთიერება მოთავსებულია დახურულ მინის ამპულაში და თბება. თუ ამპულაში სითხის რაოდენობა შეირჩევა ისე, რომ გათბობის პროცესში მენისკი პრაქტიკულად რჩება ადგილზე, მაშინ გარკვეულ მომენტში ნივთიერება მიაღწევს კრიტიკულ მდგომარეობას (ამ შემთხვევაში მენისკი გაქრება). როდესაც გაცივდება, ის კვლავ გამოჩნდება და ნივთიერება გაიყოფა ორ ფაზად. ტემპერატურა, რომლის დროსაც მენისკი ჩნდება და ქრება და იქნება კრიტიკული ტემპერატურა.
კრიტიკული ტემპერატურის განსაზღვრა ხორციელდება ინსტალაციაზე, რომლის დიაგრამა არ არის ნაჩვენები ნახ. 5 -ში.
ილუმინატორი 1 და თერმოსტატი 2 დამონტაჟებულია საერთო სტენდზე, რომელშიც მოთავსებულია სპეციალური მიკროპრესი 3 შესასწავლი ნივთიერებით. ილუმინატორის სხეულის ქვედა ნაწილში არის ორი გადამრთველი გადამრთველი: ერთი ჩართავს ილუმინატორს, მეორე გამათბობლებს 4 თერმოსტატს. თერმოსტატის ტემპერატურა კონტროლდება სერიაში ორი ქრომელ-კოპელის თერმოწყვილით. თერმოწყვილების 5 სამუშაო კვანძები მოთავსებულია მიკროპრესის სიახლოვეს. თერმო-ემფ. იზომება ციფრული ვოლტმეტრით 6.
მიკროპრესის მოწყობილობა, რომელიც სტრუქტურულად აერთიანებს სამუშაო პალატას და მინიატურულ პრესას, ნაჩვენებია ნახ. 6-ში. მიკროპრესის სამუშაო მოცულობა არის თხელი შუშის მილის მოცულობა 1, რომელიც მოთავსებულია პრესის სხეულში 2. ორივე ბოლოში, მინის მილი ჰერმეტულად არის დალუქული 3 და 4 ხრახნებით ფლუოროპლასტიკური ლუქებით 5. ხრახნის შიგნით 4, დგუშს 6 შეუძლია ძაფის გასწვრივ გადაადგილება და ამით სამუშაო მოცულობის შეცვლა. ნივთიერების მდგომარეობის ცვლილების ვიზუალური დაკვირვება ხორციელდება პრესის კორპუსში და თერმოსტატის კორპუსში სანახავი სლოტების საშუალებით.
III. ღონისძიებები. საზომი შედეგების დამუშავება.
ლაბორატორიული სამუშაოს შესრულების პროცესში აუცილებელია თერმოწყვილების დაკალიბრება და კალიბრაციის მრუდის აგება. ამისათვის ჯერ ჩართეთ ვოლტმეტრი, შემდეგ კი 20-30 წუთის შემდეგ ჩართეთ თერმოსტატის გამათბობლები. მიკროპრესის ნაცვლად, თერმოსტატში მოთავსებულია ვერცხლისწყლის თერმომეტრი გაზომვის დიაპაზონით 0 ° C– დან 350 ° C– მდე. ტემპერატურის გაზრდის პროცესში აუცილებელია ვოლტმეტრისა და თერმომეტრის მაჩვენებლების ჩაწერა Dt = 20 ° C... შემდეგ აუცილებელია თერმოსტატის გათბობის ჩართვა და გაგრილების დროს შესაბამისი მაჩვენებლების ჩაწერა. კალიბრაციის საბოლოო შედეგები წარმოდგენილია გრაფიკის სახით: ვოლტმეტრის მაჩვენებლები მილივოლტებში არის გამოსახული ვერტიკალურად უ , ჰორიზონტალურია სხვაობა თერმოსტატის ტემპერატურასა და ოთახის ტემპერატურას შორის. აუცილებელია ზუსტად გავითვალისწინოთ ტემპერატურის სხვაობა, ვინაიდან თერმოწყვილების "ცივი" შეერთებები ოთახის ტემპერატურაზეა.
დამთავრების შემდეგ, შეავსეთ მიკროპრესი საცდელი ნივთიერებით ხრახნი 3 -ის მხრიდან შპრიცის გამოყენებით. ამ შემთხვევაში, დგუში უნდა იყოს ჩასმული მინის მილში შესაბამის ნიშნულამდე, მისი სიგრძის დაახლოებით 3/4. შემდეგი, აუცილებელია პრესის დახურვა ხრახნიანი 3 ბეჭდით ისე, რომ ჰაერის ბუშტი არ შევიდეს მინის მილში. ხრახნები 3 და 4 მტკიცედ უნდა იყოს გამკაცრებული. დგუშის ამოღება შესაძლებელია მინის მილიდან ისე, რომ წარმოქმნილი აირის ფაზა დაიკავოს დაახლოებით იმავე მოცულობას, როგორც თხევადი. შემდეგ პრესა მოთავსებულია თერმოსტატში ისე, რომ დგუშის სახელური იყოს თერმოსტატის გარეთ თავზე და გათბობა ჩართულია.
გათბობის პროცესში აუცილებელია მენისკუსის პოზიციის მონიტორინგი დგუშის ერთ ან მეორე მხარეს გადაადგილებით, რათა არ დატოვოს იგი ხედვის ველი. გარკვეულ ტემპერატურაზე, მენისკი უნდა გაქრეს. ეს არის კრიტიკული ტემპერატურა. კრიტიკულ მდგომარეობაში მყოფი ნივთიერება ინტენსიურად აფრქვევს შუქს და ხდება მოღრუბლული თეთრი, გაუმჭვირვალე. ამ ინსტალაციაში მიკროპრესის ნაწილები სცილდება თერმოსტატს, რომლის მეშვეობითაც ხდება სითბოს ინტენსიური გაფრქვევა. აქედან გამომდინარე, შუშის მილში ტემპერატურა არ არის ერთგვაროვანი და კრიტიკული მდგომარეობის მიღება შესაძლებელია მხოლოდ მილის ქვედა ნაწილში რა ეს არის ზუსტად ის, რაც შეინიშნება ექსპერიმენტში. ამ შემთხვევაში, ორ ფაზას შორის ინტერფეისი შეიძლება შეინიშნოს მილის ზედა ნაწილში.
მუშაობის პროცესში აუცილებელია ტემპერატურის გაზომვა, რომლის დროსაც იწყება ნივთიერების მიერ ინტენსიური სინათლის გაფანტვა მინის მილის ქვედა ნაწილში. შემდეგ გამათბობლები უნდა იყოს გამორთული და ტემპერატურა, რომლის დროსაც ეს გაფრქვევა ქრება, იზომება. განახორციელეთ ასეთი გაზომვები რამდენიმე შემცირება და მიიღეთ საშუალო მნიშვნელობა კრიტიკულ ტემპერატურაზე.
ცხრილი 1.
კრიტიკული ტემპერატურის გაზომვის შედეგების საფუძველზე. კრიტიკული წნევის ცხრილში 1 მონაცემების გამოყენებით გამოთვალეთ ვან დერ ვაალის მუდმივები და გამოსაცდელი ნივთიერება.
საკონტროლო კითხვები
1) რატომ არის შემოტანილი მუდმივები ვან დერ ვაალის განტოლებაში?
2) შეადარეთ რეალური იზოთერმების სისტემა და ვან დერ ვაალსის იზოთერმების სისტემა.
3) როგორ იცვლება გაჯერების წნევა ტემპერატურასთან ერთად?
4) საუბარი კრიტიკული პარამეტრების ფორმულების წარმოების ორ მეთოდზე.
5) დაწერეთ შემცირებული ვან დერ ვაალის განტოლება.
6)
ჩამოაყალიბეთ შესაბამისი სახელმწიფოების კანონი.
ლიტერატურა
1) A.K. კიკოინი, I.K. კიკოინი. მოლეკულური ფიზიკა. გამომცემლობა "მეცნიერება", 1976, გვ. 208-237.
2) დ.ვ. სივუხინი. ფიზიკის ზოგადი კურსი. TP, გამომცემლობა "მეცნიერება", 1976, გვ. 371-399.
თუ გარკვეული რაოდენობის სითხე მოთავსებულია დახურულ ჭურჭელში, მაშინ სითხის ნაწილი აორთქლდება და გაჯერებული ორთქლი იქნება სითხის ზემოთ. წნევა და, შესაბამისად, ამ ორთქლის სიმკვრივე, დამოკიდებულია ტემპერატურაზე. ორთქლის სიმკვრივე ჩვეულებრივ გაცილებით ნაკლებია ვიდრე სითხის სიმკვრივე იმავე ტემპერატურაზე. თუ ტემპერატურა მოიმატებს, სითხის სიმკვრივე შემცირდება (§ 198), ხოლო გაჯერებული ორთქლის წნევა და სიმკვრივე გაიზრდება. მაგიდა 22 გვიჩვენებს წყლის სიმკვრივისა და გაჯერებული წყლის ორთქლის მნიშვნელობებს სხვადასხვა ტემპერატურისათვის (და, შესაბამისად, შესაბამისი წნევისთვის). ლეღვი 497, იგივე მონაცემები ნაჩვენებია გრაფიკის სახით. გრაფის ზედა ნაწილი გვიჩვენებს სითხის სიმკვრივის ცვლილებას მისი ტემპერატურის მიხედვით. ტემპერატურის მატებასთან ერთად, სითხის სიმკვრივე მცირდება. გრაფის ქვედა ნაწილი გვიჩვენებს გაჯერებული ორთქლის სიმკვრივის დამოკიდებულებას ტემპერატურაზე. ორთქლის სიმკვრივე იზრდება. წერტილის შესაბამის ტემპერატურაზე, თხევადი და გაჯერებული ორთქლის სიმკვრივე ემთხვევა.
ბრინჯი 497. წყლის სიმკვრივისა და მისი გაჯერებული ორთქლის დამოკიდებულება ტემპერატურაზე
ცხრილი 22. წყლის და მისი გაჯერებული ორთქლის თვისებები სხვადასხვა ტემპერატურაზე
|
ტემპერატურა, |
გაჯერებული ორთქლის წნევა, |
წყლის სიმჭიდროვე, |
გაჯერებული ორთქლის სიმკვრივე, |
აორთქლების სპეციფიური სითბო, |
ცხრილი გვიჩვენებს, რომ რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, მით უფრო მცირეა სხვაობა სითხის სიმკვრივესა და მისი გაჯერებული ორთქლის სიმკვრივეს შორის. გარკვეულ ტემპერატურაზე (წყლის მახლობლად) ეს სიმკვრივე ემთხვევა. ტემპერატურას, რომლის დროსაც თხევადი სიმკვრივე და მისი გაჯერებული ორთქლი ემთხვევა, ეწოდება მოცემული ნივთიერების კრიტიკულ ტემპერატურას. ლეღვი 497 ის შეესაბამება წერტილს. წერტილის შესაბამის წნევას კრიტიკული წნევა ეწოდება. სხვადასხვა ნივთიერებების კრიტიკული ტემპერატურა მნიშვნელოვნად განსხვავდება ერთმანეთისგან. ზოგიერთი მათგანი მოცემულია ცხრილში. 23.
ცხრილი 23. ზოგიერთი ნივთიერების კრიტიკული ტემპერატურა და კრიტიკული წნევა
|
ნივთიერება |
კრიტიკული ტემპერატურა, |
კრიტიკული წნევა, ატ |
ნივთიერება |
კრიტიკული ტემპერატურა, |
კრიტიკული წნევა, ატ |
|
Ნახშირორჟანგი |
|||||
|
ჟანგბადი |
|||||
|
ეთანოლი |
|||||
რას მიუთითებს კრიტიკული ტემპერატურის არსებობა? რა ხდება კიდევ უფრო მაღალ ტემპერატურაზე?
გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ კრიტიკულზე მაღალ ტემპერატურაზე ნივთიერება შეიძლება იყოს მხოლოდ აირისებრ მდგომარეობაში. თუ ჩვენ ვამცირებთ ორთქლის მიერ დაკავებულ მოცულობას კრიტიკულ ტემპერატურაზე მაღლა, მაშინ ორთქლის წნევა იზრდება, მაგრამ ის არ ხდება გაჯერებული და რჩება ერთგვაროვანი: რაც არ უნდა დიდი იყოს წნევა, ჩვენ ვერ ვიპოვით ორ მდგომარეობას მკვეთრი საზღვარი, როგორც ყოველთვის აღინიშნება დაბალ ტემპერატურაზე ორთქლის კონდენსაციის გამო. ასე რომ, თუ რომელიმე ნივთიერების ტემპერატურა უფრო მაღალია, ვიდრე კრიტიკული, მაშინ ნივთიერების წონასწორობა თხევადი და ორთქლის სახით მასთან კონტაქტში შეუძლებელია რაიმე წნევაზე.
მატერიის კრიტიკული მდგომარეობა შეიძლება შეინიშნოს ნახაზზე ნაჩვენები მოწყობილობის გამოყენებით. 498. იგი შედგება რკინის ყუთისაგან ფანჯრებით, რომლის გათბობა შესაძლებელია უფრო მაღლა („ჰაერის აბანო“) და შუშის ამპულა ეთერით აბაზანის შიგნით. როდესაც აბაზანა თბება, ამპულაში მენისკი იზრდება, ბრტყელი ხდება და საბოლოოდ ქრება, რაც კრიტიკულ მდგომარეობაზე გადასვლაზე მიუთითებს. როდესაც აბაზანა გაცივდება, ამპულა მოულოდნელად დაბინდულია მრავალი პატარა ეთერის წვეთის წარმოქმნის გამო, რის შემდეგაც ეთერი გროვდება ამპულის ქვედა ნაწილში.
ბრინჯი 498. მოწყობილობა ეთერის კრიტიკულ მდგომარეობაზე დაკვირვებისათვის
როგორც ცხრილიდან ხედავთ. 22, როდესაც კრიტიკულ წერტილს უახლოვდება, აორთქლების სპეციფიკური სითბო სულ უფრო და უფრო მცირდება. ეს აიხსნება იმით, რომ ტემპერატურის მატებასთან ერთად, განსხვავება მატერიის შიდა ენერგიებს შორის თხევადი და ორთქლის მდგომარეობებში მცირდება. მართლაც, მოლეკულების გადაბმის ძალები დამოკიდებულია მოლეკულებს შორის მანძილზე. თუ სითხისა და ორთქლის სიმკვრივე განსხვავდება მცირედ, მაშინ საშუალო მანძილი მოლეკულებს შორის ასევე მცირედ განსხვავდება. შესაბამისად, ამ შემთხვევაში, მოლეკულების ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგიის ღირებულებები ასევე ოდნავ განსხვავდება. აორთქლების სითბოს მეორე ვადა - მუშაობა გარე წნევის წინააღმდეგ - ასევე მცირდება კრიტიკული ტემპერატურის მოახლოებასთან ერთად. ეს გამომდინარეობს იქიდან, რომ რაც უფრო მცირეა სხვაობა ორთქლისა და სითხის სიმკვრივეში, მით უფრო მცირეა გაფართოება აორთქლების დროს და, შესაბამისად, ნაკლები სამუშაოა აორთქლების დროს.
კრიტიკული ტემპერატურის არსებობა პირველად აღინიშნა 1860 წელს. დიმიტრი ივანოვიჩ მენდელეევი (1834-1907), რუსი ქიმიკოსი, რომელმაც აღმოაჩინა თანამედროვე ქიმიის ძირითადი კანონი - ქიმიური ელემენტების პერიოდული კანონი. კრიტიკული ტემპერატურის შესწავლაში დიდი სამსახური ეკუთვნის ინგლისელ ქიმიკოსს თომას ენდრიუსს, რომელმაც დეტალურად შეისწავლა ნახშირორჟანგის ქცევა მის მიერ დაკავებული მოცულობის იზოთერმული ცვლილებების დროს. ენდრიუსმა აჩვენა, რომ დახურულ ჭურჭელში დაბალ ტემპერატურაზე ნახშირორჟანგი შეიძლება თანაარსებობდეს თხევად და აირისებრ მდგომარეობაში; ასეთ თანაარსებობაზე ზევით ტემპერატურაზე შეუძლებელია და მთელი ხომალდი ივსება მხოლოდ გაზით, არ აქვს მნიშვნელობა როგორ უნდა შემცირდეს მისი მოცულობა.
კრიტიკული ტემპერატურის აღმოჩენის შემდეგ გაირკვა, თუ რატომ დასჭირდა დიდი დრო გაზების, როგორიცაა ჟანგბადი ან წყალბადი, თხევად გადაქცევას. მათი კრიტიკული ტემპერატურა ძალიან დაბალია (ცხრილი 23). ამ აირების თხევად გარდაქმნის მიზნით, ისინი უნდა გაცივდეს კრიტიკულ ტემპერატურაზე დაბლა. ამის გარეშე, მათი გათხევადების ყველა მცდელობა წარუმატებლად არის განწირული.
ტავრიჩესკის სახელობის ეროვნულ უნივერსიტეტში და. ვერნადსკი
ექსპერიმენტული ფიზიკის დეპარტამენტი
ლაბორატორიული მუშაობა № 6
კრიტიკული განმარტება
სუბსტანციის ტემპერატურა
სიმფეროპოლი 2002 წ
კრიტიკული განმარტება
სუბსტანციის ტემპერატურა
აღჭურვილობა : ამპულა ეთერით, ავენარიუსის მოწყობილობა, ავტოტრანსფორმატორი, თერმოწყვილი, გალვანომეტრი, კალიბრაციის გრაფიკი.
სამუშაოების თეორიული ნაწილი
და 
იდეალური გაზი არის ურთიერთდაკავშირებული მატერიალური წერტილების ერთობლიობა. ასეთი იდეალიზებული სისტემის მდგომარეობა აღწერილია მენდელეევი-კლაპეირონის განტოლებით. რეალურ აირებში, თუმცა, მოქმედებს ელექტრული ხასიათის ინტერმოლეკულური ძალები. ორ მოლეკულას შორის მცირე მანძილით, მათ შორის მოქმედებს მოგერიებული ძალები. ეს ძალები განსაზღვრავს გაზის მოლეკულების "ზომას", ანუ მანძილს, რომელთანაც უფრო ახლოს არის მოლეკულები ერთმანეთისგან. ორ მოლეკულას შორის მანძილი იზრდება, მოგერიება მცირდება და შემდეგ იცვლება მისი ნიშანი, გადაიქცევა მიმზიდველ ძალად. როდესაც მოლეკულები ერთმანეთისგან შორს მიდიან, მიზიდულობის ძალები ნულისკენ მიდის. 
მოლეკულებს შორის ურთიერთქმედება იწვევს იმ ფაქტს, რომ რეალური გაზები შესაბამის ტემპერატურასა და წნევაზე გადადის თხევად მდგომარეობაში.
ჩართული ბრინჯი 1ექსპერიმენტული იზოთერმები მიღებული რეალური აირის შეკუმშვით მუდმივ ტემპერატურაზე T = const (T 1
გარკვეულ პირობებში (გაზი მინარევების გარეშე, ნელი შეკუმშვა), შესაძლებელია მდგომარეობის მიღება გ-დდაურეკა ზედმეტად გაჯერებული ორთქლი ... თხევადი გაზის გაფართოების ანალოგიურ პირობებში შესაძლებელია სახელმწიფოს მოპოვება ა-გდაურეკა გადახურებული სითხე ... ზედმეტად გაჯერებული ორთქლი და ზედმეტად გაცხელებული თხევადი მდგომარეობა ხანმოკლეა (მეტასტაბილური). მათგან სისტემა სწრაფად ბრუნდება საიტზე ა-ბ.
ტემპერატურის მატებასთან ერთად, გაჯერებული ორთქლის კონდენსაციის შესაბამისი იზოთერმების ჰორიზონტალური მონაკვეთი მცირდება და გარკვეულ ტემპერატურაზე თ კრ(T 3 ნახ. 1) გარდამავალი რეგიონი შეკუმშულია ერთ წერტილში TO... გაზის მდგომარეობა წერტილში TOდაურეკა მატერიის კრიტიკული მდგომარეობა და ტემპერატურის, წნევის და მოცულობის შესაბამის მნიშვნელობებს კრიტიკული ეწოდება. კრიტიკულ წერტილთან მიახლოებისას, განსხვავება თხევადსა და მის გაჯერებულ ორთქლს შორის ქრება.
თუ T> T cr, მაშინ აირის არც ერთი შეკუმშვა არ გარდაქმნის მას თხევად მდგომარეობაში.
მოწყობილობის აღწერა მატერიის კრიტიკულ მდგომარეობაზე დაკვირვებისათვის და კრიტიკული ტემპერატურის გასაზომად.
ამ ნაშრომში, ნივთიერების კრიტიკული ტემპერატურა (ეთილის ეთერი) განისაზღვრება ხილული თხევადი ორთქლის ინტერფეისის გაუჩინარებითა და გამოჩენით. დალუქული ამპულა ეთერით 2 მოთავსებულია გამათბობლის შიგნით 1 , გამაცხელებლის დენი მიეწოდება ქსელიდან ავტოტრანსფორმატორის საშუალებით. გამათბობლის შიგნით ტემპერატურა იზომება თერმოწყვილით 3 ... გამათბობლის წინა და უკანა კედლებში მოჭიქული ფანჯრებია: წინა დაკვირვებისათვის, უკანა განათებისათვის. გამათბობელი მოთავსებულია სქელი კედლის მქონე აზბესტის იზოლირებული გარსაცმის შიგნით. თერმო EMF ჩაწერილია მილივოლტმეტრით 4 ... კალიბრაციის მაგიდა 5 ემსახურება თერმო EMF ტემპერატურის გადაქცევას.
სამუშაოს დასრულება
შეამოწმეთ ინსტალაციის ყველა ნაწილის არსებობა. ამპულა გამათბობლიდან არ ამოიღო! ჩართეთ უკანა შუქი. შეაერთეთ თერმოწყვილი გალვანომეტრთან, მიაწოდეთ დენი გამათბობელს.
გამოცდილების დაწყების შემდეგ, არ არის ნებადართული საფარის გახსნა და შიგნით რაიმე კორექტირების გაკეთება.
როდესაც ის თბება, დააკვირდით თერმოწყვილების წრეს ჩართულ გალვანომეტრის მაჩვენებლებს და შეაფასეთ გამათბობლის შიგნით არსებული ტემპერატურა კალიბრაციის გრაფიკის გამოყენებით. 160 გრადუსიდან, დააკვირდით ამპულაში მენისკის გამოჩენას.
დაადგინეთ მენისკის გაქრობის ტემპერატურა თ 1 ... გამორთეთ ავტოტრანსფორმატორი. დააკვირდით ამპულაში მომხდარ მოვლენებს. განსაზღვრეთ ტემპერატურა თ 2 მენისკის გამოჩენა. გამოთვალეთ საშუალო:
(1)
გამოცდილება სამჯერ. გამოთვალეთ შეცდომა კრიტიკული ტემპერატურის განსაზღვრისას.
საკონტროლო კითხვები
აღწერეთ ინტერმოლეკულური ძალების ბუნება რეალურ გაზში.
ჩართე PV- რეალური გაზის იზოთერმის დიაგრამა და მათი ბუნების ინტერპრეტაცია.
ჩართე PV- დიაგრამა და ინტერპრეტაცია ვან დერ ვაალის გაზის იზოთერმების მიმდინარეობის შესახებ.
როგორ არის მოწყობილი მატერიის კრიტიკულ მდგომარეობაზე დაკვირვებისა და კრიტიკული ტემპერატურის გაზომვის მოწყობილობა?
ამოცანა. ბერტელოტის მიერ შემოთავაზებული ერთ -ერთი რეალური გაზის მოდელი შეესაბამება მდგომარეობის შემდეგ განტოლებას:
სადაც a, b არის მუდმივები. იპოვნეთ T cr, P cr და V cr ბერტელოტის გაზზე, გამოხატეთ ეს მნიშვნელობები a და b მუდმივების თვალსაზრისით.
ლიტერატურა:
დ.ვ. სივუხინი. თერმოდინამიკა და მოლეკულური ფიზიკა.
(ფიზიკის ზოგადი კურსი).
სხეულის ტემპერატურა ერთ -ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ფაქტორია, რომელიც აუცილებელია მეტაბოლიზმისათვის. ეს არის სხეულის მდგომარეობის მაჩვენებელი და იცვლება გარე და შინაგანი ფაქტორების გავლენის მიხედვით. თუ თავს ცუდად გრძნობთ და კრიტიკული ტემპერატურა ჩნდება, აუცილებელია სასწრაფოდ დაუკავშირდეთ სპეციალიზებულ დაწესებულებას. ყოველივე ამის შემდეგ, ეს შეიძლება იყოს მრავალი დაავადების მაუწყებელი.
ფაქტორები, რომლებიც გავლენას ახდენენ სხეულის ტემპერატურაზე
ის იცვლება სხვადასხვა ფაქტორების გავლენის გამო, როგორც გარემო, ასევე სხეულის შინაგანი მახასიათებლები, მაგალითად:
ქვემწვავე.
ქრონიკული.
დღის დრო. ტემპერატურა ძალიან ხშირად იცვლება დღის ცვლილების გამო. ამასთან დაკავშირებით, დილით, სხეულის ტემპერატურა შეიძლება ოდნავ შემცირდეს (0.4-0.7 გრადუსით), მაგრამ არანაკლებ + 35.9 ° C. და საღამოს, პირიქით, ტემპერატურა შეიძლება ოდნავ გაიზარდოს (0.2-0.6 გრადუსით), მაგრამ არაუმეტეს + 37.2 ° C.
ასაკი. ბავშვებში, ტემპერატურა ყველაზე ხშირად აღემატება 36.6 გრადუსს, ხოლო 60-65 წელზე უფროსი ასაკის მოზრდილებში, ჩვეულებრივი ტემპერატურა მცირდება.
Ჯანმრთელობის მდგომარეობა. თუ ადამიანის ორგანიზმში არის ინფექცია, მაშინ ტემპერატურა (მასთან ბრძოლა) იზრდება.
ორსულობა. ორსულ ქალებში ადრეულ სტადიაზე ტემპერატურა 36 გრადუსზე დაბლა არ უნდა ჩამოვიდეს და 37.5 გრადუსზე მაღლა აიწიოს.
ორგანიზმის ინდივიდუალური მახასიათებლები.
გარემოს გავლენა.
სხეულის ტემპერატურის კლასიფიკაცია
თუ გაანალიზებთ თერმომეტრის სხვადასხვა მაჩვენებელს, ტემპერატურა შეიძლება დაიყოს რამდენიმე ტიპად და კლასიფიკაციად.
ტემპერატურის ტიპები ერთ -ერთი კლასიფიკაციის მიხედვით (ჰიპერთერმიის დონის მიხედვით):
დაბალი და დაბალი. თერმომეტრის მნიშვნელობა 35 ° C- ზე დაბალია.
ნორმალური. თერმომეტრის მნიშვნელობა არის 35-37 ° С.
სუბფებრილური. თერმომეტრის მნიშვნელობა არის 37-38 ° С.
ფებრილური. თერმომეტრის მნიშვნელობა არის 38-39 ° С.
პირეტიკური. თერმომეტრზე მნიშვნელობა არის 39-41 ° С.
ჰიპერპირეტური. თერმომეტრის ღირებულება 41 ° C- ზე მეტია.
ტემპერატურის დაყოფა ხანგრძლივობის მიხედვით:
ტემპერატურის სხვა ტიპები:
ჰიპოთერმია - სხეულის დაბალი ტემპერატურა (35 ° C- ზე ნაკლები).
ნორმალური ტემპერატურა. ამ ტიპის სხეულის ტემპერატურა მერყეობს 35-37 ° C- მდე და იცვლება ზემოთ განხილული მრავალი ფაქტორიდან.
ჰიპერთერმია - სხეულის ტემპერატურის მომატება (37 ° C- ზე ზემოთ).
სხეულის ტემპერატურა ნორმალურ ფარგლებში
სხეულის საშუალო ტემპერატურა, როგორც ზემოთ აღინიშნა, შეიძლება შეიცვალოს სხვადასხვა ფაქტორების გავლენის ქვეშ. მისი გაზომვა შესაძლებელია არა მხოლოდ მკლავებში, არამედ პირში, ყურის ღრუსა და სწორ ნაწლავში. აქედან გამომდინარე, თერმომეტრის მონაცემები შეიძლება განსხვავდებოდეს, კრიტიკული ტემპერატურის მნიშვნელობები იქნება ბევრად უფრო მაღალი ან დაბალი ვიდრე აქ წარმოდგენილი სტანდარტები.
პირში, თერმომეტრის მაჩვენებლები იქნება 0.3-0.6 ° C უფრო მაღალი ვიდრე მკლავებში გაზომვისას, ანუ აქ მაჩვენებელი ჩაითვლება 36.9-37.2 ° C- მდე. სწორ ნაწლავში, თერმომეტრის მაჩვენებლები უფრო მაღალი იქნება 0.6-1.2 ° C- ით, ანუ ნორმა არის 37.2-37.8 ° C. ყურის ღრუში, თერმომეტრის მაჩვენებლები იგივე იქნება, რაც სწორ ნაწლავში, ანუ 37.2-37.8 ° C.
ეს მონაცემები არ შეიძლება ჩაითვალოს ზუსტი თითოეული ადამიანისთვის. მრავალი კვლევის თანახმად, ასეთი მაჩვენებლები გვხვდება უმეტეს ადამიანებში - ეს არის დაახლოებით 90%, მაგრამ ადამიანების 10% -ში ნორმალური სხეულის ტემპერატურა განსხვავდება უმეტესობისგან და ინდიკატორები შეიძლება მერყეობდეს მაღლა ან ქვევით.
იმის გასარკვევად, თუ რა ტემპერატურაა ნორმალური, თქვენ უნდა გაზომოთ და ჩაწეროთ კითხვები მთელი დღის განმავლობაში: დილით, ლანჩზე და საღამოს. ყველა გაზომვის შემდეგ, თქვენ უნდა იპოვოთ ყველა ინდიკატორის არითმეტიკული საშუალო. ამისათვის დაამატეთ დილის, შუადღის და საღამოს კითხვები და გაყავით 3 -ზე. შედეგად მიღებული რიცხვი არის სხეულის ნორმალური საშუალო ტემპერატურა კონკრეტული ადამიანისთვის.
სხეულის კრიტიკული ტემპერატურა
ორივე ძლიერად შემცირებული და ძლიერ გაზრდილი შეიძლება გახდეს კრიტიკული. მაღალი ცხელება ადამიანებში ვლინდება ბევრად უფრო ხშირად, ვიდრე დაბალი. როდესაც ტემპერატურა 26-28 ° C- მდე დაეცემა, ძალიან მაღალი რისკია, რომ ადამიანი კომაში ჩავარდეს, გამოჩნდება სუნთქვისა და გულის პრობლემები, მაგრამ ეს მაჩვენებლები ინდივიდუალურია, ვინაიდან არსებობს მრავალი დადასტურებული ისტორია იმის შესახებ, თუ როგორ, მძიმე ჰიპოთერმია, 16-17 ° C ტემპერატურაზე ადამიანებმა შეძლეს გადარჩენა. მაგალითად, ამბავი, რომელშიც ნათქვამია, რომ კაცმა დაახლოებით ხუთი საათი გაატარა უზარმაზარ თოვლში, გარეთ გასვლის და გადარჩენის შანსის გარეშე, მისი ტემპერატურა დაეცა 19 გრადუსამდე, მაგრამ მათ მოახერხეს მისი გადარჩენა.
დაბალი სხეულის ტემპერატურა
შემცირებული ტემპერატურის ლიმიტი ითვლება ტემპერატურაზე 36 გრადუსზე დაბლა, ან დაწყებული ადამიანის ინდივიდუალური ტემპერატურის ქვემოთ 0.5 -დან 1.5 გრადუსამდე. დაბალი ტემპერატურის ზღვარი არის ტემპერატურა, რომელიც ნორმალურიდან 1.5 ° C- ზე მეტით დაბალია.
ტემპერატურის დაწევის მრავალი მიზეზი არსებობს, მაგალითად, იმუნიტეტის დაქვეითება, ყინვის გახანგრძლივება და ამის საფუძველზე ჰიპოთერმია, ფარისებრი ჯირკვლის დაავადება, სტრესი, მოწამვლა, ქრონიკული დაავადებები, თავბრუსხვევა და ბანალური დაღლილობაც კი.
თუ სხეულის ტემპერატურა დაეცა 35 ° C- მდე, მაშინ სასწრაფოდ უნდა გამოიძახოთ სასწრაფო დახმარება, რადგან ეს მაჩვენებელი უმეტეს შემთხვევაში კრიტიკულია და შეუქცევადი შედეგები შეიძლება მოხდეს!
რა კრიტიკულმა ტემპერატურამ უნდა გაგაფრთხილოთ?
ტემპერატურა, რომელიც იწყება 37 გრადუსიდან, ითვლება უნაყოფოდ და ხშირად მიუთითებს ორგანიზმში ანთების, ინფექციების და ვირუსების არსებობაზე. 37 -დან 38 გრადუსამდე ტემპერატურის დაწევა შეუძლებელია მედიკამენტების დახმარებით, რადგან ორგანიზმში მიმდინარეობს ბრძოლა ჯანსაღ უჯრედებსა და დაავადების გამომწვევ უჯრედებს შორის.
არსებობს მრავალი სიმპტომი, რომელიც მიუთითებს ცხელებაზე, როგორიცაა სისუსტე, დაღლილობა, შემცივნება, თავისა და კუნთების ტკივილი, მადის დაკარგვა და ოფლიანობა. თქვენ მეტი ყურადღება უნდა მიაქციოთ მათ, რათა თავიდან აიცილოთ ტემპერატურა 38.5 გრადუსამდე.
სხეულის კრიტიკული ტემპერატურაა 42 ° C და უმეტეს შემთხვევაში, 40 გრადუსიანი ნიშანი უკვე საბედისწეროა. მაღალი ტემპერატურა იწვევს შეუქცევად შედეგებს ტვინში, ტვინის ქსოვილებში მეტაბოლიზმი ირღვევა.
ამ შემთხვევაში, როდესაც ტემპერატურა 38.5 გრადუსზე მაღლა იწევს, მნიშვნელოვანია საწოლის დასვენება, ანტიპრეზიული საშუალებების მიღება და ექიმთან ან სასწრაფო დახმარების სავალდებულო ვიზიტი! ძალიან მაღალ ან დაბალ ტემპერატურაზე სიკვდილის თავიდან ასაცილებლად, ნუ თვითმკურნალობთ, არამედ ყოველთვის მიმართეთ ექიმს, რომელსაც შეუძლია ზუსტად განსაზღვროს ასეთი ტემპერატურის მიზეზი, დაადგინოს დიაგნოზი და დანიშნოს სწორი და ეფექტური მკურნალობა!
არსებობს ბუნებრივი მოვლენა, რომელსაც მეცნიერები უწოდებენ ზეგამტარობას და ინჟინრები უწოდებენ "ენერგიის, მედიცინის, ჩქაროსნული ტრანსპორტისა და სამხედრო საქმეების მომავალს". იმისდა მიუხედავად, რომ პირველი ზეგამტარ მასალები ასზე მეტი წლის წინ აღმოაჩინეს, მათ ისწავლეს მათი გამოყენება შედარებით ცოტა ხნის წინ და მხოლოდ რამდენიმე საკმაოდ სპეციფიკურ მოწყობილობაში, როგორიცაა დიდი ადრონული კოლაიდერი ან მაგნიტურ -რეზონანსული გამოსახულება. რატომ? რადგან ჩვენ ჯერ კიდევ ბოლომდე არ გვესმის, როგორ მუშაობს ეს ფენომენი. ახალ მასალაში, რედაქცია N + 1მე შევეცადე რაც შეიძლება მოკლედ და მარტივად გითხრათ ზეგამტარობის გაჩენის რამდენიმე მეცნიერული ვერსია, რომელთა საშუალებითაც თქვენ მიხვდებით რა ფიზიკოსები მთელს მსოფლიოში აწვალებენ თავიანთ ტვინს საუკუნეების განმავლობაში.
მაშ რა არის ზეგამტარობა? ზოგიერთი ნივთიერების ამ თვისებას აქვს მკაცრად ნულოვანი წინააღმდეგობა გარკვეული ტემპერატურის ქვემოთ - მას კრიტიკული ეწოდება. მეორე სავალდებულო კრიტერიუმი, რომლის მიხედვითაც კონკრეტული ნაერთი კლასიფიცირდება როგორც ზეგამტარობა, არის მაისნერის ეფექტი - მასალების უნარი, რომ გაცივდეს მაგნიტური ველი მათი მოცულობიდან, ისევ კრიტიკულ ტემპერატურაზე დაბლა.
მაგნიტზე სუპერგამტარების ლევიტაცია არის მეისნერის ეფექტის გამოვლინება.
Wikimedia Commons
ზეგამტარობის ფენომენი არის ერთდროულად უნიკალური და სრულიად "ჩვეულებრივი". ის უნიკალურია არსებული და შესაძლო პროგრამების ფართო სპექტრის გამო: ელექტროენერგიის გადაცემა ენერგიის დაკარგვის გარეშე გათბობის მავთულისთვის, სუპერ ძლიერი მაგნიტების წარმოება, სხვადასხვა დეტექტორები, SQUID მაგნიტომეტრები, მაგნიტური ლევიტაციის მატარებლები და თუნდაც ჰოვერბორდი.
და "ჩვეულებრივი", რადგან ზეგამტარობა, როგორც აღმოჩნდა, გამოიხატება ნაერთების უზარმაზარ რაოდენობაში - აქ და, ლითონის ოქსიდები და ორგანული გამტარები, ლითონის ფულერიდები, რკინის შემცველი და ქალკოგენები და მრავალი სხვა. ამიტომ, სხვა ახალი სუპერგამტარების აღმოჩენის შესახებ მოხსენებები აღარ არის გასაკვირი, განსაკუთრებით მეცნიერები.
მაგრამ დღემდე, ზეგამტარობის აღმოჩენიდან ას წელზე მეტი ხნის განმავლობაში, მისი პრაქტიკული გამოყენების ყველა მცდელობა ეწინააღმდეგება მთავარ პრობლემას - დაბალ კრიტიკულ ტემპერატურას. ამის გამო, ზეგამტარ პროდუქტებთან მუშაობისთვის აუცილებელია ნაყარი გაგრილების სისტემების აგება თხევადი აზოტის ან თუნდაც ძვირადღირებული თხევადი ჰელიუმის გამოყენებით. მაგრამ თუ შეიძლება ვიპოვოთ მასალა ოთახის ტემპერატურის კრიტიკული ტემპერატურის მქონე, მატარებლები და ელექტროგადამცემი ელექტრონიკა ფუტურისტების ოცნებებიდან ყოველდღიურ რეალობად იქცევა.
ფიზიკოსები, რომლებიც იკვლევენ ახალ სუპერგამტარებს, ჩვეულებრივ არ ისახავენ კრიტიკული ტემპერატურის ამაღლებას. ისინი საუბრობენ მექანიზმებზე - მიზეზებზე, რომლებიც იწვევს იმ ფაქტს, რომ ამა თუ იმ ნაერთს აქვს ზეგამტარ თვისება. მეცნიერები თვლიან, რომ სწორედ ამ მექანიზმების გააზრებაა შესაძლებელი პროგნოზირების საშუალებას მისცემს არა მხოლოდ უფრო მაღალ კრიტიკულ ტემპერატურას, არამედ სხვა თანაბრად მნიშვნელოვან პარამეტრებს, როგორიცაა კრიტიკული მაგნიტური ველი, დენის სიმკვრივე და სხვა.
სუპერგამტარობის დაწყების მთავარი აღიარებული მექანიზმი ითვლება ელექტრონ-ფონონის ურთიერთქმედება, როდესაც ორი ელექტრონს შორის მოზიდვა წარმოიქმნება კრისტალური კრატის ვიბრაციების გავლენის ქვეშ და იქმნება ეგრეთ წოდებული კუპერის წყვილი. ასე ვლინდება სუპერგამტარობა ბარდენ-კუპერ-შრიფერის ნობელის თეორიის მიხედვით (BCS). ასევე შემოთავაზებულია სხვა მექანიზმები, მაგალითად, მაგონი ან ექსციტონი. პირველში, ელექტრონების დაწყვილება ხდება მაგონონების და არა ფონონების გამო, ხოლო მეორეში, ბოსის კონდენსატის მდგომარეობაში მყოფი ექსციტონები პასუხისმგებელნი არიან ზეგამტარობაზე.
მაგრამ აქამდე მეცნიერებს შორის არსებობს დავა იმის შესახებ, არსებობს თუ არა სხვა მექანიზმი ფონონის გარდა - ფაქტია, რომ ზოგიერთ შემთხვევაში ექსპერიმენტული მონაცემების ინტერპრეტაცია შესაძლებელია სხვადასხვა გზით. ამრიგად, ფიზიკოსები, რომლებიც სწავლობენ ზეგამტარობას, გაიყვეს ორ საპირისპირო და, როგორც ჩანს, შეურიგებელ ბანაკებად - კლასიკური BCS- ის მხარდამჭერები, რომლებიც ცდილობენ როგორმე შეცვალონ თეორია ახალი მონაცემებისთვის და ისინი, ვინც ახალ მექანიზმებს რეალური პროცესების ანარეკლად თვლიან. გვხვდება სუპერგამტარებში.
ახალი ექსპერიმენტული მონაცემები აჩვენებს რეალურია ეს მექანიზმები. ჩვენ შევისწავლეთ თანამედროვე სამეცნიერო ლიტერატურა ამ საკითხთან დაკავშირებით და შევეცადეთ აღვწეროთ ყველაზე გამარტივებული გზით, თუ როგორ შეიძლება გამოიწვიოს ყველაზე განსხვავებულმა და ერთი შეხედვით ურთიერთკავშირმა პროცესებმა ზეგამტარობა. ჩვენ ასევე მივაქციეთ ყურადღება სხვადასხვა ეფექტებს, რომლებმაც შეიძლება გავლენა მოახდინონ კონკრეტული სუპერგამტარების კრიტიკულ ტემპერატურაზე.
პირველი მოთხრობა: ფონონები
სუპერგამტარი: მარტივი ელემენტები, ზოგიერთი მათი შენადნობები და სხვა ნაერთები.
მექანიზმი: ელექტრონ-ფონონის ურთიერთქმედება (კლასიკური BCS თეორია).
სტატიები: სუპერგამტარობის თეორია // ფიზი. მეუფე 108, 1175 (1957).
ლეონ ნ კუპერი, შეკრული ელექტრონული წყვილები დეგენერაციულ ფერმის გაზში, ფიზი. მეუფე 104,1189 (1956).
J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, მიკროსკოპული თეორია ზეგამტარობის // ფიზი. მეუფე 106, 162 (1957).
ოთახის ტემპერატურა, ნორმალური გამტარებელი. ბროლის გისოსის ატომები (უფრო ზუსტად, დადებითი მუხტის მქონე იონები) ვიბრირებს სხვადასხვა მიმართულებით, სხვადასხვა სიხშირით. ეს "ვიბრაციული ტალღები" ფიზიკოსებმა აღწერეს, როგორც კვაზინაწილაკებიფონონები და თითოეულ ფონონს აქვს საკუთარი სიხშირე და ენერგია. გამტარ ელექტრონები თითქმის შემთხვევით მოძრაობენ ამ ვიბრაციულ იონებს შორის, ცვლის მიმართულებებს, ურთიერთქმედებენ იონებთან და ერთმანეთთან. ამ ურთიერთქმედების შედეგად, ელექტრონები დათმობენ თავიანთი ენერგიის ნაწილს, აფრქვევენ მას მიმდებარე ატომებზე - ეს არის მიზეზი გამტარებლებში არა -ნულოვანი წინააღმდეგობის გაჩენის მიზეზი.
ოთახის ქვემოთ, კრიტიკულზე მაღლა, არის ნორმალური გამტარი. ტემპერატურით გამოწვეული ატომური ვიბრაციები შესუსტებულია, მაგრამ არა მთლიანად. ელექტრონები აგრძელებენ ენერგიის გაფანტვას, მაგრამ მათთვის უკვე გაცილებით ადვილია გადაადგილება - ატომები მათ გზაზე ასე არ „ციმციმებენ“. წინააღმდეგობა თანდათან ეცემა.
კრიტიკული ტემპერატურა, ზეგამტარობის გადასვლა. კიდევ უფრო ნაკლები ფონონია - ატომები ძლივს ვიბრირებენ. წარმოიქმნება ელექტრონების ახალი "მოსახერხებელი" მდგომარეობა - წყვილებში გაერთიანება იმპულსისა და ტრიალის მთლიანი ნულოვანი მნიშვნელობით. გაერთიანება ხდება ბროლის გისოსებში იონების ვიბრაციებთან ურთიერთქმედების გამო, ანუ ფონონებთან. მაგრამ ეს ფონონები არ არის ზემოთ ნახსენები - ტემპერატურის რყევები, არამედ " ვირტუალური"- გამოწვეულია ელექტრონების მოძრაობით. ამ ურთიერთქმედების შედეგად წარმოიქმნება ელექტრონული წყვილი, რომელსაც ეწოდება კუპერი, ხდება წამგებიანი ენერგიის გაფანტვა გისოსის ატომებზე. მასალაში ჯერ კიდევ არის "ჩვეულებრივი ელექტრონები", მაგრამ დენი მიედინება უმცირესი წინააღმდეგობის გზაზე - ის უეცრად ნულისკენ მიემართება.
კრიტიკულ ტემპერატურაზე დაბლა, ზეგამტარი. სულ უფრო და უფრო მეტი კუპერის წყვილია. მას შემდეგ, რაც წყვილს აქვს მთელი ბრუნვა (-1/2 + 1/2 = 0 ან, უფრო იშვიათად, 1/2 + 1/2 = 1) - ეს "მთლიანი ნაწილაკი" არის ბოზონი. ბოზონებისთვის პაულის აკრძალვა არ ვრცელდება - ისინი ერთდროულად შეიძლება იყვნენ ერთსა და იმავე კვანტურ მდგომარეობაში ან ენერგიის ერთ დონეზე. უფრო და უფრო მეტი წყვილი "ვარდება" ამ ენერგიის დონეზე - ბოს კონდენსატი... ბოს კონდენსატში ნაწილაკები იქცევიან თანმიმდევრულად(შეთანხმებით) და მათი კურსი არაპროგნოზირებადი(ენერგიის დაკარგვის გარეშე).
მკაცრად რომ ვთქვათ, ბოსე-აინშტაინის თეორია ეხება იდეალურ გაზებს და არა ისეთ რთულ ურთიერთქმედების სისტემებს, როგორიცაა ელექტრონები სუპერგამტარებში. მაგრამ პროცესების არსი - ნაწილაკების უნარი „შეიკრიბოს“ ერთსა და იმავე ენერგიაზე - იგივეა. აქედან გამომდინარე, ჩვენ თავს მივცემთ უფლებას, გავაკეთოთ ასეთი ანალოგია.
როგორ იქმნება კუპერის წყვილი?ელექტრონები, რომლებიც დაფრინავენ დადებითად დამუხტულ ატომებს შორის, იწვევენ მათ საკუთარ თავში, როგორც უარყოფითი მუხტის რეგიონში. მაგრამ ატომები "მოუხერხებელია", ისინი ბევრად უფრო მძიმეა და უფრო ნელა მოძრაობენ. შედეგად, ელექტრონის გავლის შემდეგ იქმნება პოზიტიური მუხტის რეგიონი. სხვა ელექტრონი იზიდავს მას. ასე რომ, წყვილებში, ისინი ბროლის ბადის გასწვრივ მოძრაობენ ატომებს შორის, ენერგიის შეჯახების გარეშე გაფრქვევის გარეშე. ფიზიკოსები ამ პროცესს უწოდებენ ელექტრონების ურთიერთქმედებას ბროლის გისოსის ვირტუალურ ფონონებთან.
რატომ არ ანაწილებს კუპერის წყვილი ენერგიას?იმის ახსნა, თუ რატომ არ კარგავს ელექტრონები ენერგიას, უნდა მივმართოთ კონცეფციას ელექტრონული სპექტრი- ენერგიის დამოკიდებულება ტალღის ვექტორზე. სუპერგამტარს, ჩვეულებრივი მეტალისგან განსხვავებით, აქვს განსაკუთრებული ნაპრალი- აკრძალული სახელმწიფოების ტერიტორია. ანუ ელექტრონს არ შეუძლია დაიკავოს მდგომარეობა ენერგიით ამ აკრძალული რეგიონიდან. სლოტი "იხსნება" მხოლოდ კრიტიკულ ტემპერატურაზე და აგრძელებს "ზრდას" გაგრილებისთანავე. სუპერგამტარებში, ამ უფსკრულის შუაში არის დონე ნებადართული ენერგიით, სადაც კუპერის წყვილი მდებარეობს. მაგრამ ამ დონის ზემოთ და ქვემოთ არის "აკრძალული ზონა", რაც იმას ნიშნავს, რომ ელექტრონული წყვილი, როგორც ჩანს, ჩაკეტილია ამ დონეზე შუალედში. მათ შეუძლიათ ენერგიის დაკარგვა ან შთანთქმა მხოლოდ იმ ნაწილებში, რომლებიც უფრო დიდია ვიდრე ზოლის უფსკრული - კუპერის წყვილის დაბალი სიჩქარით, ეს თითქმის შეუძლებელი პროცესია. არსებობს გამტარუნარიანობის არახელსაყრელი (ენერგიის დაკარგვის გარეშე) გადაადგილება ბროლის ბადეში - ეს არის ზეგამტარობა. დავამატოთ, რომ ასეთი უფსკრული არ არის იგივე ნახევარგამტარებისა და დიელექტრიკების აკრძალული ზოლი, რის გამოც გამტარობა საერთოდ ქრება ან მცირდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. დიელექტრიკებს ან ნახევარგამტარებს არ გააჩნიათ დონე კუპერის წყვილებში ზოლების შუალედში, ხოლო გამტარობა თავისთავად შეიძლება წარმოიშვას (აღარაფერი ვთქვათ ზეგამტარობაზე) მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ელექტრონს შეუძლია შეიძინოს ენერგია ბარიერზე გადასასვლელად.
ამ ეტაპზე მცირე განმარტება ღირს. თითქმის არცერთ მეცნიერს არ ეპარება ეჭვი, რომ ზეგამტარი დენი წარმოიქმნება კუპერის წყვილების ან ბოზის სხვა ნაწილაკების წარმოქმნის და მათი ენერგიის ერთსა და იმავე დონეზე კონდენსაციის გამო. დავები წარმოიქმნება იმის შესახებ როგორ წარმოიქმნება ეს ბოზის ნაწილაკები... BCS თეორია გვთავაზობს ელექტრონ-ფონონის ურთიერთქმედებას, როგორც მსგავს მექანიზმს. მაგრამ რატომ არ "გამოვიყენოთ" სხვა კვაზიწილაკები ამისათვის? ეს არის ის, რაც ჩვენი შემდეგი ამბავია.
მეორე ამბავი: მაგონონები
სუპერგამტარი: ZrZn 2 და სხვები.
მექანიზმი: სამმაგი კუპერის წყვილების წარმოქმნა მოხეტიალე ელექტრონების ფერომაგნეტიზმის ფენომენის გამო.
სტატია: C. Pfleiderer et. al ზეგამტარობის და ფერომაგნეტიზმის თანაარსებობა d- ზოლის ლითონში ZrZn 2 / ბუნება 412, 58-61 (2001).
D. Fay and J. Appel თანაარსებობა p- მდგომარეობის ზეგამტარობა და მოხეტიალე ფერომაგნეტიზმი / ფიზი. მეუფე B 22, 3173 (1980).
ოთახის ტემპერატურა, პარამაგნიტური-მეტალი.
მყარი ნივთიერების ელექტრონი მოქმედებს სხვა ელექტრონების კულონური მოგერიების ძალებით, ბროლის გისოსების იონების მოზიდვით, ასევე ძალებით გაცვლის ურთიერთქმედებაელექტრონებს შორის. ეს უკანასკნელი წმინდად კვანტური ხასიათისაა და განპირობებულია ელექტრონების არსებობით უკან- შიდა კუთხის იმპულსი, ღირებულებების აღება. ეს არის გაცვლითი ურთიერთქმედება, რომელიც ყველაზე ხშირად იწვევს მაგნიტურ დალაგებას მასალებში-ფენომენების კლასს, რომლებიც ცნობილია როგორც ფერო-, ფერრი- და ანტიფერომაგნეტიზმი. ხშირ შემთხვევაში, ეს მოვლენები ხდება მაშინ, როდესაც ნივთიერება არ არის გამტარებელი, ანუ მასში შემავალი ელექტრონები ლოკალიზებულია, ან "მიმაგრებულია" კონკრეტულ იონზე. ეს ამბავი ფოკუსირდება ფერომაგნეტიზმზე. კოლექტივიზებულიელექტრონები, ანუ "მობილური" - პასუხისმგებელია გამტარობაზე.
ფერომაგნიტური შეკვეთის ტემპერატურა, ფერომაგნიტურ-მეტალი. დირიჟორში ელექტრონების გაცვლის ურთიერთქმედება ზოგიერთ შემთხვევაში შეიძლება გამოიწვიოს იმ ფაქტმა, რომ ელექტრონების ტრიალები, ქაოტურად "დაფრინავენ" ჩვეულებრივ დირიჟორში, მოულოდნელად იწყებენ "შეხედვას" იმავე მიმართულებით. პრინციპში, მსგავსი სიტუაცია შეიძლება შეინიშნოს შეშინებული ხალხის მორევში. ბრბოს ინდივიდს შეუძლია გაიქცეს სრულიად ქაოტური მიმართულებით, შეეჯახოს სხვა ადამიანებს, კედლებსა და ღობეებს, რამაც გამოიწვია მსგავსი ლითონების წინააღმდეგობის მსგავსი ეფექტი. მაგრამ ამავე დროს, სავარაუდოდ, ადამიანების უმეტესობა გაიქცევა ფეხების დახმარებით და არა ხელებით, ამიტომ მათი "ზურგი" - მიმართულება ფეხებიდან თავამდე - დაემთხვევა. ამრიგად, თუ ტემპერატურა (ხალხში ხალხის საშუალო სიჩქარე) საკმარისად დაბალია, ელექტრონის ტრიალების უმეტესობა მიმართული იქნება და ასეთი მასალა იქნება ფერომაგნიტური მეტალი.
სუპერგამტარი გარდამავალი კრიტიკული ტემპერატურა, ფერომაგნიტურ-ზეგამტარი. იმისდა მიუხედავად, რომ ცალკეული ელექტრონების ბრუნვა არის კოდური მიმართულება, ისინი მკაცრად არ არის დაფიქსირებული კონკრეტული მიმართულებით. მათ შეუძლიათ ირხეოდნენ, გადატრიალდნენ და დაარღვიეს მკაცრი წესრიგი. მაგრამ, ზოგადი მიმართულებიდან გადახვევისას, კონკრეტული ბრუნვა იწვევს "დარღვევას" და მის მიმდებარე ელექტრონებს და ისინი, თავის მხრივ, ცდილობენ დააბრუნონ იგი პირვანდელ მდგომარეობაში. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ფერომაგნიტურ ელექტრონებში ენერგიულად მომგებიანიაქვთ თანა-მიმართულების ტრიალები, ვინაიდან ისინი ურთიერთდაკავშირებულია გაცვლითი ურთიერთქმედების ენერგიით. ამ ენერგიის მომატების გამო დაბალ ტემპერატურაზე, მსგავსი მიმზიდველობის მსგავსი წარმოიქმნება ელექტრონებს შორის - ისინი წყვილებში გაერთიანდება. მაგრამ, განსხვავებით "ფონონის" სუპერგამტარისაგან, ამ წყვილის მთლიანი ბრუნვა არის არა ნული, არამედ ერთი, ვინაიდან ტრიალები თანა-მიმართულია. ამ ფენომენს ქვია სამეულიზეგამტარობა. და ეწოდება "პრობლემებს", რომლებსაც შეუძლიათ გადატრიალება და არეულობის გავრცელება მეზობელ ელექტრონებზე მაგონონები... ეს არის მაგონები, რომლებიც ეხმარება ელექტრონებს დაწყვილდნენ სუპერგამტარ გადასვლაში.
ამბავი მესამე: აგზნება
სუპერგამტარი: ხელოვნური მასალები, რომელიც შედგება დიელექტრიკისა და ნახევარგამტარების რამდენიმე მოწესრიგებული ფენისგან, თითოეული ფენა თითქმის ერთი ატომის სისქისაა.
მექანიზმი: ბოსე-აინშტაინის არაპირდაპირი აგზნების კონდენსაცია.
სტატიები : ჯ. პ. ეიზენშტეინი, ა. ჰ. მაკდონალდ ბოსე-აინშტაინი აგზნების კონდენსაცია ორსართულიან ელექტრონულ სისტემებში / ბუნება 432, 691-694 (2004 წლის 9 დეკემბერი).
M. M. Fogler, L. V. Butov & K. S. Novoselov მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარიანობა არაპირდაპირი აგზნებადობით van der Waals ჰეტეროსტრუქტურაში / Nature Communications 5, 4555 (2014).
ოთახის ტემპერატურა, არანაირი ზეგამტარობა. საწყისი მასალა არის დიელექტრიკის მონოტომიური ფენების ხელოვნური "გროვა" (მასალები, რომლებიც არ ატარებენ დენს) და ნახევარგამტარები (გამტარის დენი, მაგრამ უარესი ვიდრე ნამდვილი გამტარები). იმისთვის, რომ ნახევარგამტარში დენი გამოჩნდეს, ელექტრონებმა უნდა მიიღონ საკმარისი ენერგია იმისთვის, რომ "გადახტნენ" აკრძალული ზონა... როდესაც ელექტრონი "ხტება" და ხდება გამტარი, ის რჩება თავის ადგილზე ხვრელიან, მარტივად რომ ვთქვათ, ელექტრონის არარსებობა. ელექტრონი + ხვრელი = აგზნება... მართალია, იმისათვის, რომ ელექტრონიდან და ხვრელიდან წარმოიქმნას აგზნება, ისინი უნდა იყოს დაკავშირებული, ანუ ჰქონდეთ ოდნავ დაბალი ენერგია, ვიდრე ცალკეული ნაწილაკების მთლიანი ენერგია - მხოლოდ ამ შემთხვევაში ისინი გადადიან მასალის მეშვეობით შეთანხმებულად. წინააღმდეგ შემთხვევაში, მაგალითად, "მსუბუქ" ელექტრონს შეუძლია უბრალოდ "გაფრინდეს", ხოლო "მოუხერხებელი" ხვრელი ვერ შეძლებს მის დგომას.
ტემპერატურა კრიტიკულზე მაღლაა, ოთახის ტემპერატურაზე დაბლა, არ არსებობს ზეგამტარობა. თუკი მხოლოდ ჩვეულებრივი აგზნება (რომელიც ვრცელდება ნახევარგამტარული ფენის შიგნით) შეიძლებოდა არსებობდეს ასეთ მრავალშრიან მასალაში, არანაირი ზეგამტარობის იმედი არ იქნებოდა. მაგრამ დიელექტრიკული და ნახევარგამტარული ფენები მასში განლაგებულია შემთხვევით. ისინი წარმოადგენენ "ბურგერს", რომელშიც კატლეტი არის არაგამტარ დიელექტრიკი, ხოლო პურის ორი ფენა არის ნახევარგამტარები თავისუფალი ელექტრონებით, ხვრელებითა და "არათავისუფალი" აგზნებით. ასეთ "ბურგერში" არაპირდაპირი აგზნება... ამისათვის, "პურის" ქვედა ნაჭერიდან ელექტრონი უნდა გაფრინდეს "კატლეტში", გაიჭედოს ზედა ნაწილში, ხოლო დარჩეს კავშირში მის ხვრელთან "პურის" ქვედა ნაჭერიდან. ამრიგად, შესაძლებელია შეიქმნას პირობები, რომლის მიხედვითაც ელექტრონები უპირატესად შეგროვდება ნახევარგამტარული პურის ერთ ფენაში, ხოლო ხვრელები მეორე ფენაში. შემდეგ დიელექტრიკული კატლეტის ფენა ხელს შეუშლის ელექტრონის დაბრუნებას პირვანდელ ადგილას, შექმნის ენერგიის ბარიერს. ანუ, იმისათვის, რომ ელექტრონი უკან გადახტომა, მას სჭირდება დამატებითი ენერგიის დახარჯვა.
ბოზ-აინშტაინის კონდენსაციის კრიტიკული ტემპერატურა, ზეგამტარობის წარმოქმნა. ექსციტონს აქვს ნულოვანი ბრუნვა, რაც ნიშნავს რომ ის არის ბოზონი. ამრიგად, აგზნებებს შეუძლიათ შექმნან ბოსეს კონდენსატი, კუპერის წყვილების მსგავსად. მეორეს მხრივ, კუპერის წყვილის მუხტი უდრის ელექტრონის ორ მუხტს, მაგრამ აგზნების მუხტი ნულის ტოლია. ნულოვანი მუხტების მოძრაობა ვერ შექმნის დინებას, საიდან მოდის გამტარობა და თუნდაც პრეფიქსი სუპერ-? იგივე არაპირდაპირი აგზნება დაეხმარება ამაში. მათი დახმარებით, აგზნების მუხტი დაიყოფა ორ ნაწილად, შემდეგ კი უარყოფითი ელექტრონები მიეკუთვნება ნახევარგამტარების ერთ ფენას, ხოლო დადებითი ხვრელები მეორეს. ახლა თქვენ შეგიძლიათ "შედუღოთ" კონტაქტების გამტარობა, მაგალითად, ნახევარგამტარული პურის ზედა ფენაზე და მიმართოთ მათზე ძაბვას - ზედა ფენის ელექტრონები დაიწყებენ მოძრაობას და მათთან ერთად ქვედა ფენის ხვრელები დაიწყებენ მოძრაობას, ქმნიან დინებები საპირისპირო მიმართულებით. თუ ტემპერატურა იმდენად შემცირდა, რომ აგზნები ერთსა და იმავე ენერგეტიკულ დონეზეა შედედებული, მაშინ ისინი გადაადგილდებიან მასალაში ენერგიის დაკარგვის გარეშე. ნახევარგამტარების თითოეულ ფენაში დაფიქსირდება ზეგამტარობა - ხვრელი ან ელექტრონული.
კრიტიკულ ტემპერატურაზე დაბლა, ზეგამტარი. ხელოვნური ზეგამტარობის შექმნის ამ მეთოდს აქვს თავისი ნაკლი. მაგალითად, ელექტრონები კვლავ დაუბრუნდებიან ხვრელებს ფენომენის გამო გვირაბის გაყვანა... ამ შემთხვევაში, აგზნება "გაქრება" (ფიზიკოსები უწოდებენ ამ პროცესს რეკომბინაცია), და მთლიანი გამტარობა ეცემა. გარდა ამისა, ამგვარი აგზნების შექმნა თავისთავად მოითხოვს ენერგიის ხარჯვას, რადგან ელექტრონი უნდა „გადააგდეს“ დიელექტრიკის მიერ შექმნილ ბარიერს. ტემპერატურის დაქვეითებით, უფრო რთული ხდება ახალი აგზნების შექმნა, ამიტომ ძნელი სათქმელია, ჩაანაცვლებს თუ არა ნახევარგამტარებისა და დიელექტრიკების ასეთი ხელოვნური "ბურგერი" ნამდვილ ზეგამტარს.
აღსანიშნავია, რომ ხელოვნური "ექსციტონის ზეგამტარის" გარდა, რომელიც წინა ისტორიაში იყო ნახსენები, ასევე არსებობს ისეთი ტერმინი, როგორიცაა "ზეგამტარობის აღგზნების მექანიზმი" და ეს ფენომენები ზუსტად იგივე არ არის. ზემოთ მოყვანილ მაგალითში არსებითად არ არსებობს კუპერის წყვილი. აგზნების მექანიზმი მსგავსია BCS თეორიის ფონონისა, გარდა იმისა, რომ მასში კუპერის წყვილის ორ ელექტრონს შორის დამაკავშირებელი კავშირი არის არა ფონონები, არამედ ბოზების კონდენსატის მდგომარეობაში მყოფი აგზნები. ორივე მექანიზმში ასეთი კავშირი იწვევს იმ ფაქტს, რომ უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები, როგორც ჩანს, იზიდავენ ერთმანეთს (თუმცა, კულონის კანონის თანახმად, ისინი უნდა მოიგერიონ). სინამდვილეში, ორივე ელექტრონი იზიდავს დროებით ამოსული პოზიტიური მუხტის რეგიონს, რომელიც შექმნილია ფონონებით ან აგზნებით. უფრო მეტიც, ვინაიდან უფრო ადვილია აგზნების "შექმნა", ითვლება, რომ ასეთ მექანიზმს შეუძლია ახსნას კრიტიკული ტემპერატურის მაღალი მნიშვნელობები ზოგიერთი მასალისთვის.
მეოთხე ამბავი: რყევები
სუპერგამტარი:
რკინის სელენიდი FeSe და სხვები.
მექანიზმი: ბრუნვის რყევები ნაერთებში, რომლებიც შეიცავს იონებს არა ნულოვანი მაგნიტური მომენტით, შერწყმული ნემატური სტრუქტურული ფაზის გადასვლასთან ერთად.
მუხლი : Qisi Wang et. al ძლიერი ურთიერთქმედება ზოლების დატრიალების რყევებს, ნემატურობასა და ზეგამტარობას შორის FeSe / Nature Materials, 15, 159–163 (2015).
Fa Wang, Steven A. Kivelson & Dung-Hai Lee Nematicity and quantum paramagnetism in FeSe / Nature Physics 11, 959-963 (2015).
ოთახის ტემპერატურა, პარამაგნიტური. ეს მექანიზმი შესაძლებელია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მასალა შეიცავს იონებს არა ნულოვანი მაგნიტური მომენტით - ეს ნიშნავს, რომ სულ დატრიალებალოკალიზებული ელექტრონების იონში (კვანტური მახასიათებელი - შინაგანი კუთხის იმპულსი) ნულის ტოლი არ არის. ასეთი მასალები ეხება პარამაგნიტები... მაგნიტურ მომენტებს შეუძლიათ ერთმანეთთან ურთიერთქმედება, წესრიგი, რის გამოც ბევრი მასალა ავლენს ფერო-, ანტიფერომაგნიტურ თვისებებს და სხვა, უფრო ეგზოტიკურ ვარიანტებს. ოთახის ტემპერატურაზე, გისოსი იონების თერმული ვიბრაცია ხელს უშლის მაგნიტური მომენტების დალაგებას, ისინი ვიბრირებენ თითქმის შემთხვევით - ნივთიერება რჩება პარამაგნიტად.
ოთახის ტემპერატურაზე დაბალი ტემპერატურა, პარამაგნიტური. ტემპერატურის შემცირებით, რხევები სუსტდება და მაგნიტური ურთიერთქმედება, პირიქით, იწყებს გაძლიერებას. მაგნიტური მომენტები ახლა უფრო თანმიმდევრულად ცვალებადია, ცდილობს იპოვოს "ხელსაყრელი" პოზიცია, მაგრამ ბროლის გისოსის სიმეტრიის გამო (ტეტრაგონული, ანუ მართკუთხა პარალელეპიპედი a = b ≠ c) არ არსებობს მინიმალური მდგომარეობა მინიმალური ენერგია. ენერგიის შესამცირებლად იწყება კვადრატულ გისოსებში მდებარე მაგნიტური მომენტები რიგი- არის მათი დომინანტური მოძრაობა გარკვეული მიმართულებით.
ნემატური ფაზის გადასვლა, პარამაგნიტი. Დატრიალება რყევები(ვიბრაცია) ახლა მნიშვნელოვან წვლილს შეიტანს გისოსი იონების ვიბრაციებთან შედარებით. დატრიალების "მცდელობები" ჯაჭვში გაფორმების მიზნით საბოლოოდ იწყებს გავლენას ბროლის ბადეზე, ამცირებს მის სიმეტრიას (ახლა a ≠ b ≠ c არის ორთორჰომული). ფაზა ხდება ნემატურიგარდამავალი (ეგრეთ წოდებული გადასვლა ბროლის გისოსის სიმეტრიის ანალოგიური შემცირებით). ის, თავის მხრივ, კიდევ უფრო აძლიერებს სპინის რხევების ანისოტროპიას, რომელიც საბოლოოდ ჯაჭვში დგება. მაგრამ სრული მაგნიტური მოწესრიგება არ ხდება, რადგან ჯაჭვები ვერ "ფიქსირდება" რომელიმე კონკრეტულ პოზიციაში, ვინაიდან ასეთი მდგომარეობა არ არის სტაბილური.
ნემატური ფაზა, პარამაგნიტური. დატრიალების რყევები არის მაგნონების "პატარა ძმები" (მაგონებს ეწოდება სპინის რყევები მოწესრიგებულ მაგნიტებში). როგორც წესი, "ტრიალების მცდელობა" გარკვეული მიმართულებით განლაგდეს, საბოლოოდ იწვევს მაგნიტურ ფაზაში გადასვლას და ნივთიერება ხდება, მაგალითად, ანტიფერომაგნიტი. თუმცა, ზოგიერთ მასალაში ეს ხელს უშლის იონების ვიბრაციებს კრისტალურ გისოსებში. სწორედ ეს მასალებია კანდიდატები სუპერგამტარებისთვის.
ზეგამტარების გადასვლის კრიტიკული ტემპერატურა. ზეგამტარების გადასვლის ტემპერატურის მოახლოებასთან ერთად, ბრუნვის რყევების ენერგია შედარებულია გრილის ვიბრაციებთან. მაგნიტურ წესრიგს არ აქვს დრო საკუთარი თავის დასამკვიდრებლად, მაგრამ ელექტრონების თანმიმდევრული ქცევა სპინის რყევების გამო ზღუდავს ელექტრონების შესაძლო მდგომარეობების "ჩამონათვალს". ეს იწვევს ელექტრონული სპექტრის უფსკრული, ხოლო მაგნიტური გადასვლა "იცვლება" ზეგამტარობით. ამრიგად, ბრუნვის რყევები, ბროლის გისოსის ვიბრაციასთან და მისი სიმეტრიის ცვლილებასთან ერთად, საბოლოოდ იწვევს კუპერის წყვილების ფორმირების სხვა გზას.
/ ფიზ. მეუფე Lett. 101,026406 (2008).
S. V. Borisenko et. al უშუალო დაკვირვება სპინ-ორბიტის შეერთებაზე რკინაზე დაფუძნებულ ზეგამტარებში / ბუნების ფიზიკა, 12, 311–317 (2015).
ოთახის ტემპერატურიდან კრიტიკულამდე. სპინი-ორბიტა ურთიერთქმედება გავლენას ახდენს ელექტრონულ სპექტრზე, რითაც "ერევა" გამტარ თვისებებში. ეს ფენომენი - ურთიერთქმედება მოძრავ ელექტრონსა და მის ბრუნვას შორის - ყველაზე ძლიერად ვლინდება ელექტრონული მოძრაობის მაღალი სიჩქარით (კვანტურ ფიზიკაში ისინი მუშაობენ იმპულსის კონცეფციით), ანუ ეს არის რელატივისტური ეფექტი. ის გავლენას ახდენს ყველა ნაერთის ელექტრონულ თვისებებზე, მაგრამ მისი წვლილი უფრო დიდია, რაც უფრო მაღალია ატომური რიცხვი პერიოდულ სისტემაში, ვინაიდან ელექტრონების გადაადგილების "სიჩქარე" უფრო მაღალი ენერგიის დონეზე გაცილებით მაღალია. LiFeAs და სხვა ზეგამტარი რკინის არსენიდები, სპინი-ორბიტა ურთიერთქმედების წვლილი საკმარისია ელექტრონული სტრუქტურის შესამჩნევად ზემოქმედებისათვის. წარმოიდგინეთ, რომ ხელში გიჭირავთ პლასტილინის ბურთი. სპინი-ორბიტის ურთიერთქმედება ელექტრონულ სტრუქტურაზე მაშინ შეიძლება წარმოვიდგინოთ, თითქოს თითებით ქმნით ამობურცულობას და ამობურცულობას ამგვარად, ამახინჯებთ მის პირვანდელ ფორმას.
დასასრულს, ჩვენ შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ჩვენს მოთხრობებში მხოლოდ რამდენიმე შესაძლო პროცესია ჩამოთვლილი, რაც საბოლოოდ იწვევს ზეგამტარობას. ყველა მათგანი, კლასიკური ელექტროფონონის მექანიზმის ჩათვლით, შეიძლება გაერთიანდეს ერთ მასალაში, ან ერთი მათგანი იქნება ძირითადი ნივთიერებისათვის. ალბათ ყველა ეს მრავალრიცხოვანი და რთული მექანიზმი მხოლოდ ნაწილია გლობალური ფიზიკური კანონისა, რომელიც მეცნიერებმა ჯერ ვერ აღმოაჩინეს. მაგრამ შეიძლება აღმოჩნდეს, რომ ბუნება ბევრად უფრო რთული და მრავალმხრივია, ვიდრე ჩვენ შეგვიძლია წარმოვიდგინოთ და უბრალოდ არ არსებობს სუპერგამტარობის ერთი კანონი.
ეკატერინა კოზლიაკოვა
