TJUMENO VALSTYBINIO UNIVERSITETAS
MOLEKULINĖS FIZIKOS KATEDRA
KRITINĖS TEMPERATŪROS NUSTATYMAS
I. Trumpoji teorija
§ 1. Tikros dujos.
Klapeirono – Mendelejevo būsenos lygtis gana gerai apibūdina iš eksperimentų žinomas dujų savybes. Tačiau jis yra apytikslis ir galioja tik esant pakankamai žemam slėgiui. Be to, patirtis rodo, kad esant tam tikram slėgiui ir temperatūrai, dujos kondensuojasi, t.y. patenka į skystą būseną. Clapeyrono – Mendelejevo lygtis šio reiškinio neaprašo. Tikrųjų dujų izoterma šiuo atveju turi būdingą formą (1 pav.).
Panagrinėkime šį grafiką atitinkantį procesą, vykdomą ABCD kryptimi. Dalis AB izotermos apibūdina dujų suspaudimo procesą prieš prasidedant kondensacijai. Jis gali gana gerai sutapti su izoterma, apskaičiuota pagal Clapeyrono-Mendelejevo lygtį (rodoma punktyrine linija). Tačiau procese, vykdomame su tikra medžiaga esant tam tikram slėgiui, prasidės kondensacija (grafiko B taškas). Šis slėgis vadinamas prisotinimo garų slėgiu arba tiesiog prisotinimo slėgiu.
Dalis BC grafiko apibūdina dviejų fazių materijos būseną. Tūriui mažėjant nuo iki, vis didesnė medžiagos dalis pereina iš garų būsenos į skystą. Taškas C vaizduoja būseną, kai visa medžiaga virto skysčiu. Galiausiai CD aprašo skysčio suspaudimo procesą, grafikas eina beveik lygiagrečiai vertikaliai ašiai, atspindėdamas gerai žinomą faktą: skysčiai turi daug mažesnį suspaudimą nei dujos.
Jei atliksime panašius izoterminius procesus su tuo pačiu medžiagos kiekiu skirtingose temperatūrose, gausime izotermų sistemą, parodytą 2 pav.
Aukštesnes temperatūras atitinkančios kreivės yra toliau nuo koordinačių pradžios. Kylant temperatūrai, horizontalios izotermų dalys, apibūdinančios dvifazę būseną, mažėja ir, esant tam tikrai temperatūrai, išsigimsta į vieną tašką. Ši temperatūra vadinama kritine.
Esant aukštesnei nei kritinei temperatūrai, neįmanoma gauti dvifazės medžiagos.
§ 2. Van der Waals lygtis. Van der Waals izotermos.
Idealių dujų būsenos lygtis esant dideliam tankiui negali gerai sutapti su eksperimentu, nes rašant buvo daroma prielaida, kad molekulės neturi matmenų ir nesąveikauja viena su kita. Norint gauti būsenos lygtį, kuri patenkinamai apibūdina tikrų dujų savybes, būtina atsižvelgti į molekulių dydį arba atstumiančias jėgas, atsirandančias tarp molekulių, esančių nedideliais atstumais viena nuo kitos. Be to, reikia atsižvelgti ir į traukos jėgas tarp molekulių.
Galima remtis Klapeirono ir Mendelejevo būsenos lygtimi ir padaryti atitinkamus jos pakeitimus. Atsižvelgsime į atstumiančias jėgas arba molekulių dydžius, įvesdami tūrio pataisą Clapeyrono-Mendelejevo lygtyje vienam kilomoliui dujų.
(1)
(2)
Iš antrosios išraiškos matyti, kad ties , slėgis linkęs į begalybę, t.y. Jūs negalite suspausti materijos iki tūrio, lygaus nuliui.
Esant gana dideliems atstumams tarp molekulių, patrauklios jėgos vaidina svarbų vaidmenį. Į juos galima atsižvelgti įvedant atitinkamą slėgio pataisą (2) lygtyje:
(3)
Ši korekcija turi būti priimta su neigiamu ženklu, darant prielaidą, kad dėl molekulių pritraukimo sumažėja slėgis indo, kuriame yra tam tikrų dujų, sienelėse. (3) lygtis gali būti transformuota taip:
(4)
Tai realių dujų būsenos lygtis, kurią pirmą kartą gavo van der Waalsas. Galite parašyti jį savavališkam medžiagos kiekiui:
(5)
kur santykinė molekulinė masė.
(4) lygtis gali būti pavaizduota kaip tūrio laipsnio eilutė:
(6)
Esant fiksuotam slėgiui ir temperatūrai, tai bus trečiojo laipsnio lygtis tūrio atžvilgiu ir turi turėti tris šaknis. Įdomiausi rezultatai gaunami analizuojant van der Waals izotermas, kurių viena parodyta 3 pav.
Esant fiksuotai temperatūrai, kiekviena slėgio reikšmė atitiks tris (6) lygties šaknis. Slėgis atitinka tris tikras šaknis , , . Spaudimai ir atitinka vieną tikrąją šaknį ir dvi sudėtingas konjuguotas šaknis, kurios neturi fizinės reikšmės ir nebus toliau nagrinėjamos.
Įdomu palyginti van der Waals izotermą ir eksperimentinę izotermą. 3 paveiksle eksperimentinės izotermos horizontalioji pjūvis pavaizduota tiese BF. AB dalyje aprašoma dujinė medžiagos būsena ir patenkinamai sutampa su eksperimentine izoterma. FG dalyje aprašomas izoterminis skysčio suspaudimas. Taigi, van der Waals lygtis gana gerai apibūdina medžiagos elgesį dujinėje ir skystoje būsenose izoterminio proceso metu.
Žymiai skirtingos izotermos BF skyriuje . Tačiau šakos BC ir EF turi tam tikrą fizinę reikšmę. Medžiagos būsenas, kurias reprezentuoja BC sritis, galima gauti eksperimentiniu būdu. Tai yra persotinti arba peršaldyti garai. Eksperimentiškai stebimos ir EF atkarpą atitinkančios medžiagos būsenos. Skystis tokiose būsenose vadinamas perkaitintu. Šios būsenos vadinamos metastabiliomis. Dalis van der Waals izotermos CDE eksperimentuose niekada nepastebėta. Tai apibūdina nestabilią materijos būseną.
§ 3. Kritinė temperatūra. Kritinės būklės.
Sukurkime van der Waals izotermų šeimą (4 pav.). Kylant temperatūrai kreivės bus toliau nuo koordinatės pradžios ir jų pobūdis keisis. Maksimumai ir minimumai susilies tiek išilgai abscisių ašies, tiek išilgai ordinačių ašies, o esant tam tikrai temperatūrai susilies į vieną tašką – vingio tašką. Esant tokiai temperatūrai ir slėgiui, atitinkančiam šį tašką, trys tikrosios šaknys tampa daugkartinės. Skysčio ir garų skirtumas bei sąsaja tarp jų išnyksta. Tokia būsena vadinama kritine, o temperatūra – kritine. Ši temperatūra yra būdinga kiekvienos medžiagos savybė.
Naudojant van der Waals lygtį, kritinius parametrus , galima išreikšti atskirų medžiagų konstantomis ir , taip pat universaliąja dujų konstanta .
Vienas iš būdų rasti kritinius parametrus yra pagrįstas tuo, kad kritinei būsenai parašytos van der Waalso lygties šaknys yra kartotinės, t. y. lygtį galima pavaizduoti taip:
Palyginkime su (6) lygtimi
Ši lygybė bus įvykdyta identiškai, jei koeficientai, esant tokiems pat galioms, yra lygūs vienas kitam:
,
, (8)
.
Išspręsdami (8) lygčių sistemą, gauname kritinių parametrų išraiškas:
, 
, 
. (9)
Tuos pačius rezultatus galima gauti ir kitu būdu. Kaip jau minėta, taškas, vaizduojantis kritinę būseną, yra vingio taškas izoterminio proceso grafike koordinatėse , . Mes naudojame (3) lygtį, kuri apibrėžia slėgį kaip tūrio funkciją esant fiksuotai temperatūrai. Iš matematinės analizės žinoma, kad vingio taške pirmoji ir antroji išvestinės yra lygios nuliui:
(10)
(11)
Išspręsdami (3), (10), (11) lygčių sistemą , , gauname jiems tuos pačius ryšius (9).
Eksperimentiškai nustačius kritinius parametrus, galima rasti atskiras medžiagos konstantas ir .
, . (12)
Taigi van der Waalso lygtis apibūdina skysčių ir dujų savybes ir numato kritinės būsenos egzistavimą. Tačiau ji yra mažiau universali nei Clapeyrono-Mendelejevo lygtis, nes ji apima dvi atskiras materijos konstantas ir .
II. MONTAVIMO aprašymas.
Žinios apie kritinius parametrus , yra labai svarbios moksliniu ir praktiniu požiūriu. Virš kritinės temperatūros medžiaga gali egzistuoti tik dujinėje būsenoje. Latentinė garavimo šiluma ir paviršiaus įtempimo koeficientas išnyksta esant kritinei temperatūrai.
Sukūrus izotermų sistemą remiantis eksperimentiniais duomenimis (kaip parodyta 2 pav.), galima nustatyti kritinę temperatūrą ir dar du parametrus. Šį metodą pirmasis pritaikė Andrewsas, nustatydamas kritinius anglies dioksido parametrus. Nustatant tik kritinę temperatūrą, galima naudoti ne tokį sudėtingą menisko išnykimo būdą. Bandomoji medžiaga dedama į sandarią stiklinę ampulę ir kaitinama. Jei skysčio kiekis ampulėje parenkamas taip, kad kaitinimo metu meniskas praktiškai liktų vietoje, tai tam tikru momentu medžiaga pasieks kritinę būseną (meniskas išnyks). Atvėsus jis vėl pasirodys ir medžiaga išsiskirs į dvi fazes. Temperatūra, kurioje atsiranda ir išnyksta meniskas, bus kritinė.
Kritinės temperatūros nustatymas atliekamas įrenginyje, kurio schema parodyta 5 pav.
Apšvietimas 1 ir termostatas 2 sumontuoti ant bendro stovo, kuriame įdedamas specialus mikropresas 3 su tiriama medžiaga. Apatinėje šviestuvo korpuso dalyje yra du perjungimo jungikliai: vienas įjungia apšvietimą, kiti šildytuvai 4 termostatus. Termostato temperatūra valdoma dviem nuosekliai sujungtomis „Chromel-Copel“ termoporomis. Termoporų 5 darbinės jungtys yra arti mikropreso. Termo emf matuojamas skaitmeniniu voltmetru 6.
Mikropreso įtaisas, jungiantis struktūriškai darbo kamerą ir miniatiūrinį presą, parodytas 6 pav. Mikropreso darbinis tūris yra plono stiklinio vamzdelio 1, kuris įdedamas į preso korpusą 2, tūris. Stiklinis vamzdelis iš abiejų galų hermetiškai užsandarinamas varžtais 3 ir 4 su fluoroplastiniais sandarikliais 5. Sraigto 4 viduje, stūmoklis 6 gali judėti išilgai sriegio ir taip keisti darbinį tūrį. Vizualiai stebimas medžiagos būsenos pasikeitimas per žiūrėjimo angas preso korpuse ir termostato korpuse.
III. MATAVIMAI. MATAVIMO REZULTATŲ APDOROJIMAS.
Atliekant laboratorinius darbus būtina sukalibruoti termoporas ir sudaryti kalibravimo kreivę. Norėdami tai padaryti, pirmiausia įjunkite voltmetrą, o po 20–30 minučių įjunkite termostato šildytuvus. Vietoj mikropreso į termostatą įdedamas gyvsidabrio termometras su matavimo ribomis nuo 0°C iki 350°C. Didinant temperatūrą, būtina įrašyti voltmetro ir termometro rodmenis Dt=20°C. Tada reikia įjungti termostato šildymą ir aušinimo metu įrašyti atitinkamus rodmenis. Galutinius kalibravimo rezultatus pateikite grafiko pavidalu: voltmetro rodmenys milivoltais pavaizduoti vertikaliai U , horizontaliai skirtumas tarp orkaitės ir kambario temperatūros. Būtina tiksliai paimti temperatūros skirtumą, nes „šaltos“ termoporų jungtys yra kambario temperatūroje.
Atlikę gradaciją, naudodami švirkštą, užpildykite mikropresą tiriamąja medžiaga iš varžto 3 pusės. Tokiu atveju stūmoklis turi būti įkištas į stiklinį vamzdelį iki atitinkamos žymos, maždaug 3/4 ilgio. Toliau reikia uždaryti presą varžtu 3 su sandarikliu, kad į stiklinį vamzdelį nepatektų oro burbuliukų. Varžtai 3 ir 4 turi būti tvirtai priveržti. Po to stūmoklį galima išimti iš stiklinio vamzdžio taip, kad susidariusi dujinė fazė užimtų maždaug tokį patį tūrį kaip ir skystoji. Tada presas dedamas į termostatą taip, kad stūmoklio rankena būtų viršuje, už termostato ribų, ir įjungiamas šildymas.
Šildymo procese būtina stebėti menisko padėtį, judant stūmoklį viena ar kita kryptimi, kad jis neišeitų iš akių. Esant tam tikrai temperatūrai, meniskas turėtų išnykti. Tai yra kritinė temperatūra. Kritinės būklės medžiaga intensyviai išsklaido šviesą ir tampa drumstai balta, nepermatoma. Šiame nustatyme mikropreso dalys išeina už termostato, per jas vyksta intensyvus šilumos šalinimas.Todėl temperatūra stikliniame vamzdyje nėra vienoda, kritinę būseną galima gauti tik apatinėje vamzdelio dalyje. Tai pastebėta eksperimento metu. Šiuo atveju viršutinėje vamzdžio dalyje galima stebėti sąsają tarp dviejų fazių.
Eksploatacijos metu būtina išmatuoti temperatūrą, kuriai esant apatinėje stiklo vamzdelio dalyje prasideda intensyvus medžiagos sklaidos šviesa. Tada reikia išjungti šildytuvus ir išmatuoti temperatūrą, kuriai esant šis išsibarstymas išnyksta. Tokie matavimai atliekami kelis kartus, o vidutinė vertė laikoma kritine temperatūra.
1 lentelė.
Pagal kritinės temperatūros matavimo rezultatus. ir naudojant 1 lentelės duomenis apie kritinį slėgį, apskaičiuokite van der Waals konstantas ir bandomąją medžiagą.
KONTROLINIAI KLAUSIMAI
1) Kodėl konstantos ir įtraukiamos į van der Waals lygtį?
2) Palyginkite realiųjų izotermų sistemą ir van der Waalso izotermų sistemą.
3) Kaip soties slėgis keičiasi priklausomai nuo temperatūros?
4) Papasakokite apie du kritinių parametrų formulių išvedimo būdus.
5) Parašykite redukuotą van der Waals lygtį.
6)
Suformuluokite atitinkamų būsenų dėsnį.
LITERATŪRA.
1) A.K.Kikoinas, I.K.Kikoinas. Molekulinė fizika. Red. "Mokslas", 1976, p. 208-237.
2) D.V. Sivuchinas. Bendrasis fizikos kursas. T.P., leidimas „Mokslas“, 1976, p. 371–399.
Jei tam tikras skysčio kiekis dedamas į uždarą indą, dalis skysčio išgaruos ir virš skysčio atsiras sočiųjų garų. Slėgis, taigi ir šių garų tankis, priklauso nuo temperatūros. Garų tankis paprastai yra daug mažesnis nei skysčio tankis toje pačioje temperatūroje. Padidinus temperatūrą, skysčio tankis sumažės (§ 198), o sočiųjų garų slėgis ir tankis padidės. Lentelėje. 22 parodytos vandens ir sočiųjų vandens garų tankio vertės skirtingoms temperatūroms (taigi ir atitinkamam slėgiui). Ant pav. 497 tie patys duomenys pateikiami grafiko pavidalu. Viršutinėje grafiko dalyje parodytas skysčio tankio pokytis priklausomai nuo jo temperatūros. Kylant temperatūrai, skysčio tankis mažėja. Apatinėje grafiko dalyje parodyta sočiųjų garų tankio priklausomybė nuo temperatūros. Garų tankis didėja. Esant temperatūrai, atitinkančiai tašką, skysčio ir sočiųjų garų tankiai yra vienodi.
Ryžiai. 497. Vandens ir jo sočiųjų garų tankio priklausomybė nuo temperatūros
22 lentelė. Vandens ir jo sočiųjų garų savybės esant skirtingoms temperatūroms
|
Temperatūra, |
Sočiųjų garų slėgis, |
Vandens tankis, |
sočiųjų garų tankis, |
Specifinė garavimo šiluma, |
Lentelėje matyti, kad kuo aukštesnė temperatūra, tuo mažesnis skirtumas tarp skysčio tankio ir jo sočiųjų garų tankio. Tam tikroje temperatūroje (vandeniui esant ) šie tankiai sutampa. Temperatūra, kuriai esant skysčio ir jo sočiųjų garų tankiai sutampa, vadinama tam tikros medžiagos kritine temperatūra. Ant pav. 497 atitinka tašką . Tašką atitinkantis slėgis vadinamas kritiniu slėgiu. Įvairių medžiagų kritinės temperatūros labai skiriasi. Kai kurie iš jų pateikti lentelėje. 23.
23 lentelė. Kai kurių medžiagų kritinė temperatūra ir kritinis slėgis
|
Medžiaga |
kritinė temperatūra, |
Kritinis slėgis, atm |
Medžiaga |
kritinė temperatūra, |
Kritinis slėgis, atm |
|
anglies dioksidas |
|||||
|
Deguonis |
|||||
|
Etanolis |
|||||
Ką rodo kritinės temperatūros buvimas? Kas nutinka dar aukštesnėje temperatūroje?
Patirtis rodo, kad esant aukštesnei nei kritinei temperatūrai, medžiaga gali egzistuoti tik dujinės būsenos. Jei sumažinsime garų užimamą tūrį esant aukštesnei nei kritinei temperatūrai, tada garų slėgis didėja, tačiau jis nepasisotina ir išlieka vienalytis: kad ir koks būtų didelis slėgis, nerasime dviejų būsenų, atskirtų aštri riba, kaip visada pastebima žemesnėje temperatūroje dėl garų kondensacijos. Taigi, jei kurios nors medžiagos temperatūra yra aukštesnė už kritinę, tada skysčio pavidalo medžiagos ir su ja besiliečiančių garų pusiausvyra neįmanoma esant bet kokiam slėgiui.
Kritinę medžiagos būseną galima stebėti naudojant prietaisą, parodytą Fig. 498. Ją sudaro geležinė dėžė su langais, kuri gali būti šildoma aukščiau ("oro vonia"), ir stiklinė ampulė su eteriu vonios viduje. Kaitinant vonią, meniskas ampulėje pakyla, tampa plokštesnis ir galiausiai išnyksta, o tai rodo perėjimą per kritinę būseną. Kai vonia atvėsinama, ampulė staiga tampa drumsta, nes susidaro daug mažyčių eterio lašelių, po kurių eteris kaupiasi apatinėje ampulės dalyje.
Ryžiai. 498. Prietaisas kritinei eterio būsenai stebėti
Kaip matyti iš lentelės. 22, artėjant prie kritinio taško, savitoji garavimo šiluma tampa vis mažesnė. Tai paaiškinama tuo, kad kylant temperatūrai mažėja skysčio ir garų būsenos medžiagos vidinių energijų skirtumas. Iš tiesų, molekulių sanglaudos jėgos priklauso nuo atstumų tarp molekulių. Jeigu skysčio ir garų tankiai skiriasi mažai, tai mažai skiriasi ir vidutiniai atstumai tarp molekulių. Vadinasi, šiuo atveju molekulių sąveikos potencialios energijos vertės taip pat mažai skirsis. Antrasis garavimo karščio terminas – darbas prieš išorinį slėgį – taip pat mažėja artėjant prie kritinės temperatūros. Tai išplaukia iš to, kad kuo mažesnis garų ir skysčio tankių skirtumas, tuo mažesnis išsiplėtimas vyksta garuojant, taigi, tuo mažiau dirbama garinant.
Pirmą kartą kritinės temperatūros egzistavimas buvo nurodytas 1860 m. Dmitrijus Ivanovičius Mendelejevas (1834-1907), rusų chemikas, atradęs pagrindinį šiuolaikinės chemijos dėsnį – periodinį cheminių elementų dėsnį. Didelis kritinės temperatūros tyrimo nuopelnas priklauso anglų chemikui Thomasui Andrewsui, kuris išsamiai ištyrė anglies dioksido elgseną pasikeitus izoterminiam jo užimamam tūriui. Andrewsas parodė, kad esant žemesnei temperatūrai uždarame inde, galimas anglies dioksido sambūvis skystoje ir dujinėje būsenose; esant aukštesnei nei temperatūrai toks sambūvis neįmanomas, o visas indas užpildomas tik dujomis, kad ir kaip būtų sumažintas jo tūris.
Po kritinės temperatūros atradimo tapo aišku, kodėl ilgą laiką nebuvo įmanoma tokių dujų kaip deguonis ar vandenilis paversti skysčiu. Jų kritinė temperatūra labai žema (23 lentelė). Kad šios dujos virstų skysčiais, jas reikia atvėsinti žemiau kritinės temperatūros. Be to visi bandymai juos suskystinti pasmerkti nesėkmei.
Tauridės nacionalinis universitetas. Į IR. Vernadskis
Eksperimentinės fizikos katedra
Laboratoriniai darbai № 6
KRITINIO APIBRĖŽIMAS
MEDŽIAGOS TEMPERATŪROS
Simferopolis 2002 m
KRITINIO APIBRĖŽIMAS
MEDŽIAGOS TEMPERATŪROS
ĮRANGA : eterio ampulė, Avenarius prietaisas, autotransformatorius, termopora, galvanometras, kalibravimo lentelė.
TEORINĖ DARBŲ DALIS
IR 
Tobulos dujos yra nesąveikaujančių materialių taškų rinkinys. Tokios idealizuotos sistemos būsena apibūdinama Mendelejevo-Klapeirono lygtimi. Tačiau tikrose dujose veikia elektrinio pobūdžio tarpmolekulinės jėgos. Kai atstumas tarp dviejų molekulių mažas, tarp jų veikia atstumiančios jėgos. Šios jėgos lemia dujų molekulių „dydį“, tai yra atstumą, arčiau kurio molekulės stipriai atstumia viena kitą. Didėjant atstumui tarp dviejų molekulių, atstūmimas mažėja, o tada keičia savo ženklą, virsdamas patrauklia jėga. Molekulėms tolstant viena nuo kitos, patrauklios jėgos linkusios nulinės. 
Molekulių sąveika lemia tai, kad tikrosios dujos atitinkamoje temperatūroje ir slėgyje pereina į skystą būseną.
Ant ryžių. vienas eksperimentinės izotermos, gautos suspaudžiant tikras dujas esant pastoviai temperatūrai T = const (T 1
Tam tikromis sąlygomis (dujos be priemaišų, lėtas suspaudimas) galima gauti būseną c-d, paskambino persotinti garai . Esant panašioms suskystintųjų dujų plėtimosi sąlygoms, galima gauti būseną a-c, paskambino perkaitintas skystis . Persotintų garų ir perkaitinto skysčio būsenos yra trumpalaikės (metastabilios). Iš jų sistema greitai grįžta į svetainę a-c.
Kylant temperatūrai, tam tikroje temperatūroje mažėja ir sočiųjų garų kondensaciją atitinkanti izotermų horizontalioji pjūvis. T kr(1 pav. T 3) pereinamoji sritis suspausta į vieną tašką KAM. Dujų būklė taške KAM paskambino kritinė materijos būsena , o atitinkamos temperatūros, slėgio ir tūrio reikšmės vadinamos kritinėmis. Artėjant prie kritinio taško, skirtumas tarp skysčio ir jo sočiųjų garų išnyksta.
Jei T>T cr, tai joks dujų suspaudimas nepaverčia jos skysta.
Kritinės medžiagos būsenos stebėjimo ir kritinės temperatūros matavimo prietaiso aprašymas.
Šiame darbe kritinė medžiagos (etilo eterio) temperatūra nustatoma pagal matomos skysčio-garų ribos išnykimą ir atsiradimą. Eteriu uždaryta ampulė 2 dedamas į šildytuvo vidų 1 , srovė šildytuvui tiekiama iš tinklo per autotransformatorių. Temperatūra šildytuvo viduje matuojama termopora 3 . Priekinėje ir galinėje šildytuvo sienelėse yra įstiklinti langai: priekinė skirta stebėjimui, galinė skirta apšvietimui. Šildytuvas yra storasieniame korpuse su asbesto izoliacija. Termo EMF fiksuojamas milivoltmetru 4 . kalibravimo lentelė 5 skirtas termo EMF paversti temperatūra.
DARBO UŽBAIGIMAS
Patikrinkite, ar yra visos instaliacijos dalys. Ampulė iš šildytuvo neišimkite! Įjunkite foninį apšvietimą. Prijunkite termoporą prie galvanometro, prijunkite srovę į šildytuvą.
PRADĖJUS EKSPERIMENTĄ, ATIDARYTI DANGĄ IR DARYTI JOKIŲ KAISYMŲ VIDUJE DRAUDŽIAMA.
Kai jis įkaista, stebėkite galvanometro, prijungto prie termoporos grandinės, rodmenis ir naudokite kalibravimo kreivę, kad įvertintumėte temperatūrą šildytuvo viduje. Pradedant nuo 160˚С, stebėkite menisko išvaizdą ampulėje.
Nustatykite temperatūrą, kuriai esant meniskas išnyksta. T 1 . Išjunkite automatinį transformatorių. Stebėkite reiškinius, vykstančius ampulėje. Nustatykite temperatūrą T 2 menisko išvaizda. Apskaičiuokite vidurkį:
(1)
Eksperimentuokite tris kartus. Apskaičiuokite kritinės temperatūros nustatymo paklaidą.
KONTROLINIAI KLAUSIMAI
Apibūdinkite tarpmolekulinių jėgų prigimtį tikrose dujose.
Nuotrauka ant PV– tikrų dujų izotermų diagrama ir interpretuoti jų pobūdį.
Nuotrauka ant PV– diagramą ir interpretuoti van der Waals dujų izotermų eigą.
Kaip veikia kritinės medžiagos būsenos stebėjimo ir kritinės temperatūros matavimo prietaisas?
Užduotis. Vienas iš tikrų Berthelot pasiūlytų dujų modelių atitinka šią būsenos lygtį:
kur a, b yra konstantos. Raskite Bertelo dujoms T cr, P cr ir V cr, išreikšdami šiuos dydžius a ir b konstantomis.
LITERATŪRA:
D.V. Sivukhin. Termodinamika ir molekulinė fizika.
(Bendrasis fizikos kursas).
Kūno temperatūra yra vienas iš svarbiausių faktorių, būtinų medžiagų apykaitai. Tai yra organizmo būklės rodiklis ir kinta priklausomai nuo išorinių ir vidinių veiksnių įtakos. Pasijutus blogai ir atsiradus kritinei temperatūrai, būtina skubiai kreiptis į specializuotą įstaigą. Juk tai gali būti daugelio ligų pranašas.
Kūno temperatūrą įtakojantys veiksniai
Ji kinta dėl įvairių veiksnių įtakos – tiek aplinkos, tiek vidinių organizmo savybių, pvz.
Poūmis.
Lėtinis.
Dienos laikai. Temperatūra labai dažnai svyruoja dėl paros laiko kaitos. Atsižvelgiant į tai, ryte kūno temperatūra gali būti šiek tiek žemesnė (0,4-0,7 laipsnio), bet ne žemesnė kaip +35,9°C. O iki vakaro temperatūra, atvirkščiai, gali šiek tiek pakilti (0,2-0,6 laipsnio), bet ne aukščiau kaip +37,2°C.
Amžius. Vaikams temperatūra dažniausiai būna aukštesnė nei 36,6 laipsnio, o suaugusiems, vyresniems nei 60-65 metų, įprasta temperatūra nukrenta.
Sveikatos būklė. Jei žmogaus organizme yra infekcija, tada temperatūra (kovojant su ja) pakyla.
Nėštumas. Nėščioms moterims ankstyvosiose stadijose temperatūra neturi nukristi žemiau 36 laipsnių ir pakilti aukščiau 37,5 laipsnių.
Individualios organizmo savybės.
Aplinkos įtaka.
Kūno temperatūros klasifikacija
Jei analizuosite skirtingus termometro rodmenis, temperatūrą galima suskirstyti į keletą tipų ir klasifikacijų.
Temperatūros tipai pagal vieną iš klasifikacijų (pagal hipertermijos lygį):
Žemas ir sumažintas. Termometro vertė yra žemesnė nei 35°C.
Normalus. Termometro vertė yra 35–37°C.
Subfebrilas. Termometro reikšmė yra 37–38 °C.
Karščiuojantis. Termometro reikšmė yra 38–39 °C.
Piretiškas. Termometro reikšmė yra 39–41°C.
Hiperpiretikas. Termometro reikšmė viršija 41°C.
Temperatūros pasiskirstymas pagal trukmę:
Kita temperatūros tipų klasifikacija:
Hipotermija - žema kūno temperatūra (mažiau nei 35 ° C).
Normali temperatūra. Šio tipo kūno temperatūra svyruoja tarp 35-37 °C ir skiriasi nuo daugelio veiksnių, kurie buvo aptarti aukščiau.
Hipertermija - padidėjusi kūno temperatūra (virš 37 ° C).
Kūno temperatūra normaliose ribose
Vidutinė kūno temperatūra, kaip minėta aukščiau, gali keistis dėl įvairių veiksnių. Jį galima matuoti ne tik pažastyse, bet ir burnoje, ausies ertmėje, tiesiojoje žarnoje. Priklausomai nuo to, termometro duomenys gali skirtis, kritinės temperatūros bus daug aukštesnės arba žemesnės nei čia pateikiamos normos.
Burnoje termometro rodmenys bus 0,3–0,6 ° C aukštesni nei matuojant pažastyse, tai yra, čia 36,9–37,2 ° C rodiklis bus laikomas norma. Tiesiojoje žarnoje termometro rodmenys bus 0,6–1,2 ° C aukštesni, tai yra, norma yra 37,2–37,8 ° C. Ausies ertmėje termometro rodmenys bus tokie patys kaip ir tiesiojoje žarnoje, tai yra, 37,2–37,8 ° C.
Šie duomenys negali būti laikomi tiksliais kiekvienam asmeniui. Daugelio tyrimų duomenimis, tokie rodikliai pasireiškia daugeliui žmonių – tai yra apie 90%, tačiau 10% žmonių normali kūno temperatūra skiriasi nuo daugumos, o rodikliai gali svyruoti aukštyn arba žemyn.
Norint sužinoti, kokia temperatūra yra norma, reikia išmatuoti ir užrašyti rodmenis dienos metu: ryte, po pietų ir vakare. Po visų matavimų reikia rasti visų rodiklių aritmetinį vidurkį. Norėdami tai padaryti, turite pridėti ryto, popietės ir vakaro rodiklius ir padalyti iš 3. Gautas skaičius yra normali vidutinė kūno temperatūra tam tikram asmeniui.
Kritinė kūno temperatūra
Tiek stipriai sumažintas, tiek smarkiai padidintas gali tapti kritiniu. Žmonėms aukšta temperatūra yra daug dažniau nei žema. Temperatūrai nukritus iki 26-28 °C yra labai didelė rizika, kad žmogų ištiks koma, bus problemų su kvėpavimu ir širdimi, tačiau šie skaičiai yra individualūs, nes yra daug patvirtintų istorijų apie tai, kaip po sunkios hipotermijos pavyko išgyventi iki 16-17 °C. Pavyzdžiui, pasakojimas, kad žmogus apie penkias valandas praleido didžiulėje sniego sangrūdoje be galimybės išlipti ir išgyventi, jo temperatūra nukrito iki 19 laipsnių, tačiau pavyko jį išgelbėti.
Žema kūno temperatūra
Žemos temperatūros riba laikoma žemesnė nei 36 laipsniai temperatūra arba nuo 0,5 iki 1,5 laipsnio žemesnė už individualią žmogaus temperatūrą. O žemos temperatūros riba laikoma temperatūra, kuri yra žemesnė nei 1,5 ° C nuo normalios.
Temperatūros sumažėjimo priežasčių yra daug, pavyzdžiui, sumažėjęs imunitetas, užsitęsęs šalčio poveikis, o dėl to - kūno hipotermija, skydliaukės ligos, stresas, apsinuodijimai, lėtinės ligos, galvos svaigimas ir net banalus nuovargis.
Jei kūno temperatūra nukrito iki 35 ° C, tuomet reikia skubiai kviesti greitąją pagalbą, nes. šis rodiklis daugeliu atvejų yra kritinis ir gali atsirasti negrįžtamų pasekmių!
Kokia kritinė temperatūra turėtų įspėti?
Temperatūra, kuri prasideda nuo 37 laipsnių, laikoma nevaisinga ir dažnai rodo uždegimą, infekcijas ir virusus organizme. Temperatūra nuo 37 iki 38 laipsnių negali būti sumažinta vaistų pagalba, nes. organizme vyksta kova tarp sveikų ląstelių ir ligas sukeliančių.
Yra daug simptomų, rodančių temperatūros kilimą, pavyzdžiui: silpnumas, nuovargis, šaltkrėtis, galvos ir raumenų skausmas, apetito praradimas ir prakaitavimas. Jie turėtų skirti didesnį dėmesį, kad temperatūra nepakiltų iki 38,5 laipsnių.
Kritinė kūno temperatūra yra 42 ° C, o daugeliu atvejų 40 laipsnių ženklas jau yra mirtinas. Aukšta temperatūra sukelia negrįžtamus padarinius smegenyse, sutrinka medžiagų apykaita smegenų audiniuose.
Tokiu atveju, temperatūrai pakilus aukščiau nei 38,5 laipsnio, svarbus lovos režimas, karščiavimą mažinančių vaistų vartojimas ir privalomas vizitas pas gydytoją arba greitosios pagalbos iškvietimas! Kad išvengtumėte mirties esant labai aukštai ar žemai temperatūrai, nesigykite patys, bet visada kreipkitės į gydytoją, kuris gali teisingai nustatyti tokios temperatūros priežastį, nustatyti diagnozę ir paskirti teisingą bei veiksmingą gydymą!
Yra toks gamtos reiškinys, kurį mokslininkai vadina superlaidumu, o inžinieriai – „energetikos, medicinos, greitojo transporto ir karinių reikalų ateitimi“. Nepaisant to, kad pirmosios superlaidžios medžiagos buvo atrastos daugiau nei prieš šimtą metų, jos buvo panaudotos palyginti neseniai ir tik keliuose gana specifiniuose instrumentuose, tokiuose kaip Didysis hadronų greitintuvas ar magnetinio rezonanso vaizdavimas. Kodėl? Nes mes vis dar iki galo nesuprantame, kaip veikia šis reiškinys. Naujoje medžiagoje redaktoriai N+1 Pabandžiau kuo trumpiau ir paprasčiau papasakoti apie kelias superlaidumo atsiradimo mokslines versijas, kurias išnagrinėję suprasite, apie ką šimtmetį glumina viso pasaulio fizikai.
Taigi, kas yra superlaidumas? Ši kai kurių medžiagų savybė turėti griežtai nulinę varžą žemiau tam tikros temperatūros – ji vadinama kritine. Antrasis privalomas kriterijus, pagal kurį tas ar kitas junginys priskiriamas superlaidininkui, yra Meisnerio efektas – medžiagų gebėjimas išstumti magnetinį lauką iš savo tūrio, kai atšaldoma, vėlgi žemiau kritinės temperatūros.
Superlaidininko levitacija virš magneto yra Meisnerio efekto pasireiškimas.
Wikimedia Commons
Superlaidumo reiškinys yra ir unikalus, ir visiškai „įprastas“. Jis išskirtinis dėl plataus esamo ir galimo pritaikymo spektro: elektros srovės perdavimas be energijos nuostolių šildymo laidams, ypač stiprių magnetų, įvairių detektorių, SQUID magnetometrų, magnetinės levitacijos traukinių ir net skraidančių lentų gamyba.
Ir „paprastas“, nes superlaidumas, kaip paaiškėjo, pasireiškia daugybe junginių - čia ir, metalų oksidais ir organiniais laidininkais, metalų fulleridais, geležies turinčiais ir chalkogenidais ir daugeliu kitų. Todėl pranešimai apie dar vieno naujo superlaidininko atradimą nieko nebestebina, ypač mokslininkų.
Tačiau iki šiol, praėjus daugiau nei šimtui metų po superlaidumo atradimo, visi bandymai jį praktiškai pritaikyti susiduria su pagrindine problema – žema kritine temperatūra. Dėl šios priežasties, norint dirbti su superlaidžiais produktais, būtina sukurti didelių gabaritų aušinimo sistemas, naudojant skystą azotą ar net brangų skystą helią. Tačiau jei pavyktų rasti medžiagą, kurios kritinė temperatūra būtų kambario temperatūros, levituojantys traukiniai ir superlaidi elektronika iš futurologų svajonių galėtų virsti kasdiene realybe.
Fizikai, tyrinėjantys naujus superlaidininkus, dažniausiai nesiekia padidinti jų kritinės temperatūros. Jie kalba apie mechanizmus – priežastis, lemiančias, kad tam tikras junginys pasižymi superlaidžiomis savybėmis. Mokslininkai mano, kad būtent šių mechanizmų supratimas leis prognozuoti junginius ne tik su aukštesne kritine temperatūra, bet ir kitais ne mažiau svarbiais parametrais, tokiais kaip kritinis magnetinis laukas, srovės tankis ir kt.
Pagrindiniu pripažintu superlaidumo atsiradimo mechanizmu laikoma elektronų ir fononų sąveika, kai kristalinės gardelės virpesių įtakoje tarp dviejų elektronų atsiranda trauka ir susidaro vadinamosios Kuperio poros. Taip superlaidumas pasireiškia pagal Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) Nobelio teoriją. Taip pat buvo pasiūlyti kiti mechanizmai, tokie kaip magnonas arba eksitonas. Pirmajame elektronų poravimas vyksta dėl magnonų, o ne dėl fononų, o antrosiose už superlaidumą atsakingi Bose kondensato būsenos eksitonai.
Tačiau iki šiol mokslininkai ginčijosi, ar yra kitų mechanizmų nei fononinis mechanizmas – faktas, kad kai kuriais atvejais eksperimentinius duomenis galima interpretuoti įvairiai. Todėl superlaidumą tyrinėjantys fizikai suskilo į dvi priešingas ir, atrodo, nesutaikomas stovyklas – klasikinio BCS šalininkus, kurie bando kažkaip modifikuoti teoriją, kad ji atitiktų naujus duomenis, ir tuos, kurie mano, kad nauji mechanizmai yra realių procesų atspindys. superlaidininkuose.
Ar tie ar tie mechanizmai yra tikri, parodys nauji eksperimentiniai duomenys. Išstudijavome šiuolaikinę mokslinę literatūrą šia tema ir stengėmės kuo paprasčiau apibūdinti, kaip labai skirtingi ir iš pažiūros nesusiję procesai gali sukelti superlaidumą. Taip pat atkreipėme dėmesį į įvairius efektus, kurie gali turėti įtakos konkretaus superlaidininko kritinei temperatūrai.
Pirma istorija: fononai
Superlaidininkas: paprasti elementai, kai kurie jų lydiniai ir kiti junginiai.
Mechanizmas: elektronų ir fononų sąveika (klasikinė BCS teorija).
Straipsniai: Superlaidumo teorija // Fizik. Rev. 108, 1175 (1957).
Leon N. Cooper, Surištos elektronų poros išsigimusiose Fermio dujose, Phys. Rev. 104, 1189 (1956).
J. Bardeen, L. N. Cooper ir J. R. Schrieffer, Mikroskopinė superlaidumo teorija // Phys. Rev. 106, 162 (1957).
Kambario temperatūra, normalus laidininkas. Kristalinės gardelės atomai (tiksliau teigiamą krūvį turintys jonai) svyruoja – skirtingomis kryptimis, skirtingais dažniais. Šias „svyravimo bangas“ fizikai apibūdina kaip kvazi dalelėsfononai , ir kiekvienas fononas turi savo dažnį ir energiją. Laidumo elektronai beveik atsitiktinai juda tarp šių vibruojančių jonų, keičia kryptis, sąveikauja su jonais ir tarpusavyje. Dėl šių sąveikų elektronai atiduoda dalį savo energijos, išsklaidydami ją ant aplinkinių atomų – tai yra priežastis, dėl kurios laidininkuose atsiranda nulinės varžos.
Žemiau kambario, aukščiau kritinio, paprastas laidininkas. Temperatūros sukeltos atomų vibracijos slopinamos, bet ne visiškai. Elektronai ir toliau išsklaido energiją, tačiau jiems jau daug lengviau judėti – atomai jų kelyje „nemirksėja“. Atsparumas palaipsniui mažėja.
Kritinė temperatūra, superlaidumas. Fononų dar mažiau – atomai beveik nevibruoja. Atsiranda nauja „patogi“ elektronų būsena – susiporuoti su bendra nuline impulso ir sukimosi verte. Suvienijimas atsiranda dėl sąveikos su jonų virpesiais kristalinėje gardelėje, tai yra su fononais. Tačiau šie fononai yra ne tie, kurie paminėti aukščiau - temperatūros svyravimai, o " virtualus» – sukeltas elektronų judėjimo. Dėl šios sąveikos susidaro elektronų poros, kurios vadinamos Kuperis, tampa nepelninga išsklaidyti energiją ant gardelės atomų. Medžiagoje vis dar yra „paprastų elektronų“, tačiau srovė teka mažiausio pasipriešinimo keliu – ji staigiai veržiasi iki nulio.
Žemiau kritinės temperatūros, superlaidininkas. Kuperių porų atsiranda vis daugiau. Kadangi pora turi sveikų skaičių sukinį (-1/2+1/2 = 0 arba, rečiau, 1/2+1/2 = 1), tokia "visutinė dalelė" yra bozonas. O bozonams Paulio draudimas negalioja – jie vienu metu gali būti toje pačioje kvantinėje būsenoje arba tame pačiame energijos lygyje. Vis daugiau porų „krenta“ į šį energijos lygį – susiformuoja bose kondensatas. Bose kondensate dalelės elgiasi nuosekliai(nuosekliai), ir jų eiga išsklaidant(be energijos nuostolių).
Griežtai kalbant, Bose-Einstein teorija susijusi su idealiomis dujomis, o ne su tokiomis sudėtingomis sąveikaujančiomis sistemomis kaip elektronai superlaidininkuose. Tačiau procesų esmė – galimybė dalelėms „susirinkti“ tame pačiame energijos lygyje – ta pati. Todėl leisime sau padaryti tokią analogiją.
Kaip susidaro Cooper poros? Elektronai, skraidydami tarp teigiamai įkrautų atomų, sukelia savo trauką į save, kaip į neigiamo krūvio sritį. Tačiau atomai yra „vangūs“, jie yra daug sunkesni ir juda lėčiau. Dėl to po praeinančio elektrono susidaro teigiamo krūvio sritis. Prie jo pritraukiamas kitas elektronas. Ir taip, poromis, jie juda išilgai kristalinės gardelės tarp atomų, neišsklaidydami energijos į susidūrimus. Fizikai šį procesą vadina elektronų sąveika su virtualiais kristalinės gardelės fononais.
Kodėl Cooperio poros neišsklaido energijos? Norėdami paaiškinti, kodėl elektronai nepraranda savo energijos, turime kreiptis į koncepciją elektroninis spektras- energijos priklausomybės nuo bangos vektoriaus. Superlaidininkas, skirtingai nei įprastas metalas, turi specialų tarpas- draudžiamų valstybių zona. Tai reiškia, kad elektronas negali užimti būsenos su energija iš šios uždraustos srities. Tarpas „atsidaro“ kaip tik esant kritinei temperatūrai ir toliau „auga“ atvėsęs. Superlaidininkuose šio tarpo viduryje yra lygis su leistina energija, kuriame yra Kuperio poros. Tačiau aukščiau ir žemiau šio lygio yra „uždrausta zona“, o tai reiškia, kad elektronų poros, atrodo, yra užrakintos šiame lygyje tarpo viduryje. Jie gali prarasti arba sugerti energiją tik porcijomis, kurios yra didesnės už juostos tarpą – esant mažam Cooper poros greičiui, tai beveik neįmanomas procesas. Per kristalinę gardelę vyksta laidumo elektronų neišsklaidymo (be energijos praradimo) judėjimas – tai superlaidumas. Priduriame, kad toks tarpas nėra tas pats, kas puslaidininkių ir dielektrikų juostos tarpas, dėl kurio laidumas visai išnyksta arba mažėja didėjant temperatūrai. Dielektrikai ar puslaidininkiai neturi jokio lygio su Kuperio poromis juostos tarpoje, o pats laidumas (jau nekalbant apie superlaidumą) gali įvykti tik tuo atveju, jei elektronas gali įgyti energijos, kad „peršoktų“ per barjerą.
Šiame etape verta šiek tiek paaiškinti. Beveik nė vienas mokslininkas neabejoja, kad superlaidžioji srovė atsiranda dėl Kuperio porų ar kitų Bose dalelių susidarymo ir jų kondensacijos tame pačiame energijos lygyje. Ginčai kyla dėl Kaip tiksliai susidaro šios Bose dalelės?. BCS teorija siūlo elektronų ir fonono sąveiką kaip tokį mechanizmą. Bet kodėl tam „nenaudojus“ kitų kvazidalelių? Štai apie ką mūsų kita istorija.
Antra istorija: Magnonai
Superlaidininkas: ZrZn 2 ir kt.
Mechanizmas: tripletų Kuperio porų susidarymas dėl kolektyvizuotų elektronų feromagnetizmo reiškinio.
Straipsnis: C. Pfleiderer ir kt. al Superlaidumo ir feromagnetizmo sambūvis d juostos metale ZrZn 2 / Nature 412, 58-61 (2001).
D. Fay ir J. Appel P-būsenos superlaidumo ir keliaujančio feromagnetizmo sambūvis / Phys. Rev. B 22, 3173 (1980).
Kambario temperatūra, paramagnetinis metalas.
Kietajame kūne elektroną veikia kitų elektronų Kulono atstūmimo jėgos, kristalinės gardelės jonų trauka, taip pat jėgos mainų sąveika tarp elektronų. Pastarieji yra grynai kvantinio pobūdžio ir atsiranda dėl elektronų buvimo atgal- tinkamas kampinis momentas, kurio reikšmės yra ±½. Būtent mainų sąveika dažniausiai sukelia medžiagų magnetinį išdėstymą – reiškinių, žinomų kaip fero-, feri- ir antiferomagnetizmas, klasė. Daugeliu atvejų šie reiškiniai atsiranda, kai medžiaga nėra laidininkas, ty joje esantys elektronai lokalizuota, arba „pririštas“ prie konkretaus jono. Ši istorija yra apie feromagnetizmą. kolektyvizuotas elektronai, tai yra „mobilieji“ – atsakingi už laidumą.
Feromagnetinio užsakymo temperatūra, feromagnetinis metalas. Elektronų mainų sąveika laidininke kai kuriais atvejais gali lemti tai, kad elektronų sukiniai, atsitiktinai „skraidantys“ pirmyn ir atgal įprastu laidininku, staiga pradeda „žiūrėti“ ta pačia kryptimi. Iš esmės panašią situaciją galima pastebėti bėgančioje išsigandusių žmonių minioje. Asmuo minioje gali bėgti visiškai chaotiška kryptimi, susidurdamas su kitais žmonėmis, sienomis ir tvoromis, sukeldamas efektą, panašų į įprastų metalų pasipriešinimą. Tačiau dauguma žmonių greičiausiai bėgs kojomis, o ne rankomis, todėl jų „nugaros“ – kryptis nuo pėdų iki galvos – sutaps. Taigi, jei temperatūra (vidutinis žmonių greitis minioje) yra pakankamai mažas, dauguma elektronų sukimų bus vienakrypčiai, o medžiaga bus feromagnetinis metalas.
Kritinė superlaidžio perėjimo temperatūra, feromagnetas-superlaidininkas. Nors atskirų elektronų sukiniai yra nukreipti kartu, jie nėra tvirtai fiksuoti tam tikra kryptimi. Jie gali svyruoti, apsiversti ir pažeisti griežtą tvarką. Tačiau, nukrypstant nuo bendros krypties, tam tikras sukimasis sukelia „sulaužyti taiką“ ir kaimyninius elektronus, o jie, savo ruožtu, bando grąžinti jį į pradinę būseną. Taip yra dėl to, kad feromagnete elektronai energetiškai naudingas turi bendros krypties sukinius, nes jie yra tarpusavyje susiję mainų sąveikos energija. Dėl šio energijos padidėjimo, esant žemai temperatūrai, tarp elektronų pradeda atsirasti kažkas panašaus į trauką – jie susijungia į poras. Tačiau, skirtingai nei „fononinio“ superlaidininko, šios poros bendras sukimas yra lygus ne nuliui, o vienybei, nes sukiniai yra bendros krypties. Toks reiškinys vadinamas trynukas superlaidumas. Ir vadinami „bėdų kūrėjai“, kurie gali apversti sukinius ir paskleisti netvarką kaimyniniams elektronams magnonai. Būtent magnonai padeda elektronams susijungti į poras superlaidžio perėjimo metu.
Trečia istorija: Eksitonai
Superlaidininkas: dirbtinės medžiagos, susidedančios iš kelių tvarkingų dielektrikų ir puslaidininkių sluoksnių, kurių kiekvienas sluoksnis yra beveik vieno atomo storio.
Mechanizmas: Bose-Einšteino netiesioginių eksitonų kondensacija.
Straipsniai : J. P. Eisenstein, A. H. MacDonald Bose-Einstein eksitonų kondensacijos dvisluoksnėse elektronų sistemose / Nature 432, 691-694 (2004 m. gruodžio 9 d.).
M. M. Fogleris, L. V. Butovas ir K. S. Novoselovas Aukštos temperatūros superskystis su netiesioginiais eksitonais van der Waals heterostruktūrose / Nature Communications 5, 4555 (2014).
Kambario temperatūra, nėra superlaidumo. Pradinė medžiaga yra dirbtinė monoatominių dielektrikų (medžiagų, kurios nelaidžia srovės) ir puslaidininkių (laidi srovė, bet blogesnė už tikrus laidininkus) sluoksnių „krūva“. Kad puslaidininkyje atsirastų srovė, elektronai turi gauti pakankamai energijos, kad galėtų „peršokti“ uždrausta zona. Kai elektronas „šokinėja“ ir tampa laidus, a skylė arba, paprasčiau tariant, elektrono nebuvimas. Elektronas + skylė = eksitonas. Tiesa, kad iš elektrono ir skylės susidarytų eksitonas, jie turi būti tarpusavyje susiję, tai yra, turi turėti šiek tiek mažesnę energiją nei bendra atskirų dalelių energija – tik tokiu atveju jos juda per medžiagą suderintu būdu. Priešingu atveju, pavyzdžiui, „lengvas“ elektronas gali tiesiog „išskristi“, o „gremėzdiška“ skylė neatsiliks nuo jo.
Temperatūra viršija kritinę, žemesnė už kambario temperatūrą, nėra superlaidumo. Jei tokioje daugiasluoksnėje medžiagoje galėtų egzistuoti tik paprasti eksitonai (kurie sklinda puslaidininkinio sluoksnio viduje), nebūtų galima tikėtis jokio superlaidumo. Tačiau dielektriko ir puslaidininkio sluoksniai jame išsidėstę neatsitiktinai. Tai „mėsainis“, kuriame kotletas yra nelaidus dielektrikas, o du duonos sluoksniai – puslaidininkiai su laisvais elektronais, skylutėmis ir „nelaisvais“ eksitonais. Tokiame „mėsainiame“ gali susidaryti netiesioginiai eksitonai. Tam reikia, kad elektronas iš apatinio „duonos“ gabalėlio praskristų pro „kotletą“, įstrigtų viršutiniame gabalėlyje, likdamas prijungtas prie jo skylutės iš apatinio „duonos gabalėlio“. Taigi galima sukurti sąlygas, kurioms esant viename puslaidininkinės duonos sluoksnyje kaupsis elektronai, o kitame – skylės. Tada dielektrinis kotleto sluoksnis neleis elektronui grįžti į pradinę vietą, sukurdamas energijos barjerą. Tai yra, kad elektronas galėtų šokti atgal, jam reikia išleisti papildomos energijos.
Kritinė Bose-Einstein kondensacijos temperatūra, superlaidumo atsiradimas. Eksitonas turi nulinį sukimąsi, o tai reiškia, kad jis yra bozonas. Taigi, eksitonai gali sudaryti Bose kondensatą, kaip ir Cooperio poros. Kita vertus, Kuperio poros krūvis lygus dviem elektrono krūviams, bet eksitono krūvis lygus nuliui. Nulinių krūvių judėjimas negali sukurti srovės, iš kur atsiranda laidumas ir net su priešdėliu super-? Tie patys netiesioginiai eksitonai padės tai padaryti. Jų pagalba eksitono krūvis padalinamas į dvi dalis ir tada vienam puslaidininkio sluoksniui priklausys neigiami elektronai, o kitam – teigiamos skylės. Dabar galite „lituoti“ laidžius kontaktus, pavyzdžiui, prie viršutinio puslaidininkinės duonos sluoksnio ir pritaikyti jiems įtampą - viršutinio sluoksnio elektronai pradės judėti, o kartu su jais judės ir skylės iš apatinio sluoksnio, sukuriant priešingų krypčių sroves. Jei temperatūra yra pakankamai sumažinta, kad eksitonai kondensuotųsi tame pačiame energijos lygyje, tada jie judės per medžiagą neprarasdami energijos. Kiekviename puslaidininkio sluoksnyje bus stebimas superlaidumas - skylė arba elektroninis.
Žemiau kritinės temperatūros, superlaidininkas. Šis dirbtinio superlaidumo kūrimo būdas turi savo trūkumų. Pavyzdžiui, dėl šio reiškinio elektronai vis tiek grįš į skyles tuneliavimas. Tokiu atveju eksitonai „išnyks“ (fizikai vadina šį procesą rekombinacija), o bendras laidumas – kristi. Be to, tokių eksitonų sukūrimas savaime reikalauja energijos, nes elektronas turi būti „išmestas“ per dielektriko sukurtą barjerą. Temperatūrai krentant darosi vis sunkiau kurti naujus eksitonus, tad ar toks dirbtinis puslaidininkių ir dielektrikų „burgeris“ kada nors gali pakeisti tikrą superlaidininką, kol kas sunku pasakyti.
Verta pažymėti, kad be dirbtinio „eksitono superlaidininko“, kuris buvo paminėtas ankstesniame pasakojime, dar yra toks terminas kaip „eksitono superlaidumo mechanizmas“, ir šie reiškiniai nėra visiškai tas pats. Aukščiau pateiktame pavyzdyje iš tikrųjų Cooperio porų nėra. Eksitonų mechanizmas panašus į fononinį iš BCS teorijos, tik jungiamoji grandis tarp dviejų Kuperio poros elektronų jame yra ne fononai, o eksitonai Bose kondensato būsenoje. Abiejuose mechanizmuose toks ryšys lemia tai, kad neigiamai įkrauti elektronai tarsi jaučia vienas kitą trauką (nors pagal Kulono dėsnį jie turėtų vienas kitą atstumti). Tiesą sakant, abu elektronai yra traukiami į laikinai atsirandančio teigiamo krūvio sritį, kurią sukuria fononai arba eksitonai. Be to, kadangi eksitonus lengviau „sukurti“, manoma, kad toks mechanizmas gali paaiškinti aukštas kai kurių medžiagų kritinės temperatūros vertes.
Ketvirta istorija: svyravimai
Superlaidininkas:
geležies selenidas FeSe ir kt.
Mechanizmas: sukimosi svyravimai junginiuose, kuriuose yra nulinio magnetinio momento jonų, sujungtų į nematinę struktūrinę fazę.
Straipsnis : Qisi Wang ir kt. al Stipri juostelių sukimosi svyravimų, nematiškumo ir superlaidumo sąveika FeSe / Nature Materials, 15, 159–163 (2015).
Fa Wang, Steven A. Kivelson ir Dung-Hai Lee Nematiškumas ir kvantinis paramagnetizmas FeSe / Nature Physics 11, 959–963 (2015).
Kambario temperatūra, paramagnetinis. Šis mechanizmas įmanomas tik tuo atveju, jei medžiagoje yra jonų su nuliniu magnetiniu momentu – tai reiškia, kad bendras suktis(kvantinė charakteristika – tinkamas kampinis momentas) lokalizuotų elektronų jonuose nėra lygus nuliui. Tokios medžiagos yra paramagnetai. Magnetiniai momentai gali sąveikauti tarpusavyje, tvarkytis, todėl daugelis medžiagų pasižymi fero-, antiferomagnetinėmis savybėmis ir kitomis, egzotiškesnėmis galimybėmis. Kambario temperatūroje gardelės jonų terminiai virpesiai trikdo magnetinių momentų rikiavimą, jie svyruoja beveik atsitiktinai – medžiaga išlieka paramagnetinė.
Žemesnė už kambario temperatūrą, paramagnetinė. Temperatūrai mažėjant, svyravimai silpnėja, o magnetinės sąveikos, atvirkščiai, pradeda didėti. Magnetiniai momentai dabar svyruoja nuosekliau, linkę rasti „naudingą“ padėtį, tačiau dėl kristalinės gardelės simetrijos (tetragoninės, tai yra, stačiakampio gretasienio su a = b ≠ c), nėra vienos būsenos su minimali energija. Norint sumažinti energiją, prasideda magnetiniai momentai, išdėstyti kvadratinėje gardelėje grandine- vyrauja judėjimas tam tikra kryptimi.
Nematinės fazės perėjimas, paramagnetas. Suk svyravimai(vibracijos) dabar daro didelį indėlį, palyginti su gardelės jonų vibracijomis. Sukimų „bandymai“ išsirikiuoti į grandines ilgainiui pradeda veikti kristalinę gardelę, mažindami jos simetriją (dabar a ≠ b ≠ c – ortorombinė). Yra fazė nematinis perėjimas (vadinamasis perėjimas su panašiu kristalinės gardelės simetrijos sumažėjimu). Tai, savo ruožtu, dar labiau sustiprina sukimosi virpesių anizotropiją, kuri ilgainiui išsirikiuoja į grandines. Tačiau visiškai magnetinė tvarka nevyksta, nes grandinės negali „užsifiksuoti“ jokioje konkrečioje padėtyje, nes tokia būsena nėra stabili.
Nematinė fazė, paramagnetas. Sukimosi svyravimai yra magnonų „jaunesnieji broliai“ (magnonai vadinami sukimosi svyravimais tvarkinguose magnetuose). Paprastai „bandymai suktis“ išsirikiuoti tam tikra kryptimi galiausiai sukelia magnetinį fazės perėjimą ir medžiaga tampa, pavyzdžiui, antiferomagnetu. Tačiau kai kuriose medžiagose tam trukdo kristalinės gardelės jonų virpesiai. Būtent šios medžiagos yra superlaidininkų kandidatės.
Superlaidžio perėjimo kritinė temperatūra. Artėjant superlaidžio perėjimo temperatūrai, sukimosi svyravimų energija tampa panaši į gardelės virpesius. Magnetinė tvarka neturi laiko nusistatyti, tačiau nuoseklus elektronų elgesys dėl sukimosi svyravimų riboja galimų elektronų būsenų „sąrašą“. Dėl to elektroniniame spektre atsiranda tarpas, o magnetinis perėjimas „pakeičiamas“ superlaidžiu. Taigi sukimosi svyravimai kartu su kristalinės gardelės virpesiais ir jos simetrijos pasikeitimu galiausiai lemia kitą Cooper porų formavimo būdą.
/ Fiz. Rev. Lett. 101, 026406 (2008).
S. V. Borisenko ir kt. al Tiesioginis sukimosi ir orbitos sujungimo stebėjimas geležies superlaidininkuose / Nature Physics, 12, 311–317 (2015).
Nuo kambario temperatūros iki kritinės. Sukimosi ir orbitos sąveika veikia elektroninį spektrą ir taip „trukdo“ laidžiosioms savybėms. Šis reiškinys – judančio elektrono ir jo paties sukinio sąveika – stipriausiai pasireiškia esant dideliems elektronų judėjimo greičiams (kvantinėje fizikoje jie veikia impulso sąvoka), tai yra, tai yra reliatyvistinis efektas. Jis turi įtakos visų junginių elektroninėms savybėms, tačiau jo indėlis yra didesnis, tuo didesnis atominis skaičius periodinėje lentelėje, nes elektronų „greičiai“ esant aukštesniems energijos lygiams yra daug didesni. LiFeA ir kituose superlaidžiuose geležies arseniduose sukimosi ir orbitos sąveikos indėlis yra pakankamas, kad pastebimai paveiktų elektroninę struktūrą. Įsivaizduokite, kad rankose laikote plastilino rutulį. Tada galima įsivaizduoti sukimosi ir orbitos sąveikos poveikį elektroninei struktūrai taip, tarsi šiame rutulyje pirštais sukurtumėte įlenkimus ir iškilimus, taip iškraipydami jo pradinę formą.
Apibendrinant galime pasakyti, kad mūsų istorijose išvardijami tik keli galimi procesai, kurie galiausiai lemia superlaidumą. Visi jie, įskaitant klasikinį elektronų-fononų mechanizmą, gali būti sujungti į vieną medžiagą arba viena iš jų bus pagrindinė tam tikrai medžiagai. Galbūt visi šie daugybė sudėtingų mechanizmų yra tik dalis pasaulinio fizinio dėsnio, kurį mokslininkai dar turi atrasti. Tačiau taip pat gali pasirodyti, kad gamta yra daug sudėtingesnė ir daugialypesnė, nei galime įsivaizduoti, ir tiesiog nėra vieno superlaidumo dėsnio.
Jekaterina Kozlyakova
