Az alacsony hőmérsékletek fizikája

Az oldal jelenlegi verzióját még nem nézték át tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2017. augusztus 21-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 21 szerkesztés szükséges .

Az alacsony hőmérsékletű  fizika a fizika egyik ága, amely a rendszerek fizikai tulajdonságait vizsgálja alacsony hőmérsékleten. Ez a rész különösen olyan jelenségekkel foglalkozik, mint a szupravezetés és a szuperfolyékonyság . Az alacsony hőmérsékletű fizika nagyon alacsony hőmérsékleten, egészen az abszolút nulláig lejátszódó fizikai folyamatokat vizsgálja, az anyagok tulajdonságainak vizsgálatával foglalkozik ezeken az alacsony és ultraalacsony hőmérsékleteken, és így a tudomány és a technológia számos területéhez kapcsolódik. [egy]

Módszerek alacsony hőmérséklet elérésére

Folyadékok párolgása

A cseppfolyósított gázokat általában alacsony hőmérséklet elérésére és fenntartására használják . A légköri nyomáson elpárolgó cseppfolyósított gázt tartalmazó Dewar-edényben a hűtőközeg normál forráspontjának állandó hőmérséklete jól tartható. A leggyakrabban használt hűtőközeg a folyékony nitrogén és a folyékony hélium . A korábban használt cseppfolyósított hidrogént és oxigént a gőzök fokozott robbanékonysága miatt ma már meglehetősen ritkán használják. A nitrogén és a hélium gyakorlatilag inert, és az egyetlen veszély a folyékonyból a gáz halmazállapotúvá történő átmenet során bekövetkező éles tágulás.

A folyadék szabad felülete feletti nyomás csökkentésével a folyadék normál forráspontja alatti hőmérsékletet lehet elérni. Például a nitrogéngőz kiszivattyúzásával a 63 K hármaspontos hőmérsékletig, a hidrogéngőz kiszivattyúzásával (a szilárd fázis felett) 10 K hőmérséklet érhető el, a héliumgőz kiszivattyúzásával a hőmérsékletek. körülbelül 0,7 K érhető el (nagyon jó kísérleti körülmények között).

Fojtás

Amikor a csővezeték áthaladó csatornájában - fojtószelepen vagy porózus válaszfalon keresztül - szűkületen keresztül áramlik, a gáz vagy a gőz nyomása csökken a hőmérséklet csökkenésével együtt. A fojtó hatást főként gázok mélyhűtésére és cseppfolyósítására használják.

A Joule-Thomson folyamat eredményeként bekövetkező kis nyomásváltozás esetén a hőmérséklet változását a Joule-Thomson együtthatónak nevezett derivált határozza meg.

Bővítés külső munkával

A gázt tágítóval hűtheti le - egy olyan eszközzel, amely a gáz további hűtésére szolgál, ha nyomás alatt egy hengerbe engedi egy dugattyúval, amely erővel mozog. A gáz működik és lehűl. A folyékony hélium gyártási ciklusban használják.

Ha dugattyú helyett turbinát használunk, akkor egy turbó-tágítót kapunk, aminek a működési elve hasonló.

Adiabatikus lemágnesezés

A módszer a paramágneses sók felmágnesezése során felszabaduló hőhatásán, majd a lemágnesezésük során bekövetkező hőelnyelésen alapul. Ez lehetővé teszi akár 0,001 K hőmérséklet elérését is. Nagyon alacsony hőmérséklet eléréséhez a legalkalmasabbak az alacsony paramágneses ionkoncentrációjú sók, vagyis azok a sók, amelyekben a szomszédos paramágneses ionokat nem mágneses atomok választják el egymástól. .

Peltier-effektus

A Peltier-effektust termoelektromos hűtőberendezésekben használják. A félvezetők csomópontjainak hőmérsékletének csökkentésén alapul, amikor egyenáram halad át rajtuk. A felszabaduló hőmennyiség és előjele az érintkező anyagok típusától, az áramerősségtől és az áram áthaladási idejétől függ, vagyis a felszabaduló hőmennyiség arányos az érintkezőn áthaladó töltés mennyiségével.

Oldódási kriosztát

A hűtési folyamat két hélium izotóp keverékét használja : 3 He és 4 He . Amikor 700 mK alá hűtjük, a keverék spontán fázisszétváláson megy keresztül, 3 He-ben gazdag és 4 He-ben gazdag fázisokat képezve . A 3 He/ 4 He keverék cseppfolyósítása egy kondenzátorban történik, amely fojtón keresztül csatlakozik a keverőkamra 3 He gazdag területéhez. A fázishatáron áthaladó 3 He atomok energiát vesznek fel a rendszerből. A folyamatos ciklusú hígítású hűtőszekrényeket általában alacsony hőmérsékletű fizikai kísérletekben használják.

Alacsony hőmérséklet mérése

A termodinamikai hőmérséklet mérésére 1 K-ig az elsődleges hőmérő egy gázhőmérő . Ellenálláshőmérőket használnak ( platina  - precíziós mérésekhez, réz , szén ).

Másodlagos hőmérőként hőelemek , félvezető diódák használhatók  – ezek azonban kalibrálást igényelnek. A hőmérő analógja a telített gőznyomás szempontjából az ultraalacsony hőmérsékletek tartományában a hőmérséklet mérése 30-100 mK tartományban a ³He ozmózisnyomással ³He- 4 He keverékben.

Az alacsony hőmérsékletű fizika története

Az alacsony hőmérsékletű fizika fejlődésének fő szakaszai a gázok cseppfolyósításához kapcsolódnak, ami lehetővé tette a mérések elvégzését a forrásponttal megegyező hőmérsékleten.

• 1852- ben James Joule és William Thomson felfedezték a Joule-Thomson effektust .
• 1883- ban Wroblewski Zsigmond és Karol Olszewski voltak az elsők, akik mérhető mennyiségben szereztek folyékony oxigént és folyékony nitrogént .
• 1898- ban körülbelül 20 cm³ folyékony hidrogént nyert James Dewar .
• 1908- ban Heike Kamerling-Onnes- nak 60 cm³ folyékony héliumot sikerült előállítania . A héliumkondenzációhoz szükséges alacsony hőmérsékletet a hidrogén adiabatikus fojtásával érték el .
• 1913 - ban Heike Kamerling-Onnes fizikai Nobel -díjat kapott folyékony hélium előállításáért .
• Albert Einstein 1925- ben Shatyendranath Bose munkája alapján elméletileg megjósolta a Bose-Einstein kondenzátum létezését a kvantummechanika törvényeinek következményeként .
• 1926- ban Willem Hendrik Keesom 1 cm³ szilárd héliumot tudott előállítani nemcsak alacsony hőmérsékleten, hanem nagy nyomáson is.
• 1930- ban [2] Willem Hendrik Keesom felfedezte a fázisátalakulás jelenlétét a folyékony héliumban 2,17 K hőmérsékleten és 0,005 MPa telítési gőznyomáson. A fázisstabil 2,17 K feletti hélium-I és a fázisstabil 2,17 K alatti hélium-II. Megfigyeli a kapcsolódó anomáliákat a hővezető képességben (sőt a hélium-II-t "szupertermikus vezetőnek" nevezi), a hőkapacitásban és a hélium folyékonyságában.
• 1938- ban P. L. Kapitsa felfedezte a hélium-II szuperfolyékonyságát .
• 1941- ben L. D. Landau kvantummechanikai magyarázatot adott a szuperfluiditás jelenségére .
• 1948 - ban először cseppfolyósították a hélium-3- at is .[ kinek? ]
• 1962 -ben L. D. Landau fizikai Nobel-díjat kapott .
• 1972 - ben a folyékony 3 He- ben is felfedeztek egy fázisátmenetet a szuperfolyékony állapotba . Később kísérletileg kimutatták, hogy 2,6 mK alatt és 34 atm nyomáson 3 He valóban szuperfolyékony lesz.
• 1978 - ban a fizikai Nobel-díjat Pjotr ​​Kapitsa , Arno Allan Penzias és Robert Woodrow Wilson kapta a szuperfolyékonyság jelenségének felfedezéséért .
• 1995 -ben a Bose-Einstein kondenzátumot először Eric Cornell és Karl Wiman szerezte meg . A tudósok 170 nanokelvinre hűtött rubídium atomokból álló gázt használtak .
• 1996- ban D. Osherov , R. Richardson és D. Lee fizikai Nobel-díjat kapott a hélium-3 szuperfolyékonyságának felfedezéséért .
• 2001 -ben Eric Cornell , Karl Wieman és Wolfgang Ketterle fizikai Nobel-díjat kapott a Bose-Einstein kondenzátum megszerzéséért .
• 2003 - ban a fizikai Nobel-díjat Alekszej Alekszejevics Abrikosov , Vitalij Lazarevics Ginzburg és Anthony Leggett kapta , többek között a folyékony hélium-3 szuperfolyékonyságának elméletének megalkotásáért.
• 2004 - ben bejelentették a szuperfolyékonyság felfedezését szilárd héliumban. Ezt az állítást a szilárd héliummal rendelkező torziós inga tehetetlenségi nyomatékának váratlan csökkenése alapján állítottuk elő . A következő években azonban független kísérletek eredményei nem tudták megerősíteni ezt a felfedezést. A szilárd hélium szuperfluiditásával kapcsolatos helyzet 2012 - ig tisztázatlan maradt , amikor is bebizonyosodott, hogy a felfedezett hatás értelmezése a szilárd hélium szuperfolyékony állapotba való átmeneteként téves.

Specialty VAK

Az "alacsony hőmérsékletek fizikája" (szakkód: 01.04.09) az alaptudomány olyan területe, amely az abszolút nullához közeli hőmérsékletekre jellemző fizikai jelenségeket és halmazállapotokat vizsgálja . Tartalmazza a kvantum alapállapotú anyag szerkezetének és tulajdonságainak elméleti és kísérleti tanulmányait, valamint a különféle elemi gerjesztések fizikai természetét és jellemzőit , valamint olyan kvantum-kooperatív jelenségeket, mint a szuperfluiditás , szupravezetés , Bose-kondenzáció , mágneses, töltési és más típusú gerjesztések. rendelés. [3] A Felső Igazolási Bizottság „Alacsony hőmérsékletek fizika” szakának útlevele a következő tanulmányi területeket írja elő:

1. Kvantumfolyadékok és kristályok .
2. Szupravezető rendszerek, beleértve a magas hőmérsékletű szupravezetőket .
3. Kvantumgázok, Bose-Einstein kondenzátumok.
4. Erősen korrelált elektronikus és fonon rendszerek.
5. Alacsony hőmérsékletű mágnesesség: mágneses szerkezetek, fázisátalakulások, mágneses rezonancia.
6. Alacsony dimenziós kvantumrendszerek és rendellenes rendszerek.
7. mezoszkópos rendszerek.
8. Az anyag mechanikai, elektromos, mágneses, optikai, termikus és egyéb fizikai tulajdonságainak vizsgálata alacsony hőmérsékleten.
9. Módszerek kidolgozása alacsony és ultraalacsony hőmérsékletek megszerzésére és mérésére.

Tudományos folyóiratok

• Az Alacsony Hőmérsékletek Fizikai-Műszaki Intézetének "Alacsony hőmérsékletek fizikája " . B. I. Verkina Ukrán Nemzeti Tudományos Akadémia [4]

Lásd még

• kriogenika

Jegyzetek

1. ↑ Alacsony hőmérsékletek fizikája. Rövid történelmi vázlat.  (nem elérhető link)
2. ↑ Tudomány és technológia: fizika/SZUPERFOLYADÉK . Hozzáférés dátuma: 2010. május 30. Az eredetiből archiválva : 2009. december 17. (határozatlan)
3. ↑ VAK szakirányú útlevél . Letöltve: 2010. május 30. Az eredetiből archiválva : 2010. szeptember 18.. (határozatlan)
4. ↑ Low Temperature Physics Journal . Letöltve: 2010. május 30. Az eredetiből archiválva : 2010. június 1. (határozatlan)