TYUMEN DAVLAT UNIVERSITETI
MOLEKULAR FIZIKA KAFEDRASI
KRITIK HARORATNI ANIQLASH
I. Qisqacha nazariya
§ 1. Haqiqiy gazlar.
Klapeyron - Mendeleevning holat tenglamasi tajribalar natijasida ma'lum bo'lgan gazlarning xossalarini juda yaxshi tasvirlab beradi. Biroq, bu taxminiy va faqat etarlicha past bosimlarda amal qiladi. Bundan tashqari, tajriba shuni ko'rsatadiki, ma'lum bosim va haroratlarda gazlar kondensatsiyalanadi, ya'ni. suyuq holatga keling. Klapeyron - Mendeleyev tenglamasi bu hodisani tasvirlamaydi. Bu holda haqiqiy gaz uchun izoterma xarakterli shaklga ega (1-rasm).
Keling, ABCD yo'nalishi bo'yicha amalga oshirilgan ushbu jadvalga mos keladigan jarayonni ko'rib chiqaylik. AB izotermining bir qismi kondensatsiya boshlanishidan oldin gazni siqish jarayonini tavsiflaydi. U Klapeyron-Mendeleyev tenglamasi bo'yicha hisoblangan izoterma bilan juda mos kelishi mumkin (nuqta chiziq shaklida ko'rsatilgan). Biroq, ma'lum bir bosim ostida haqiqiy modda bilan olib boriladigan jarayonda kondensatsiya boshlanadi (grafikdagi B nuqtasi). Bu bosim to'yingan bug' bosimi yoki oddiygina to'yinganlik bosimi deb ataladi.
Miloddan avvalgi grafigining bir qismi materiyaning ikki fazali holatini tavsiflaydi. Hajmi dan gacha kamayishi bilan moddaning ortib borayotgan ulushi bug 'holatidan suyuq holatga o'tadi. C nuqtasi barcha moddalar suyuqlikka aylangan holatni tasvirlaydi. Va nihoyat, CD suyuqlikni siqish jarayonini tasvirlaydi, grafik vertikal o'qga deyarli parallel ravishda ishlaydi, bu taniqli haqiqatni aks ettiradi: suyuqliklar gazlarga qaraganda ancha kam siqilishga ega.
Agar biz bir xil miqdordagi moddalar bilan har xil haroratda shunga o'xshash izotermik jarayonlarni amalga oshirsak, 2-rasmda ko'rsatilgan izotermalar tizimini olamiz.
Yuqori haroratlarga mos keladigan egri chiziqlar koordinatalar kelib chiqishidan uzoqroqda joylashgan. Harorat ko'tarilgach, ikki fazali holatni tavsiflovchi izotermlarning gorizontal qismlari pasayadi va ma'lum bir haroratda bitta nuqtaga aylanadi. Bu harorat kritik deb ataladi.
Kritik haroratdan yuqori haroratda ikki fazali holatda moddani olish mumkin emas.
§ 2. Van der Vaals tenglamasi. Van der Vaals izotermlari.
Yuqori zichlikdagi ideal gazning holat tenglamasi tajriba bilan yaxshi mos kela olmaydi, chunki u yozilganda molekulalarning o'lchamlari yo'q va bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilmaydi deb faraz qilingan. Haqiqiy gazlarning xossalarini qoniqarli tavsiflovchi holat tenglamasini olish uchun molekulalarning kattaligini yoki bir-biridan kichik masofada joylashgan molekulalar orasida paydo bo`ladigan itaruvchi kuchlarni hisobga olish kerak. Bundan tashqari, molekulalar orasidagi tortishish kuchlarini ham hisobga olish kerak.
Klapeyron - Mendeleyev holati tenglamasini asos qilib olish va unga tegishli tuzatishlar kiritish mumkin. Klapeyron-Mendeleyev tenglamasida bir kilomol gaz uchun hajmga tuzatish kiritish orqali biz itaruvchi kuchlarni yoki molekulalarning o'lchamlarini hisobga olamiz.
(1)
(2)
Ikkinchi ifodadan ko'rinib turibdiki, da, bosim cheksizlikka intiladi, ya'ni. Siz moddani nolga teng hajmgacha siqib bo'lmaydi.
Molekulalar orasidagi nisbatan katta masofalarda jozibador kuchlar muhim rol o'ynaydi. Ularni (2) tenglamadagi bosimga tegishli tuzatish kiritish orqali hisobga olish mumkin:
(3)
Molekulalarning tortilishi ma'lum gazni o'z ichiga olgan idishning devorlariga bosimning pasayishiga olib keladi deb hisoblab, bu tuzatish salbiy belgi bilan qabul qilinishi kerak. (3) tenglamani quyidagicha o'zgartirish mumkin:
(4)
Bu van der Vaals tomonidan birinchi marta olingan haqiqiy gazlar uchun holat tenglamasi. Siz uni ixtiyoriy miqdordagi modda uchun yozishingiz mumkin:
(5)
nisbiy molekulyar og'irlik qayerda.
Tenglama (4) hajmdagi quvvat qatori sifatida ifodalanishi mumkin:
(6)
Ruxsat etilgan bosim va haroratda u hajmga nisbatan uchinchi darajali tenglama bo'ladi va uchta ildizga ega bo'lishi kerak. Eng qiziqarli natijalar van der Vaals izotermlarini tahlil qilish orqali olinadi, ulardan biri 3-rasmda ko'rsatilgan.
Ruxsat etilgan haroratda har bir bosim qiymati tenglamaning uchta ildiziga mos keladi (6). Bosim uchta haqiqiy ildizga to'g'ri keladi, , . Bosimlar va bitta haqiqiy ildiz va ikkita murakkab konjugat ildizga mos keladi, ular jismoniy ma'noga ega emas va bundan keyin ko'rib chiqilmaydi.
Van der Vaals izotermasi bilan eksperimental izotermani solishtirish qiziq. 3-rasmda eksperimental izotermaning gorizontal kesmasi BF to'g'ri chiziq bilan ko'rsatilgan. AB qismi moddaning gaz holatini tavsiflaydi va tajriba izotermasi bilan qoniqarli tarzda mos keladi. FG qismi suyuqlikning izotermik siqilishini tavsiflaydi. Shunday qilib, van der Vaals tenglamasi izotermik jarayon davomida materiyaning gazsimon va suyuq holatdagi harakatini nisbatan yaxshi tasvirlaydi.
BF bo'limida sezilarli darajada farq qiluvchi izotermlar . Biroq, BC va EF shoxlari ma'lum bir jismoniy ma'noga ega. Miloddan avvalgi mintaqa bilan ifodalangan moddaning holatlarini tajriba yo'li bilan olish mumkin. Bu o'ta to'yingan yoki o'ta sovutilgan bug '. EF kesmasiga mos keladigan moddaning holatlari ham tajribada kuzatiladi. Bunday holatlardagi suyuqlik qizib ketgan deb ataladi. Bu holatlar metastabil deyiladi. Van der Waals izotermining bir qismi CDE hech qachon tajribalarda kuzatilmaydi. U materiyaning beqaror holatini tasvirlaydi.
§ 3. Kritik harorat. Kritik holat.
Van-der-Vaals izotermlari oilasini tuzamiz (4-rasm). Haroratning oshishi bilan egri chiziqlar koordinataning kelib chiqishidan uzoqroq joylashadi va ularning xarakteri o'zgaradi. Maksimal va minimallar ham abtsissalar o'qi bo'ylab, ham ordinata o'qi bo'ylab yaqinlashadi va ma'lum bir haroratda ular bir nuqtaga, egilish nuqtasiga birlashadi. Bu haroratda va shu nuqtaga mos keladigan bosimda uchta haqiqiy ildiz ko'p bo'ladi. Suyuqlik va bug 'o'rtasidagi farq va ular orasidagi interfeys yo'qoladi. Bunday holat kritik, harorat esa kritik harorat deb ataladi. Bu harorat har bir moddaga xos xususiyatdir.
Van der Vaals tenglamasidan foydalanib, kritik parametrlarni , alohida modda konstantalari va , shuningdek, universal gaz konstantasi bilan ifodalash mumkin.
Kritik parametrlarni topish usullaridan biri kritik holat uchun yozilgan van-der-Vaals tenglamasining ildizlari ko'paytmali ekanligiga asoslanadi, ya'ni tenglamani quyidagicha ifodalash mumkin:
(6) tenglama bilan solishtiramiz.
Agar bir xil kuchlarda koeffitsientlar bir-biriga teng bo'lsa, bu tenglik bir xil tarzda bajariladi:
,
, (8)
.
(8) tenglamalar tizimini yechib, kritik parametrlar uchun ifodalarni olamiz:
, 
, 
. (9)
Xuddi shu natijalarni boshqa yo'l bilan olish mumkin. Yuqorida aytib o'tilganidek, kritik holatni ifodalovchi nuqta izotermik jarayonning koordinatalaridagi grafigidagi burilish nuqtasidir. Ruxsat etilgan haroratda bosimni hajm funktsiyasi sifatida belgilaydigan (3) tenglamadan foydalanamiz. Matematik tahlil kursidan ma'lumki, burilish nuqtasida birinchi va ikkinchi hosilalar nolga teng:
(10)
(11)
, ga nisbatan (3), (10), (11) tenglamalar tizimini yechish, ular uchun bir xil (9) munosabatlarni olamiz.
Kritik parametrlarni eksperimental ravishda aniqlab, moddaning individual konstantalarini va .
, . (12)
Shunday qilib, van der Vaals tenglamasi suyuqlik va gazlarning xossalarini tavsiflaydi va kritik holatning mavjudligini taxmin qiladi. Biroq, u Klapeyron-Mendeleyev tenglamasidan kamroq universaldir, chunki u materiyaning ikkita alohida konstantasini va .
II. O'RNATISH tavsifi.
Kritik parametrlarni bilish , , katta ilmiy va amaliy qiziqish uyg'otadi. Kritik haroratdan yuqori bo'lgan modda faqat gaz holatida bo'lishi mumkin. Kritik haroratda bug'lanishning yashirin issiqligi va sirt taranglik koeffitsienti yo'qoladi.
Tajriba ma'lumotlari asosida (2-rasmda ko'rsatilgandek) izotermiya tizimini qurish orqali kritik haroratni va boshqa ikkita parametrni aniqlash mumkin. Bu usul birinchi marta Endryu tomonidan karbonat angidridning muhim parametrlarini aniqlashda qo'llanilgan. Faqat tanqidiy haroratni aniqlashda meniskusning yo'qolishining kamroq noqulay usulini qo'llash mumkin. Tekshiriluvchi modda muhrlangan shisha ampulaga solinadi va isitiladi. Agar ampuladagi suyuqlik miqdori isitish jarayonida meniskus amalda qoladigan tarzda tanlansa, u holda ma'lum bir vaqtda modda kritik holatga etadi (meniskus yo'qoladi). Sovutganda u yana paydo bo'ladi va modda ikki fazaga bo'linadi. Meniskus paydo bo'ladigan va yo'qolgan harorat kritik harorat bo'ladi.
Kritik haroratni aniqlash o'rnatishda amalga oshiriladi, uning sxemasi 5-rasmda ko'rsatilgan.
Yoritgich 1 va termostat 2 umumiy stendga o'rnatiladi, unda o'rganilayotgan modda bilan maxsus mikropress 3 joylashtiriladi. Yoritgich korpusining pastki qismida ikkita o'zgartirish tugmasi mavjud: biri yoritgichni yoqadi, ikkinchisi isitgichlar 4 ta termostatni. Termostat harorati ketma-ket ulangan ikkita Chromel-Copel termojufti tomonidan boshqariladi. Termojuftlarning 5 ish birlashmalari mikropressga yaqin joyda joylashgan. Termo emf raqamli voltmetr bilan o'lchanadi 6.
Strukturaviy ishlaydigan kamera va miniatyura pressini birlashtirgan mikropressning qurilmasi 6-rasmda ko'rsatilgan. Mikropressning ish hajmi pres korpusiga 2 o'rnatilgan yupqa shisha nay 1 hajmiga teng bo'lib, shisha trubka ikkala uchida 3 va 4 vintlar bilan germetik tarzda floroplastik qistirmalari bilan 5. Vint ichida 4, piston 6 ip bo'ylab harakatlanishi va shu bilan ish hajmini o'zgartirishi mumkin. Moddaning holatining o'zgarishini vizual kuzatish press korpusidagi va termostat korpusidagi ko'rish uyalari orqali amalga oshiriladi.
III. O'lchovlar. O'LCHISH NATIJALARINI QAYTA QILISH.
Laboratoriya ishlarini bajarish jarayonida termojuftlarni kalibrlash va kalibrlash egri chizig'ini qurish kerak. Buning uchun avval voltmetrni yoqing, so'ngra 20-30 daqiqadan so'ng termostatni isitgichlarni yoqing. Mikropress o'rniga termostatga 0 ° C dan 350 ° S gacha bo'lgan o'lchov chegaralari bo'lgan simob termometri qo'yilgan. Haroratni oshirish jarayonida voltmetr va termometrning ko'rsatkichlarini yozib olish kerak Dt=20°C. Keyin termostatni isitishni yoqishingiz va sovutish vaqtida mos keladigan ko'rsatkichlarni yozib olishingiz kerak. Kalibrlashning yakuniy natijalarini grafik shaklida taqdim eting: millivoltdagi voltmetr ko'rsatkichlari vertikal ravishda chizilgan. U , gorizontal ravishda pechning harorati va xona harorati o'rtasidagi farq. To'liq harorat farqini olish kerak, chunki termojuftlarning "sovuq" birikmalari xona haroratida.
O'qishni tugatgandan so'ng, mikropressni shprits yordamida vint 3 tomonidan tekshiriladigan modda bilan to'ldiring. Bunday holda, piston uzunlikning taxminan 3/4 qismiga mos keladigan belgiga shisha naychaga kiritilishi kerak. Keyinchalik, shisha naychaga havo pufagi tushmasligi uchun pressni 3-murvat bilan muhr bilan yopish kerak. Vintlar 3 va 4 mahkam tortilishi kerak. Shundan so'ng, pistonni shisha trubadan shunday olib tashlash mumkinki, hosil bo'lgan gazsimon faza suyuqlik fazasi bilan taxminan bir xil hajmni egallaydi. Keyin press termostatga joylashtiriladi, shunda piston tutqichi termostatdan tashqarida tepada bo'ladi va isitish yoqiladi.
Isitish jarayonida meniskusning holatini kuzatib borish, pistonni bir yo'nalishda yoki boshqa tomonga siljitish, uni ko'zdan qochirmaslik kerak. Muayyan haroratda meniskus yo'qolishi kerak. Bu kritik harorat. Kritik holatdagi modda yorug'likni intensiv ravishda tarqatadi va bulutli oq, shaffof bo'lmaydi. Bunday sharoitda mikropressning qismlari termostatdan tashqariga chiqadi, ular orqali intensiv issiqlik olib tashlanishi sodir bo'ladi.Shuning uchun shisha naychadagi harorat bir xil emas va kritik holat faqat trubaning pastki qismida olinishi mumkin. Bu tajribada kuzatilgan narsa. Naychaning yuqori qismida, bu holda, ikki faza orasidagi interfeysni kuzatish mumkin.
Ish paytida, shisha trubaning pastki qismida moddaning yorug'likning intensiv tarqalishi boshlangan haroratni o'lchash kerak. Keyin isitgichlarni o'chirish va bu tarqalish yo'qolgan haroratni o'lchash kerak. Bunday o'lchovlar bir necha marta amalga oshiriladi va o'rtacha qiymat kritik harorat sifatida olinadi.
1-jadval.
Kritik haroratni o'lchash natijalariga ko'ra. va kritik bosim uchun 1-jadvaldagi ma'lumotlardan foydalanib, van der Vaals konstantalarini va tekshirilayotgan moddani hisoblang.
NAZORAT SAVOLLARI
1) Nima uchun konstantalar va van der Vaals tenglamasiga kiritilgan?
2) Haqiqiy izotermalar sistemasi va van-der-Vaals izotermalar sistemasini solishtiring.
3) To'yinganlik bosimi harorat bilan qanday o'zgaradi?
4) Kritik parametrlar uchun formulalar olishning ikkita usuli haqida gapiring.
5) Qisqartirilgan Van der Vaals tenglamasini yozing.
6)
Tegishli davlatlar qonunini tuzing.
ADABIYOT.
1) A.K.Kikoin, I.K.Kikoin. Molekulyar fizika. Nashr “Fan”, 1976, 208-237-betlar.
2) D.V.Sivuxin. Umumiy fizika kursi. T.P., nashriyot “Science”, 1976, 371-399-betlar.
Agar ma'lum miqdorda suyuqlik yopiq idishga joylashtirilsa, suyuqlikning bir qismi bug'lanadi va suyuqlik ustida to'yingan bug 'bo'ladi. Bosim va shuning uchun bu bug'ning zichligi haroratga bog'liq. Bug'ning zichligi odatda bir xil haroratdagi suyuqlikning zichligidan ancha past bo'ladi. Agar harorat oshirilsa, suyuqlikning zichligi pasayadi (§ 198), to'yingan bug'ning bosimi va zichligi esa ortadi. Jadvalda. 22 turli haroratlar uchun suv va to'yingan suv bug'ining zichligi qiymatlarini ko'rsatadi (va shuning uchun tegishli bosimlar uchun). Shaklda. 497 xuddi shu ma'lumotlar grafik shaklida taqdim etilgan. Grafikning yuqori qismida uning haroratiga qarab suyuqlik zichligi o'zgarishi ko'rsatilgan. Harorat ko'tarilgach, suyuqlikning zichligi pasayadi. Grafikning pastki qismida to'yingan bug 'zichligining haroratga bog'liqligi ko'rsatilgan. Bug 'zichligi ortadi. Nuqtaga mos keladigan haroratda suyuqlik va to'yingan bug'ning zichligi bir xil bo'ladi.
Guruch. 497. Suv zichligi va uning to`yingan bug`ining haroratga bog`liqligi
22-jadval. Turli haroratlarda suv va uning to'yingan bug'ining xususiyatlari
|
Harorat, |
To'yingan bug 'bosimi, |
Suvning zichligi, |
To'yingan bug'ning zichligi, |
Bug'lanishning o'ziga xos issiqligi, |
Jadval shuni ko'rsatadiki, harorat qanchalik yuqori bo'lsa, suyuqlikning zichligi va uning to'yingan bug'ining zichligi o'rtasidagi farq shunchalik kichik bo'ladi. Muayyan haroratda (suv uchun ) bu zichliklar mos keladi. Suyuqlik va uning to'yingan bug'ining zichliklari mos keladigan harorat berilgan moddaning kritik harorati deyiladi. Shaklda. 497 nuqtaga mos keladi. Nuqtaga mos keladigan bosim kritik bosim deb ataladi. Turli moddalarning kritik haroratlari bir-biridan juda farq qiladi. Ulardan ba'zilari jadvalda keltirilgan. 23.
23-jadval. Ayrim moddalarning kritik harorati va kritik bosimi
|
Modda |
kritik harorat, |
Kritik bosim, atm |
Modda |
kritik harorat, |
Kritik bosim, atm |
|
karbonat angidrid |
|||||
|
Kislorod |
|||||
|
etanol |
|||||
Kritik haroratning mavjudligi nimani ko'rsatadi? Bundan ham yuqori haroratlarda nima sodir bo'ladi?
Tajriba shuni ko'rsatadiki, kritik haroratdan yuqori haroratlarda modda faqat gaz holatida bo'lishi mumkin. Agar biz bug' egallagan hajmni kritik darajadan yuqori haroratda kamaytirsak, bug 'bosimi ortadi, lekin u to'yingan bo'lmaydi va bir hil bo'lib qoladi: bosim qanchalik katta bo'lmasin, biz ikkita holatni topa olmaymiz. keskin chegara, har doimgidek, bug 'kondensatsiyasi tufayli past haroratlarda. Shunday qilib, agar biron bir moddaning harorati kritik haroratdan yuqori bo'lsa, u holda suyuqlik va bug 'shaklidagi moddaning muvozanati har qanday bosimda mumkin emas.
Moddaning kritik holatini rasmda ko'rsatilgan asbob yordamida kuzatish mumkin. 498. U balandroq qizdirilishi mumkin bo‘lgan derazalari bo‘lgan temir quti (“havo vannasi”) va vanna ichida efiri bo‘lgan shisha ampuladan iborat. Hammom qizdirilganda, ampuladagi meniskus ko'tariladi, tekislanadi va nihoyat yo'qoladi, bu tanqidiy holat orqali o'tishni ko'rsatadi. Vanna sovutilganda, ko'plab mayda efir tomchilari hosil bo'lishi sababli ampula birdan loyqa bo'lib qoladi, shundan so'ng efir ampulaning pastki qismida to'planadi.
Guruch. 498. Efirning kritik holatini kuzatish qurilmasi
Jadvaldan ko'rinib turibdiki. 22, kritik nuqtaga yaqinlashganda, bug'lanishning o'ziga xos issiqligi kichikroq va kichikroq bo'ladi. Bu harorat ko'tarilishi bilan suyuqlik va bug 'holatlaridagi moddaning ichki energiyalari orasidagi farqning kamayishi bilan izohlanadi. Haqiqatan ham, molekulalarning birikish kuchlari molekulalar orasidagi masofaga bog'liq. Agar suyuqlik va bug'ning zichligi bir oz farq qilsa, molekulalar orasidagi o'rtacha masofalar ham bir oz farq qiladi. Binobarin, bu holda molekulalarning o'zaro ta'sirining potentsial energiyasining qiymatlari ham ozgina farq qiladi. Bug'lanish issiqligidagi ikkinchi muddat - tashqi bosimga qarshi ish - kritik haroratga yaqinlashganda ham kamayadi. Bu shundan kelib chiqadiki, bug 'va suyuqlik zichligidagi farq qanchalik kichik bo'lsa, bug'lanish paytida yuzaga keladigan kengayish shunchalik kichik bo'ladi va shuning uchun bug'lanish paytida kamroq ish bajariladi.
Kritik haroratning mavjudligi birinchi marta 1860 yilda ta'kidlangan. Dmitriy Ivanovich Mendeleev (1834-1907), zamonaviy kimyoning asosiy qonunini - kimyoviy elementlarning davriy qonunini kashf etgan rus kimyogari. Kritik haroratni o'rganishda katta xizmat ingliz kimyogari Tomas Endryuga tegishli bo'lib, u karbonat angidridni egallagan hajmning izotermik o'zgarishi paytida uning harakatini batafsil o'rgangan. Endryu ko'rsatdiki, yopiq idishdagi harorat pastroq bo'lganda, karbonat angidridning suyuq va gazsimon holatda birga bo'lishi mumkin; yuqori haroratlarda bunday birga yashash mumkin emas va uning hajmi qanchalik kamaymasin, butun idish faqat gaz bilan to'ldiriladi.
Kritik harorat kashf etilgandan so'ng, nima uchun uzoq vaqt davomida kislorod yoki vodorod kabi gazlarni suyuqlikka aylantirish mumkin emasligi aniq bo'ldi. Ularning kritik harorati juda past (23-jadval). Bu gazlarni suyuqlikka aylantirish uchun ularni kritik haroratdan pastroq sovutish kerak. Busiz, ularni suyultirishga bo'lgan barcha urinishlar muvaffaqiyatsizlikka uchraydi.
Tauride milliy universiteti. VA DA. Vernadskiy
Eksperimental fizika kafedrasi
Laboratoriya ishi № 6
TANIQIY TA’RIF
MADDALARNING HARORATLARI
Simferopol, 2002 yil
TANIQIY TA’RIF
MADDALARNING HARORATLARI
Uskunalar : efir ampulasi, Avenarius qurilmasi, avtotransformator, termojuft, galvanometr, kalibrlash grafigi.
ISHLARNING NAZARIY QISMI
VA 
Mukammal gaz - bu o'zaro ta'sir qilmaydigan moddiy nuqtalar to'plami. Bunday ideallashtirilgan sistemaning holati Mendeleyev-Klapeyron tenglamasi bilan tavsiflanadi. Haqiqiy gazlarda esa elektr tabiatiga ega molekulalararo kuchlar harakat qiladi. Ikki molekula orasidagi masofa kichik bo'lsa, ular o'rtasida itaruvchi kuchlar ta'sir qiladi. Bu kuchlar gaz molekulalarining “kattaligi”ni, ya’ni molekulalar bir-birini kuchli qaytaradigan masofadan yaqinroq masofani aniqlaydi. Ikki molekula orasidagi masofa oshgani sayin, itarilish kamayadi va keyin uning belgisini o'zgartirib, jozibali kuchga aylanadi. Molekulalar bir-biridan uzoqlashganda, tortishish kuchlari nolga intiladi. 
Molekulalarning o'zaro ta'siri tegishli harorat va bosimdagi haqiqiy gazlarning suyuq holatga o'tishiga olib keladi.
Ustida guruch. bitta Haqiqiy gazni T=const doimiy haroratda siqish natijasida olingan eksperimental izotermalar (T 1
Muayyan sharoitlarda (qo'shimchalarsiz gaz, sekin siqilish) davlatni olish mumkin c-d, chaqirildi o'ta to'yingan bug ' . Suyultirilgan gazni kengaytirish uchun shunga o'xshash sharoitlarda davlatni olish mumkin a-c, chaqirildi qizdirilgan suyuqlik . O'ta to'yingan bug 'va qizib ketgan suyuqlikning holatlari qisqa muddatli (metastabil). Ulardan tizim tezda saytga qaytadi a-c.
Haroratning oshishi bilan to'yingan bug'ning kondensatsiyasiga mos keladigan izotermlarning gorizontal kesimi ham ma'lum bir haroratda kamayadi. T kr(1-rasmda T 3) o'tish maydoni bir nuqtaga siqiladi TO. Nuqtadagi gazning holati TO chaqirdi materiyaning kritik holati , va harorat, bosim va hajmning mos keladigan qiymatlari kritik deb ataladi. Kritik nuqtaga yaqinlashganda, suyuqlik va uning to'yingan bug'lari orasidagi farq yo'qoladi.
Agar T>T cr bo'lsa, gazning hech qanday siqilishi uni suyuq holatga aylantirmaydi.
Moddaning kritik holatini kuzatish va kritik haroratni o'lchash uchun qurilmaning tavsifi.
Ushbu ishda moddaning kritik harorati (etil efir) ko'rinadigan suyuqlik-bug' chegarasining yo'qolishi va paydo bo'lishi bilan aniqlanadi. Efirli muhrlangan ampula 2 isitgich ichiga joylashtirilgan 1 , isitgich uchun oqim avtotransformator orqali tarmoqdan ta'minlanadi. Isitgich ichidagi harorat termojuft bilan o'lchanadi 3 . Isitgichning old va orqa devorlarida oynali oynalar mavjud: old tomoni kuzatish uchun, orqa tomoni yorug'lik uchun. Isitgich asbest izolyatsiyasi bilan qalin devorli korpus ichida joylashgan. Termo EMF millivoltmetr bilan o'rnatiladi 4 . kalibrlash jadvali 5 termo EMFni haroratga aylantirish uchun xizmat qiladi.
ISHNI TUGLASH
O'rnatishning barcha qismlari mavjudligini tekshiring. Isitgichdan ampula chiqarmang! Orqa yorug'likni yoqing. Termojuftni galvanometrga ulang, isitgichga tokni qo'llang.
TAJRIB BOSHLANGANDAN KEYIN, QOQQIQNI OCHISH VA ICHIDA HAR QANDAY TUZATISHLAR QILISHGA RUXSAT BO‘LMAYDI.
U qizdirilganda, termojuft pallasiga ulangan galvanometrning ko'rsatkichlarini kuzating va isitgich ichidagi haroratni aniqlash uchun kalibrlash egri chizig'idan foydalaning. 160˚S dan boshlab, ampuladagi meniskusning ko'rinishini kuzatib boring.
Meniskus yo'qolgan haroratni aniqlang. T 1 . Avtotransformatorni o'chiring. Ampulada sodir bo'ladigan hodisalarni kuzating. Haroratni aniqlang T 2 meniskusning ko'rinishi. O'rtacha hisoblang:
(1)
Uch marta tajriba qiling. Kritik haroratni aniqlashda xatolikni hisoblang.
NAZORAT SAVOLLARI
Haqiqiy gazdagi molekulalararo kuchlarning tabiatini tasvirlab bering.
Rasm yoqilgan PV– real gaz izotermasi diagrammasi va ularning xarakterini izohlash.
Rasm yoqilgan PV– Van der Vaals gaz izotermalarining borishini diagramma va izohlash.
Moddaning kritik holatini kuzatish va kritik haroratni o'lchash uchun qurilma qanday?
Vazifa. Berthelot tomonidan taklif qilingan haqiqiy gaz modellaridan biri quyidagi holat tenglamasiga mos keladi:
bu yerda a, b doimiylar. Bertelot gazi uchun T cr, P cr va V cr ni toping, bu miqdorlarni a va b konstantalari bilan ifodalang.
ADABIYOT:
D.V. Sivuxin. Termodinamika va molekulyar fizika.
(Umumiy fizika kursi).
Tana harorati metabolizm uchun zarur bo'lgan eng muhim omillardan biridir. Bu tananing holatining ko'rsatkichi bo'lib, tashqi va ichki omillar ta'siriga qarab o'zgaradi. Agar o'zingizni yomon his qilsangiz va kritik harorat paydo bo'lsa, shoshilinch ravishda ixtisoslashgan muassasaga murojaat qilishingiz kerak. Axir, bu ko'plab kasalliklarning xabarchisi bo'lishi mumkin.
Tana haroratiga ta'sir qiluvchi omillar
U turli omillarning, ham atrof-muhitning, ham tananing ichki xususiyatlarining ta'siri tufayli o'zgaradi, masalan:
Subakut.
Surunkali.
Kun vaqti. Kunning vaqti o'zgarishi tufayli harorat juda tez-tez o'zgarib turadi. Shu munosabat bilan ertalab tana harorati biroz pastroq bo'lishi mumkin (0,4-0,7 darajaga), lekin +35,9 ° S dan past emas. Kechqurun esa harorat, aksincha, biroz ko'tarilishi mumkin (0,2-0,6 darajaga), lekin +37,2 ° C dan yuqori emas.
Yosh. Bolalarda harorat ko'pincha 36,6 darajadan yuqori, 60-65 yoshdan oshgan kattalarda esa odatdagi harorat pasayadi.
Salomatlik holati. Agar inson tanasida infektsiya bo'lsa, u holda harorat (u bilan kurashish uchun) ko'tariladi.
Homiladorlik. Homilador ayollarda dastlabki bosqichlarda harorat 36 darajadan pastga tushmasligi va 37,5 darajadan oshib ketishi kerak.
Organizmning individual xususiyatlari.
Atrof-muhit ta'siri.
Tana haroratining tasnifi
Agar siz termometrning turli ko'rsatkichlarini tahlil qilsangiz, haroratni bir necha turga va tasniflarga bo'lish mumkin.
Tasniflardan biriga ko'ra harorat turlari (gipertermiya darajasiga ko'ra):
Kam va qisqartirilgan. Termometrdagi qiymat 35 ° C dan past.
Oddiy. Termometrdagi qiymat 35-37 ° S oralig'ida.
Subfebril. Termometrdagi qiymat 37-38 ° S oralig'ida.
Febril. Termometrdagi qiymat 38-39 ° S oralig'ida.
Piretik. Termometrdagi qiymat 39-41 ° S oralig'ida.
Giperpiretik. Termometrdagi qiymat 41 ° C dan yuqori.
Haroratning davomiyligiga qarab taqsimlanishi:
Harorat turlarining yana bir tasnifi:
Hipotermiya - past tana harorati (35 ° C dan kam).
Oddiy harorat. Ushbu turdagi tana harorati 35-37 ° S gacha o'zgarib turadi va yuqorida muhokama qilingan ko'plab omillardan farq qiladi.
Gipertermiya - tana haroratining ko'tarilishi (37 ° C dan yuqori).
Tana harorati normal chegaralarda
O'rtacha tana harorati, yuqorida aytib o'tilganidek, turli omillar ta'sirida o'zgarishi mumkin. U nafaqat qo'ltiq ostida, balki og'izda, quloq bo'shlig'ida va to'g'ri ichakda ham o'lchanishi mumkin. Bunga qarab, termometrdagi ma'lumotlar o'zgarishi mumkin, tanqidiy haroratlar bu erda keltirilgan me'yorlardan ancha yuqori yoki past bo'ladi.
Og'izda termometr ko'rsatkichlari qo'ltiq ostida o'lchanganidan 0,3-0,6 ° S yuqori bo'ladi, ya'ni bu erda 36,9-37,2 ° S ko'rsatkich norma hisoblanadi. To'g'ri ichakda termometr ko'rsatkichlari 0,6-1,2 ° S yuqori bo'ladi, ya'ni norma 37,2-37,8 ° S ni tashkil qiladi. Quloq bo'shlig'ida termometr ko'rsatkichlari to'g'ri ichakdagi kabi, ya'ni 37,2-37,8 ° S bo'ladi.
Ushbu ma'lumotlarni har bir kishi uchun to'g'ri deb hisoblash mumkin emas. Ko'pgina tadqiqotlarga ko'ra, bunday ko'rsatkichlar ko'pchilik odamlarda uchraydi - bu taxminan 90% ni tashkil qiladi, ammo 10% odamlarda normal tana harorati ko'pchilikdan farq qiladi va ko'rsatkichlar yuqoriga yoki pastga o'zgarishi mumkin.
Qaysi harorat norma ekanligini bilish uchun siz kun davomida ko'rsatkichlarni o'lchashingiz va yozib olishingiz kerak: ertalab, tushdan keyin va kechqurun. Barcha o'lchovlardan so'ng siz barcha ko'rsatkichlarning o'rtacha arifmetik qiymatini topishingiz kerak. Buning uchun ertalab, tushdan keyin va kechqurun ko'rsatkichlarini qo'shishingiz va 3 ga bo'lishingiz kerak. Olingan raqam ma'lum bir odam uchun normal o'rtacha tana harorati.
Kritik tana harorati
Ham kuchli kamaygan, ham kuchli oshgani muhim bo'lishi mumkin. Odamlarda yuqori harorat past haroratga qaraganda ancha keng tarqalgan. Harorat 26-28 ° C ga tushganda, odam komaga tushib qolish xavfi juda yuqori, nafas olish va yurak bilan bog'liq muammolar bo'ladi, ammo bu raqamlar individualdir, chunki qanday qilib ko'plab tasdiqlangan hikoyalar mavjud. kuchli hipotermiyadan so'ng, 16-17 ° S gacha bo'lgan odamlar omon qolishga muvaffaq bo'lishdi. Misol uchun, bir hikoyada aytilishicha, bir kishi ulkan qor ko'chkisida besh soat davomida tashqariga chiqish va omon qolish imkoniyatisiz o'tkazgan, uning harorati 19 darajaga tushgan, ammo ular uni qutqarishga muvaffaq bo'lishgan.
Kam tana harorati
Past harorat chegarasi 36 darajadan past yoki odamning individual haroratidan 0,5 dan 1,5 darajagacha past harorat deb hisoblanadi. Va past harorat chegarasi odatdagidan 1,5 ° C dan pastroq bo'lgan harorat deb hisoblanadi.
Haroratning pasayishi uchun ko'plab sabablar bor, masalan, immunitetning pasayishi, sovuqqa uzoq vaqt ta'sir qilish va shu asosda tananing hipotermiyasi, qalqonsimon bez kasalliklari, stress, zaharlanish, surunkali kasalliklar, bosh aylanishi va hatto banal charchoq.
Agar tana harorati 35 ° C ga tushib ketgan bo'lsa, unda siz tezda tez yordam chaqirishingiz kerak, chunki. ko'p hollarda bu ko'rsatkich juda muhim va qaytarilmas oqibatlarga olib kelishi mumkin!
Qanday kritik haroratni ogohlantirishi kerak?
37 darajadan boshlangan harorat subfertil deb hisoblanadi va ko'pincha organizmda yallig'lanish, infektsiyalar va viruslar mavjudligini ko'rsatadi. 37 dan 38 darajagacha bo'lgan haroratni dorilar yordamida tushirish mumkin emas, chunki. tanada sog'lom hujayralar va kasallik qo'zg'atuvchilar o'rtasida kurash bor.
Haroratning ko'tarilishini ko'rsatadigan ko'plab alomatlar mavjud, masalan: zaiflik, charchoq, titroq, bosh og'rig'i va mushaklarning og'rig'i, ishtahaning yo'qolishi va terlash. Ular haroratning 38,5 darajaga ko'tarilishiga yo'l qo'ymaslik uchun ko'proq e'tibor berishlari kerak.
Tananing tanqidiy harorati 42 ° C ni tashkil qiladi va ko'p hollarda 40 daraja belgisi allaqachon o'limga olib keladi. Yuqori harorat miyada qaytarilmas oqibatlarga olib keladi, miya to'qimalarida metabolizm buziladi.
Bunday holatda, harorat 38,5 darajadan yuqori ko'tarilganda, yotoqda dam olish, antipiretik preparatlarni qabul qilish va shifokorga majburiy tashrif buyurish yoki tez yordam chaqirish muhim ahamiyatga ega! Juda yuqori yoki past haroratda o'limni oldini olish uchun o'z-o'zidan dori-darmon bilan shug'ullanmang, lekin har doim bunday haroratning sababini to'g'ri aniqlay oladigan, tashxis qo'yadigan va to'g'ri va samarali davolanishni tayinlaydigan shifokor bilan maslahatlashing!
Bunday tabiiy hodisa mavjudki, olimlar o'ta o'tkazuvchanlikni, muhandislarni esa "energetika, tibbiyot, yuqori tezlikdagi transport va harbiy ishlarning kelajagi" deb atashadi. Birinchi o'ta o'tkazuvchan materiallar yuz yildan ko'proq vaqt oldin kashf etilganiga qaramay, ular nisbatan yaqinda va faqat bir nechta o'ziga xos asboblarda, masalan, Katta Adron Kollayderida yoki magnit-rezonans tomografiyada qo'llanilgan. Nega? Chunki biz haligacha bu hodisa qanday ishlashini to'liq tushunmayapmiz. Yangi materialda muharrirlar N+1 Men o'ta o'tkazuvchanlikning paydo bo'lishining bir nechta ilmiy versiyalari haqida iloji boricha qisqacha va sodda tarzda aytib berishga harakat qildim, ular bilan shug'ullanib, butun dunyo fiziklari bir asr davomida nimani boshdan kechirayotganini tushunasiz.
Xo'sh, o'ta o'tkazuvchanlik nima? Ba'zi moddalarning bu xususiyati ma'lum bir harorat ostida qat'iy nol qarshilikka ega bo'lishi - bu tanqidiy deb ataladi. U yoki bu birikmani supero'tkazgich deb tasniflashning ikkinchi majburiy mezoni bu Meissner effekti - materiallarning sovutilganda magnit maydonni yana kritik haroratdan pastga tushirish qobiliyati.
Supero'tkazgichning magnit ustida levitatsiyasi Meissner effektining namoyonidir.
Wikimedia Commons
Supero'tkazuvchanlik hodisasi ham o'ziga xos, ham butunlay "oddiy". U mavjud va mumkin bo'lgan ilovalarning keng doirasi tufayli noyobdir: isitish simlari uchun energiya yo'qotmasdan elektr tokini uzatish, o'ta kuchli magnitlar, turli detektorlar, SQUID magnitometrlari, magnit levitatsiya poezdlari va hatto hoverbordlar ishlab chiqarish.
Va "oddiy", chunki o'ta o'tkazuvchanlik, ma'lum bo'lishicha, juda ko'p birikmalarda namoyon bo'ladi - bu erda va metall oksidlari va organik o'tkazgichlar, metall fulleridlari, temir o'z ichiga olgan va xalkogenidlar va boshqalar. Shu sababli, yana bir yangi supero'tkazgichning kashf etilishi haqidagi xabarlar endi hech kimni, ayniqsa olimlarni ajablantirmaydi.
Ammo hozirgi kunga qadar, o'ta o'tkazuvchanlik kashf qilinganidan keyin yuz yildan ko'proq vaqt o'tgach, uni amaliy qo'llash bo'yicha barcha urinishlar asosiy muammoga - past kritik haroratga olib keladi. Shu sababli, supero'tkazuvchi mahsulotlar bilan ishlash uchun suyuq azot yoki hatto qimmatbaho suyuq geliydan foydalangan holda katta hajmli sovutish tizimlarini qurish kerak. Ammo agar xona haroratining kritik haroratiga ega materialni topish mumkin bo'lsa, levitatsiya poezdlari va o'ta o'tkazuvchan elektronika futurologlarning orzularidan kundalik haqiqatga aylanishi mumkin edi.
Yangi supero'tkazgichlarni o'rganadigan fiziklar odatda ularning kritik haroratini oshirishni maqsad qilmaydi. Ular mexanizmlar haqida gapiradilar - ma'lum bir birikmaning o'ta o'tkazuvchanlik xususiyatlarini namoyon etishiga olib keladigan sabablar. Olimlarning fikriga ko'ra, bu mexanizmlarni tushunish birikmalarni nafaqat yuqori kritik harorat bilan, balki boshqa muhim parametrlar, masalan, muhim magnit maydon, oqim zichligi va boshqalar bilan ham bashorat qilish imkonini beradi.
O'ta o'tkazuvchanlikning paydo bo'lishining asosiy tan olingan mexanizmi elektron-fonon o'zaro ta'siri hisoblanadi, bunda kristall panjara tebranishlari ta'siri ostida ikki elektron o'rtasida tortishish sodir bo'lganda va Kuper juftlari hosil bo'ladi. Bardin-Kuper-Schrifferning (BCS) Nobel nazariyasiga ko'ra, supero'tkazuvchanlik shunday namoyon bo'ladi. Magnon yoki eksiton kabi boshqa mexanizmlar ham taklif qilingan. Birinchisida elektron juftlashuv fononlar emas, balki magnonlar tufayli sodir bo'ladi, ikkinchisida esa Bose kondensat holatidagi eksitonlar o'ta o'tkazuvchanlik uchun javobgardir.
Ammo shu paytgacha olimlar o‘rtasida fonon mexanizmidan boshqa mexanizmlar bor-yo‘qligi to‘g‘risida bahs-munozaralar mavjud edi – haqiqat shundaki, ba’zi hollarda eksperimental ma’lumotlar turlicha talqin qilinishi mumkin. Shu sababli, supero'tkazuvchanlikni o'rganuvchi fiziklar ikkita qarama-qarshi va, shekilli, murosasiz lagerga bo'lingan - nazariyani yangi ma'lumotlarga moslashtirish uchun qandaydir tarzda o'zgartirishga harakat qilayotgan klassik BCS tarafdorlari va yangi mexanizmlarni sodir bo'layotgan real jarayonlarning aksi deb hisoblaydiganlar. supero'tkazgichlarda.
Bu yoki boshqa mexanizmlar haqiqiymi, yangi eksperimental ma'lumotlar bilan ko'rsatiladi. Biz ushbu masala bo'yicha zamonaviy ilmiy adabiyotlarni o'rganib chiqdik va juda boshqacha va bir-biriga bog'liq bo'lmagan ko'rinadigan jarayonlar o'ta o'tkazuvchanlikka olib kelishi mumkinligini iloji boricha sodda tasvirlashga harakat qildik. Shuningdek, biz ma'lum bir supero'tkazgichning kritik haroratiga ta'sir qilishi mumkin bo'lgan turli xil effektlarga e'tibor qaratdik.
Birinchi hikoya: Fononlar
Supero'tkazuvchi: oddiy elementlar, ularning ba'zi qotishmalari va boshqa birikmalar.
Mexanizm: elektron-fonon o'zaro ta'siri (klassik BCS nazariyasi).
Maqolalar: Supero'tkazuvchanlik nazariyasi // Fizik. Rev. 108, 1175 (1957).
Leon N. Kuper, Degeneratsiyalangan fermi gazidagi bog'langan elektron juftlari, fizik. Rev. 104, 1189 (1956).
J. Bardin, L. N. Kuper va J. R. Shriffer, Supero'tkazuvchanlikning mikroskopik nazariyasi // Fizik. Rev. 106, 162 (1957).
Xona harorati, normal o'tkazgich. Kristal panjaraning atomlari (aniqrog'i, musbat zaryadli ionlar) - turli yo'nalishlarda, turli chastotalarda tebranadi. Ushbu "tebranish to'lqinlari" fiziklar tomonidan tasvirlangan kvazizarralarfononlar , va har bir fonon o'z chastotasi va energiyasiga ega. O'tkazuvchi elektronlar bu tebranish ionlari orasida deyarli tasodifiy harakat qiladi, yo'nalishni o'zgartiradi, ionlar bilan va bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi. Ushbu o'zaro ta'sirlar natijasida elektronlar o'z energiyasining bir qismini tashlab, uni atrofdagi atomlarga tarqatadi - bu o'tkazgichlarda nolga teng bo'lmagan qarshilik paydo bo'lishining sababidir.
Xona ostida, tanqidiy tepada, oddiy dirijyor. Harorat ta'sirida atomlarning tebranishlari susayadi, lekin to'liq emas. Elektronlar energiyani tarqatishda davom etmoqda, lekin ular uchun harakat qilish allaqachon ancha oson - atomlar o'z yo'lida unchalik "miltillamaydi". Qarshilik asta-sekin pasayadi.
Kritik harorat, supero'tkazuvchi o'tish. Fononlar ham kamroq - atomlar deyarli tebranmaydi. Elektronlar uchun yangi "qulay" holat paydo bo'ladi - impuls va spinning umumiy nol qiymati bilan bog'lanish. Birlashish kristall panjaradagi ionlarning tebranishlari, ya'ni fononlar bilan o'zaro ta'siri tufayli sodir bo'ladi. Ammo bu fononlar yuqorida aytib o'tilganlar emas - haroratning o'zgarishi, lekin " virtual» - elektronlar harakatidan kelib chiqadi. Ushbu o'zaro ta'sir natijasida elektron juftlari deyiladi Kuper, energiyani panjara atomlarida tarqatish foydasiz bo'ladi. Materialda hali ham "oddiy elektronlar" mavjud, ammo oqim eng kam qarshilik yo'li bo'ylab oqadi - u keskin nolga shoshiladi.
Kritik harorat ostida, supero'tkazgich. Kuper juftliklari tobora ko'payib bormoqda. Juftlik butun spinga ega bo‘lgani uchun (-1/2+1/2 = 0 yoki kamdan-kam hollarda 1/2+1/2 = 1), bunday “jami zarracha” bozondir. Va bozonlar uchun Pauli taqiqi qo'llanilmaydi - ular bir vaqtning o'zida bir xil kvant holatida yoki bir xil energiya darajasida bo'lishi mumkin. Ko'proq va ko'proq juftliklar bu energiya darajasiga "tushadi" - shakllangan bose kondensati. Bose kondensatida zarralar o'zini tutadi izchil(doimiy ravishda) va ularning borishi dissipatively(energiya yo'qotilishi yo'q).
To'g'risini aytganda, Bose-Eynshteyn nazariyasi o'ta o'tkazgichlardagi elektronlar kabi murakkab o'zaro ta'sir qiluvchi tizimlar bilan emas, balki ideal gazlar bilan bog'liq. Ammo jarayonlarning mohiyati - zarralarning bir xil energiya darajasida "yig'ilish" imkoniyati - bir xil. Shuning uchun biz o'zimizga bunday o'xshashlikni chizishga ruxsat beramiz.
Kuper juftlari qanday hosil bo'ladi? Ijobiy zaryadlangan atomlar orasida uchayotgan elektronlar ularni manfiy zaryadli hududga o'ziga tortadi. Ammo atomlar "sust", ular ancha og'irroq va sekinroq harakatlanadi. Natijada, o'tgan elektrondan keyin musbat zaryadli hudud hosil bo'ladi. Unga yana bir elektron tortiladi. Shunday qilib, ular juft bo'lib, energiyani to'qnashuvlarga tarqatmasdan, atomlar orasidagi kristall panjara bo'ylab harakatlanadilar. Fiziklar bu jarayonni elektronlarning kristall panjaraning virtual fononlari bilan o'zaro ta'siri deb atashadi.
Nega Kuper juftlari energiyani yo'qotmaydi? Elektronlar nima uchun energiyasini yo'qotmasligini tushuntirish uchun biz kontseptsiyaga murojaat qilishimiz kerak elektron spektr- energiyaning to'lqin vektoriga bog'liqliklari. Supero'tkazgich, oddiy metalldan farqli o'laroq, o'ziga xos xususiyatga ega bo'shliq- taqiqlangan davlatlar hududi. Ya'ni, elektron bu taqiqlangan hududdan energiyaga ega bo'lgan holatni egallamaydi. Bo'shliq faqat tanqidiy haroratda "ochiladi" va sovutilganda "o'sishda" davom etadi. Supero'tkazgichlarda, bu bo'shliqning o'rtasida, Kuper juftlari joylashgan ruxsat etilgan energiya darajasi mavjud. Ammo bu darajadan yuqorida va pastda "taqiqlangan zona" mavjud, ya'ni elektron juftlari bo'shliqning o'rtasida bu darajada qulflangan ko'rinadi. Ular energiyani faqat tarmoqli oralig'idan kattaroq qismlarda yo'qotishi yoki o'zlashtirishi mumkin - Kuper juftligining past tezligida bu deyarli imkonsiz jarayon. Kristal panjara orqali o'tkazuvchanlik elektronlarining tarqalmaydigan (energiya yo'qotmasdan) harakati mavjud - bu o'ta o'tkazuvchanlik. Biz qo'shamizki, bunday bo'shliq yarimo'tkazgichlar va dielektriklardagi tarmoqli bo'shlig'i bilan bir xil emas, buning natijasida o'tkazuvchanlik butunlay yo'qoladi yoki harorat bilan kamayadi. Dielektriklar yoki yarimo'tkazgichlar tarmoqli oralig'ida Kuper juftlari bilan hech qanday darajaga ega emas va elektron to'siqdan "sakrash" uchun energiya olishi mumkin bo'lgan taqdirdagina o'tkazuvchanlikning o'zi (o'ta o'tkazuvchanlik haqida gapirmasa ham) sodir bo'lishi mumkin.
Ushbu bosqichda biroz aniqlik kiritishga arziydi. Olimlarning deyarli hech biri o'ta o'tkazuvchanlik oqimi Kuper juftlari yoki boshqa Bose zarrachalarining shakllanishi va ularning bir xil energiya darajasida kondensatsiyasi tufayli paydo bo'lishiga shubha qilmaydi. haqida nizolar kelib chiqadi Ushbu Bose zarralari qanday qilib aniq hosil bo'ladi?. BCS nazariyasi bunday mexanizm sifatida elektron-fonon o'zaro ta'sirini taklif qiladi. Lekin nega buning uchun boshqa kvazizarralardan "foydalanmaslik" kerak? Bu bizning keyingi hikoyamiz haqida.
Ikkinchi hikoya: Magnons
Supero'tkazuvchi: ZrZn 2 va boshqalar.
Mexanizm: kollektivlashtirilgan elektronlarning ferromagnetizmi hodisasi tufayli triplet Kuper juftlarining hosil bo'lishi.
Maqola: C. Pfleiderer va boshqalar. al d-band metall ZrZn 2 / Nature 412, 58-61 (2001) da supero'tkazuvchanlik va ferromagnetizmning birgalikda mavjudligi.
D. Fey va J. Appel p-holatning o'ta o'tkazuvchanligi va sayohatchi ferromagnetizmning birgalikda mavjudligi / Fizik. Rev. B 22, 3173 (1980).
Xona harorati, paramagnit metall.
Qattiq jismdagi elektronga boshqa elektronlarning kulon itarish kuchlari, kristall panjara ionlarining tortishish kuchi, shuningdek kuchlar ta'sir qiladi. almashinuv o'zaro ta'siri elektronlar orasida. Ikkinchisi sof kvant xarakterga ega va elektronlar mavjudligi bilan bog'liq orqaga- ±½ qiymatlarni qabul qiladigan to'g'ri burchak momentum. Aynan ayirboshlash o'zaro ta'sirlari ko'pincha materiallarda magnit tartibni keltirib chiqaradi - ferro-, ferri- va antiferromagnetizm deb nomlanuvchi hodisalar sinfi. Ko'p hollarda bu hodisalar moddaning o'tkazgich, ya'ni undagi elektronlar bo'lmaganida sodir bo'ladi mahalliylashtirilgan, yoki ma'lum bir ionga "biriktirilgan". Bu hikoya ferromagnetizm haqida. kollektivlashtirilgan elektronlar, ya'ni "mobil" - o'tkazuvchanlik uchun javobgardir.
Ferromagnit tartibli harorat, ferromagnit metall. Supero'tkazuvchilardagi elektronlarning almashinuv o'zaro ta'siri ba'zi hollarda oddiy o'tkazgichda tasodifiy oldinga va orqaga "uchib yuruvchi" elektronlarning spinlari birdan bir xil yo'nalishda "qarash" boshlashiga olib kelishi mumkin. Aslini olganda, xuddi shunday holatni qo'rqib ketgan odamlarning yugurayotgan olomonida kuzatish mumkin. Olomondagi shaxs butunlay xaotik yo'nalishda yugurib, boshqa odamlar, devorlar va to'siqlar bilan to'qnashib, oddiy metallardagi qarshilikka o'xshash ta'sirga olib kelishi mumkin. Biroq, ko'pchilik odamlar qo'llari bilan emas, balki oyoqlari bilan yugurishadi, shuning uchun ularning "orqalari" - oyoqdan boshgacha bo'lgan yo'nalish mos keladi. Shunday qilib, agar harorat (olomondagi odamlarning o'rtacha tezligi) etarlicha past bo'lsa, elektron spinlarning aksariyati birgalikda yo'nalishli bo'ladi va material ferromagnit metall bo'ladi.
Supero'tkazuvchilar o'tishning kritik harorati, ferromagnit-super o'tkazgich. Alohida elektronlarning spinlari birgalikda yo'naltirilgan bo'lsa-da, ular ma'lum bir yo'nalishda qattiq mahkamlanmagan. Ular tebranishlari, ag'darishlari va qat'iy tartibni buzishlari mumkin. Ammo, umumiy yo'nalishdan chetga chiqib, ma'lum bir spin "tinchlikni buzish" va qo'shni elektronlarni keltirib chiqaradi va ular, o'z navbatida, uni asl holatiga qaytarishga harakat qilishadi. Bu ferromagnitda elektronlar mavjudligi bilan bog'liq energiya jihatidan foydali koordinatsion spinlarga ega, chunki ular almashinuv ta'sirining energiyasi bilan o'zaro bog'langan. Past haroratlarda bunday energiya ortishi tufayli elektronlar orasida tortishishga o'xshash narsa paydo bo'la boshlaydi - ular juftlarga birlashadi. Ammo, "fonon" supero'tkazgichdan farqli o'laroq, bu juftlikning umumiy spini nolga teng emas, balki birlikka teng, chunki aylanishlar ko'proq yo'naltirilgan. Bunday hodisa deyiladi uchlik supero'tkazuvchanlik. Spinlarni aylantira oladigan va qo'shni elektronlarga tartibsizlikni tarqatadigan "muammolar" deyiladi magnons. Supero'tkazuvchilar o'tish paytida elektronlarning juftlarga birlashishiga yordam beradigan magnonlardir.
Uchinchi hikoya: qo'zg'alishlar
Supero'tkazuvchi: dielektriklar va yarimo'tkazgichlarning bir nechta tartibli qatlamlaridan tashkil topgan sun'iy materiallar, har bir qatlam deyarli bir atom qalinligi.
Mexanizm: Bilvosita eksitonlarning Bose-Eynshteyn kondensatsiyasi.
Maqolalar : J. P. Eyzenshteyn, A. H. MakDonald Bose-Eynshteynning ikki qavatli elektron tizimlarida qo'zg'alish kondensatsiyasi / Tabiat 432, 691-694 (9 dekabr 2004 yil).
M. M. Fogler, L. V. Butov va K. S. Novoselov Van der Waals heterostrukturalarida bilvosita eksitonlar bilan yuqori haroratli superfluidity / Nature Communications 5, 4555 (2014).
Xona harorati, supero'tkazuvchanlik yo'q. Manba materiali dielektriklarning (oqim o'tkazmaydigan materiallar) va yarim o'tkazgichlarning (o'tkazuvchanlik oqimi, lekin haqiqiy o'tkazgichlardan yomonroq) monotomik qatlamlarining sun'iy "uymasi" dir. Yarimo'tkazgichda tok paydo bo'lishi uchun elektronlar "sakrab o'tish" uchun etarli energiya olishlari kerak. taqiqlangan zona. Elektron "sakrab" o'tkazuvchan bo'lganda, a teshik, yoki oddiy qilib aytganda, elektronning yo'qligi. Elektron + teshik = qo'zg'alish. To'g'ri, elektron va teshikdan qo'zg'alish paydo bo'lishi uchun ular bir-biriga bog'langan bo'lishi kerak, ya'ni ular alohida zarrachalarning umumiy energiyasidan bir oz pastroq energiyaga ega bo'lishi kerak - faqat bu holda ular material bo'ylab harakatlanadilar. muvofiqlashtirilgan tarzda. Aks holda, masalan, "engil" elektron shunchaki "uchib ketishi" mumkin va "qo'pol" teshik uni ushlab tura olmaydi.
Harorat kritikdan yuqori, xona haroratidan past, supero'tkazuvchanlik yo'q. Agar bunday ko'p qatlamli materialda faqat oddiy qo'zg'atuvchilar (yarim o'tkazgich qatlami ichida tarqaladigan) mavjud bo'lsa, hech qanday o'ta o'tkazuvchanlikka umid qilib bo'lmaydi. Ammo dielektrik va yarimo'tkazgich qatlamlari unda tasodifiy bo'lmagan tarzda joylashgan. Ular "burger" bo'lib, unda kotlet o'tkazmaydigan dielektrik, nonning ikki qatlami esa erkin elektronlar, teshiklar va "erkin bo'lmagan" eksitonlar bo'lgan yarim o'tkazgichlardir. Bunday "burger" ichida shakllanishi mumkin bilvosita qo'zg'alishlar. Buning uchun "non" ning pastki qismidagi elektron "kotletka" bo'ylab uchib o'tishi, yuqori bo'lakda tiqilib qolishi va "non" ning pastki qismidan uning teshigi bilan bog'lanishi kerak. Shunday qilib, yarimo'tkazgichli nonning bir qatlamida elektronlar, boshqa qatlamda esa teshiklar to'planishi uchun sharoit yaratish mumkin. Keyin dielektrik kotlet qatlami elektronning o'z joyiga qaytishiga to'sqinlik qiladi va energiya to'sig'ini yaratadi. Ya'ni, elektron orqaga sakrashi uchun unga qo'shimcha energiya sarflash kerak.
Bose-Eynshteyn kondensatsiyasining kritik harorati, o'ta o'tkazuvchanlikning paydo bo'lishi. Eksitonning spini nolga teng, demak u bozondir. Shunday qilib, eksitonlar xuddi Kuper juftlari kabi Bose kondensatini hosil qilishi mumkin. Boshqa tomondan, Kuper juftining zaryadi elektronning ikkita zaryadiga teng, ammo eksitonning zaryadi nolga teng. Nol zaryadlarning harakati oqim hosil qila olmaydi, o'tkazuvchanlik qaerdan keladi va hatto super- prefiksi bilan? Xuddi shu bilvosita qo'zg'alishlar bunga yordam beradi. Ularning yordami bilan eksitonning zaryadi ikki qismga bo'linadi, so'ngra manfiy elektronlar yarimo'tkazgichning bir qatlamiga, musbat teshiklar ikkinchisiga tegishli bo'ladi. Endi siz Supero'tkazuvchilar kontaktlarni, masalan, yarimo'tkazgichli nonning yuqori qatlamiga "lehimlashingiz" va ularga kuchlanish qo'llashingiz mumkin - yuqori qatlamning elektronlari harakatlana boshlaydi va ular bilan pastki qatlamdagi teshiklar ham harakatlanadi, qarama-qarshi yo'nalishdagi oqimlarni yaratish. Agar harorat yetarli darajada tushirilsa, eksitonlar bir xil energiya darajasida kondensatsiyalanadi, u holda ular energiyani yo'qotmasdan material bo'ylab harakatlanadi. Yarimo'tkazgichning har bir qatlamida o'ta o'tkazuvchanlik kuzatiladi - teshik yoki elektron.
Kritik harorat ostida, supero'tkazgich. Sun'iy o'ta o'tkazuvchanlikni yaratishning bu usuli o'zining kamchiliklariga ega. Masalan, hodisa tufayli elektronlar hali ham teshiklarga qaytadi tunnel qazish. Bunday holda, eksitonlar "yo'qoladi" (fiziklar bu jarayonni chaqirishadi). rekombinatsiya), va umumiy o'tkazuvchanlik - tushish. Bundan tashqari, bunday qo'zg'alishlarni yaratish o'z-o'zidan energiya talab qiladi, chunki elektron dielektrik tomonidan yaratilgan to'siq orqali "tashlanishi" kerak. Haroratning pasayishi bilan yangi eksitonlar yaratish qiyinlashadi, shuning uchun yarimo'tkazgichlar va dielektriklardan iborat bunday sun'iy "burger" haqiqiy o'ta o'tkazgichning o'rnini bosa oladimi yoki yo'qligini aytish hali ham qiyin.
Shuni ta'kidlash kerakki, avvalgi hikoyada aytib o'tilgan sun'iy "qo'zg'aluvchan supero'tkazgich" dan tashqari, "qo'zg'alishning o'ta o'tkazuvchanlik mexanizmi" kabi atama ham mavjud va bu hodisalar mutlaqo bir xil narsa emas. Yuqoridagi misolda, aslida, Kuper juftlari yo'q. Eksiton mexanizmi BCS nazariyasidagi fononga o'xshaydi, faqat undagi Kuper juftligining ikkita elektronlari orasidagi bog'lovchi aloqa fononlar emas, balki Bose kondensat holatidagi eksitonlardir. Ikkala mexanizmda ham bunday aloqa manfiy zaryadlangan elektronlar bir-biriga tortishish hissi paydo bo'lishiga olib keladi (garchi Kulon qonuniga ko'ra, ular bir-birini qaytarishi kerak). Aslida, ikkala elektron ham fononlar yoki eksitonlar tomonidan yaratilgan vaqtinchalik paydo bo'lgan musbat zaryad mintaqasiga tortiladi. Bundan tashqari, qo'zg'alishlarni "yaratish" osonroq bo'lganligi sababli, bunday mexanizm ba'zi materiallar uchun kritik haroratning yuqori qiymatlarini tushuntirishi mumkin, deb ishoniladi.
To'rtinchi hikoya: Tebranishlar
Supero'tkazuvchi:
temir selenid FeSe va boshqalar.
Mexanizm: magnit momenti nolga teng bo'lmagan ionlarni o'z ichiga olgan birikmalardagi spin tebranishlari, nematik strukturaviy fazali o'tishda birlashtirilgan.
Maqola : Qisi Vang va boshqalar. al FeSe / Tabiat Materiallarida chiziqli spin tebranishlari, nematiklik va o'ta o'tkazuvchanlik o'rtasidagi kuchli o'zaro bog'liqlik, 15, 159–163 (2015).
Fa Vang, Stiven A. Kivelson va Dung-Xay Li FeSe / Tabiat fizikasida nematiklik va kvant paramagnetizmi 11, 959–963 (2015).
Xona harorati, paramagnit. Bu mexanizm faqat materialda nolga teng bo'lmagan magnit momentga ega ionlar mavjud bo'lsa, mumkin - bu jami degan ma'noni anglatadi aylanish(kvant xarakteristikasi - to'g'ri burchak momentum) iondagi lokalizatsiya qilingan elektronlarning nolga teng emas. Bunday materiallar paramagnetlar. Magnit momentlar bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilishi mumkin, tartibga solinadi, shuning uchun ko'p materiallar ferro-, antiferromagnit xususiyatlarni va boshqa ekzotik variantlarni namoyish etadi. Xona haroratida panjara ionlarining termal tebranishlari magnit momentlarni tartibga solishga xalaqit beradi, ular deyarli tasodifiy o'zgarib turadi - modda paramagnit bo'lib qoladi.
Xona haroratidan past, paramagnit. Haroratning pasayishi bilan tebranishlar zaiflashadi va magnit o'zaro ta'sirlar, aksincha, kuchaya boshlaydi. Magnit momentlar endi barqarorroq tebranadi, ular "qulay" pozitsiyani topishga intiladi, ammo kristall panjaraning simmetriyasi (tetragonal, ya'ni a = b ≠ c bo'lgan to'rtburchaklar parallelepiped) tufayli bitta holat mavjud emas. minimal energiya. Energiyani kamaytirish uchun kvadrat panjarada joylashgan magnit momentlar boshlanadi zanjirband qilish- ma'lum bir yo'nalish atrofida ustun harakat mavjud.
Nematik fazaga o'tish, paramagnet. Spin tebranishlar(tebranishlar) endi panjara ionlarining tebranishlariga nisbatan katta hissa qo'shadi. Spinlarning zanjirlar bo'yicha qatorga kirishga "urinishlari" oxir-oqibat kristall panjaraga ta'sir qila boshlaydi, uning simmetriyasini pasaytiradi (endi a ≠ b ≠ c - ortorombik). Faza bor nematik o'tish (kristal panjara simmetriyasining shunga o'xshash pasayishi bilan o'tish deb ataladigan). U, o'z navbatida, spin tebranishlarining anizotropiyasini yanada kuchaytiradi, ular oxir-oqibat zanjirlarda joylashgan. Ammo butunlay magnit tartiblash sodir bo'lmaydi, chunki zanjirlar biron bir holatda "tuzatolmaydi", chunki bunday holat barqaror emas.
Nematik faza, paramagnet. Spin tebranishlari magnonlarning "kenja ukalari" (magnonlar tartibli magnitlarda spin tebranishlari deb ataladi). Qoidaga ko'ra, ma'lum bir yo'nalishda "spinning urinishlari" oxir-oqibat magnit fazaga o'tishga olib keladi va modda, masalan, antiferromagnitga aylanadi. Biroq, ba'zi materiallarda bunga kristall panjara ionlarining tebranishlari to'sqinlik qiladi. Aynan shu materiallar supero'tkazgichlarga nomzodlardir.
Supero'tkazuvchi o'tishning kritik harorati. Supero'tkazuvchilar o'tish haroratiga yaqinlashganda, spin tebranishlarining energiyasi panjara tebranishlari bilan taqqoslanadigan bo'ladi. Magnit tartibni o'rnatish uchun vaqt yo'q, lekin spin tebranishlari tufayli elektronlarning izchil harakati elektronlar uchun mumkin bo'lgan holatlar "ro'yxati" ni cheklaydi. Bu elektron spektrda bo'shliq paydo bo'lishiga olib keladi va magnit o'tish o'ta o'tkazuvchan bilan "almashtiriladi". Shunday qilib, spin tebranishlari, kristall panjaraning tebranishlari va uning simmetriyasining o'zgarishi bilan birga, oxir-oqibat, Kuper juftlarini hosil qilishning boshqa usuliga olib keladi.
/ Fizika. Rev. Lett. 101, 026406 (2008 yil).
S. V. Borisenko va boshqalar. al Temirga asoslangan o'ta o'tkazgichlarda spin-orbita bog'lanishini bevosita kuzatish / Tabiat fizikasi, 12, 311-317 (2015).
Xona haroratidan kritik darajagacha. Spin-orbitaning o'zaro ta'siri elektron spektrga ta'sir qiladi va shu bilan o'tkazuvchanlik xususiyatlariga "aralashadi". Bu hodisa - harakatlanuvchi elektron va o'z spinining o'zaro ta'siri - elektron harakatining yuqori tezligida o'zini eng kuchli namoyon qiladi (kvant fizikasida ular impuls tushunchasi bilan ishlaydi), ya'ni bu relyativistik effektdir. Bu barcha birikmalarning elektron xususiyatlariga ta'sir qiladi, lekin uning hissasi qanchalik katta bo'lsa, davriy jadvaldagi atom raqami shunchalik yuqori bo'ladi, chunki yuqori energiya darajasidagi elektronlarning "tezliklari" ancha yuqori. LiFeAs va boshqa o'ta o'tkazuvchan temir arsenidlarida spin-orbita o'zaro ta'sirining hissasi elektron tuzilishga sezilarli ta'sir ko'rsatish uchun etarli bo'lib chiqadi. Tasavvur qiling-a, siz qo'lingizda plastilin to'pini ushlab turibsiz. Spin-orbitaning elektron tuzilmadagi o'zaro ta'sirini xuddi barmoqlaringiz bilan bu to'pda chuqurchalar va bo'rtiqlar hosil qilgandek tasavvur qilish mumkin va shu bilan uning asl shakli buziladi.
Xulosa qilib aytishimiz mumkinki, bizning hikoyalarimiz oxir-oqibat o'ta o'tkazuvchanlikka olib keladigan mumkin bo'lgan jarayonlarning bir nechtasini sanab o'tadi. Ularning barchasi, shu jumladan klassik elektron-fonon mexanizmi, bitta materialda birlashtirilishi mumkin yoki ulardan biri ma'lum bir modda uchun asosiy bo'ladi. Ehtimol, bu ko'p va murakkab mexanizmlarning barchasi olimlar hali kashf qilmagan global fizik qonunlarning bir qismidir. Ammo tabiat biz tasavvur qilganimizdan ancha murakkab va ko'p qirrali ekanligi va o'ta o'tkazuvchanlikning yagona qonuni yo'qligi ham ma'lum bo'lishi mumkin.
Ekaterina Kozlyakova
