Отдавна е възникнала идеята, че чрез увеличаване на налягането и едновременно с това понижаване на температурата е възможно обикновените газове, както и ненаситените пари да се доведат до състояние на насищане и след това да се превърнат в течност. По този начин английският учен Фарадей превръща редица газове в течност: амоняк, въглероден диоксид, хлор и др. Но газове като кислород, азот, водород, въглероден оксид, азотен оксид и метан не се превръщат в течност дори когато са компресирани до 3000 atm и при охлаждане до –110° C. Беше необходимо да се открият причините за това явление.
Големият руски учен Д. И. Менделеев също е изследвал проблема за втечняването на газовете. Докато неговите предшественици в разсъжденията си за втечняването на газовете изхождаха от сходството на този процес с процеса на превръщане на ненаситената пара в течност, Менделеев обърна внимание на условията за обратния процес - прехода на течността в пара.
Изучавайки тези условия, Менделеев стига до извода, че за всяко вещество има температура, над която веществото е в газообразно състояние. Менделеев нарича тази температура абсолютна точка на кипене. Впоследствие става известен като критична температура.
Каква е тази температура? За да отговорим на този въпрос, нека направим следния експеримент.
Нека поставим затворена тръба във въздушната баня, част от обема на която е заета от течност, останалата част от насищаща пара и ще я загреем. При нагряване плътността на течността и плътността на парите в тръбата ще се променят.
Като пример, нека изградим графики на промените в плътността на водата и водните пари спрямо температурата. За да направим това, ще нанесем температурата по абсцисната ос, а плътностите на течността и парите по ординатната ос.
Тъй като течността се разширява при нагряване, CD кривата, която показва плътността на течността като функция от температурата, пада, което показва, че плътността на течността намалява с повишаване на температурата.
И тъй като течността се изпарява с повишаване на температурата, плътността на парите се увеличава. Това увеличение на плътността на парите е изобразено на графиката чрез кривата линия AB.
Кривата AB е разположена под кривата CD, тъй като при всяка температура плътността на парите в присъствието на течност е по-малка от плътността на течността.
С повишаване на температурата плътността на течността намалява, а плътността на парите се увеличава. Кривата CD ще върви надолу, а кривата AB ще се покачва. И двете криви се сливат в някаква точка К, която се нарича критична точка, а температурата, при която кривите се сливат, се нарича критична температура. Критичната точка K съответства на специално състояние на материята, наречено критично, при което всякаква разлика между течността и насищащата я пара изчезва.
Налягането и специфичният обем на веществото (обем на единица маса) в критично състояние също се наричат критични.
Първата систематична работа по определяне на критичните температури на различни вещества е извършена от руските учени М. П. Авенариус, А. И. Надеждин и др.
Авенариус изследва критичното състояние на етера с помощта на специално устройство. В епруветка, поставена във въздушна баня, етерът е отчасти в течно, отчасти в парообразно състояние. При стайна температура и двете състояния са рязко разграничени от вдлъбнат менискус от течност (етерът овлажнява стъклото). Когато тръбата се нагрява, вдлъбнатият интерфейс постепенно се изправя и веднага изчезва при критичната температура на етера, равна на 194 ° C. Над тази температура етерът в тръбата е в газообразно състояние. Постепенно охлаждайки тръбата след това, можете да наблюдавате критичното състояние на етера (съдържанието в тръбата ще потъмнее), а зад него появата на граница, разделяща течността и парата.
Следната таблица показва критичните температури и критичните налягания на някои химикали.
Сходството на свойствата на ненаситените пари и газове подтикна М. Фарадей да спекулира: дали газовете не са ненаситени пари на съответните течности? Ако предположението е правилно, тогава можете да опитате да ги направите наситени и кондензирани. Наистина компресията успя да направи много газове наситени, с изключение на шест, които М. Фарадей нарече „постоянни“: азот, водород, въздух, хелий, кислород, въглероден окис CO.
За да разберем какво се случва тук, нека проучим по-подробно изотермичния процес на компресия (разширяване) на пара. Видяхме, че изотермата на реалния газ се различава от изотермата на идеалния газ по наличието на хоризонтална секция, съответстваща на района на съществуване на двуфазна система: наситена пара и течност.
Ако експериментите се провеждат при по-високи температури ( T 1 < T 2 < T 3 < Tк< T 4), тогава може да се открие модел, общ за всички вещества (фиг. 1).
Първо, колкото по-висока е температурата, толкова по-малък е обемът, при който започва газовата кондензация: V 1 > V' 1 > V'' 1 ако T 1 < T 2 < T 3 .
Второ, колкото по-висока е температурата, толкова по-голям е обемът, зает от течността, след като цялата пара се кондензира:
V 2 < V' 2 < V'' 2 .Следователно дължината на правия участък на изотермата намалява с повишаване на температурата.
Това е лесно обяснимо: с растежа Τ налягането на наситената пара нараства бързо и за да може налягането на ненаситената пара да се изравни с налягането на наситената пара, е необходимо намаляване на обема. Причина за увеличаване на обема V 2 - в термичното разширение на течността при нагряване. Тъй като обемът V 1 намалява, след това плътността на парите се увеличава с повишаване на температурата; увеличаване на обема V 2 показва намаляване на плътността на течността. Това означава, че разликата между течността и нейните наситени пари се изглажда по време на такова нагряване и при достатъчно висока температура трябва да изчезне напълно.
Д. Менделеев установява, че за всяка течност трябва да има температура, която за първи път е експериментално установена за много вещества от Т. Андрюс и се нарича критична температура.
Критична температура T kr е температурата, при която плътността на течността и плътността на нейните наситени пари стават еднакви (фиг. 2).
На изотерми при T = T kr хоризонталното сечение се превръща в инфлексна точка ДА СЕ.
Налягането на наситените пари на дадено вещество при неговата критична температура се нарича критично налягане стркр. Това е възможно най-високото налягане на наситените пари на дадено вещество.
Обемът, който веществото заема, когато стркр и Tкр, наречен критичен обемм Vкр. Това е най-големият обем, който наличната маса на веществото в течно състояние може да заеме.
При критичната температура разликата между газ и течност изчезва и следователно специфичната топлина на изпаряване става нула.
Набор от точки, съответстващи на ръбовете на хоризонталната секция на изотермите (вижте фиг. 1), се подчертава в равнината p-Vобласт на съществуване на двуфазна система и я отделя от областите на еднофазни състояния на материята. Граничната крива на областта на двуфазните състояния от страната на големи обемни стойности описва състоянието на наситена пара и в същото време представлява кондензационна крива(кондензацията на пара започва по време на изотермична компресия). Граничната крива от страната на по-малките обеми е кривата, на която завършва кондензацията по време на компресия на наситена пара и започва изпарението на течността по време на изотермично разширение. Викат я крива на изпарение.
Наличието на критична температура на дадено вещество обяснява защо при обикновени температури някои вещества могат да бъдат както течни, така и газообразни, докато други остават газове.
Над критичната температура течността не се образува дори при много високо налягане.
Причината е, че тук интензивността на топлинното движение на молекулите се оказва толкова голяма, че дори при тяхната относително плътна опаковка, причинена от високо налягане, молекулярните сили не могат да осигурят създаването дори на близък, още по-малко на далечен ред.
По този начин е ясно, че няма фундаментална разлика между газ и пара. Обикновено газът е вещество в газообразно състояние, когато температурата му е над критична температура. Пара се нарича още вещество в газообразно състояние, но когато температурата му е под критичната. Парата може да се превърне в течност само чрез увеличаване на налягането, но газът не може.
В момента всички газове се втечняват при много ниски температури. Последният прехвърлен е хелият през 1908 г. ( T cr = -269 °C).
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средното училище: теория. Задачи. Тестове: Учебник. надбавка за институции, осигуряващи общо образование. среда, образование / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Ед. К. С. Фарино. - Мн.: Адукация и вяхване, 2004. - С. 176-178.
Ако определено количество течност се постави в затворен съд, тогава част от течността ще се изпари и над течността ще има наситена пара. Налягането и следователно плътността на тази пара зависи от температурата. Плътността на парата обикновено е много по-малка от плътността на течността при същата температура. Ако увеличите температурата, плътността на течността ще намалее (§ 198), докато налягането и плътността на наситените пари ще се увеличат. В табл Фигура 22 показва стойностите на плътността на водата и наситената водна пара за различни температури (и следователно за съответните налягания). На фиг. 497 същите данни са представени под формата на графика. Горната част на графиката показва промяната в плътността на течността в зависимост от нейната температура. С повишаване на температурата плътността на течността намалява. Долната част на графиката показва зависимостта на плътността на наситените пари от температурата. Плътността на парите се увеличава. При температурата, съответстваща на точка , плътностите на течността и наситената пара съвпадат.
Ориз. 497. Зависимост на плътността на водата и нейните наситени пари от температурата
Таблица 22. Свойства на водата и нейната наситена пара при различни температури
|
температура, |
Налягане на наситени пари, |
Плътност на водата, |
Плътност на наситените пари, |
Специфична топлина на изпарение, |
Таблицата показва, че колкото по-висока е температурата, толкова по-малка е разликата между плътността на течността и плътността на нейните наситени пари. При определена температура (при вода) тези плътности съвпадат. Температурата, при която плътностите на течността и нейните наситени пари съвпадат, се нарича критична температура на веществото. На фиг. 497 съответства на точката. Налягането, съответстващо на точка, се нарича критично налягане. Критичните температури на различните вещества варират значително. Някои от тях са дадени в табл. 23.
Таблица 23. Критична температура и критично налягане на някои вещества
|
вещество |
Критична температура |
Критично налягане, атм |
вещество |
Критична температура |
Критично налягане, атм |
|
Въглероден двуокис |
|||||
|
Кислород |
|||||
|
Етанол |
|||||
Какво показва наличието на критична температура? Какво се случва при още по-високи температури?
Опитът показва, че при температури, по-високи от критичните, веществото може да бъде само в газообразно състояние. Ако намалим обема, зает от пара при температура над критичната температура, тогава налягането на парата се увеличава, но тя не се насища и продължава да остава хомогенна: без значение колко високо е налягането, няма да намерим две разделени състояния по рязка граница, както винаги се наблюдава при по-ниски температури поради кондензация на пара. Така че, ако температурата на веществото е над критичната температура, тогава равновесието на веществото под формата на течност и парата в контакт с него е невъзможно при никакво налягане.
Критичното състояние на дадено вещество може да се наблюдава с помощта на устройството, показано на фиг. 498. Състои се от желязна кутия с прозорци, които могат да се нагряват по-високо („въздушна баня“) и стъклена ампула с етер, разположена вътре във ваната. Когато ваната се нагрява, менискусът в ампулата се издига, става по-плосък и накрая изчезва, което показва преход през критично състояние. Когато ваната изстине, ампулата внезапно помътнява поради образуването на много малки капчици етер, след което етерът се събира на дъното на ампулата.
Ориз. 498. Устройство за наблюдение на критичното състояние на етера
Както се вижда от табл. 22, с приближаването на критичната точка специфичната топлина на изпаряване става все по-малка. Това се обяснява с факта, че с повишаване на температурата разликата във вътрешните енергии на веществото в течно и парообразно състояние намалява. Всъщност адхезионните сили на молекулите зависят от разстоянията между молекулите. Ако плътностите на течността и парата се различават малко, тогава средните разстояния между молекулите се различават малко. Следователно стойностите на потенциалната енергия на взаимодействие между молекулите ще се различават малко. Вторият член на топлината на изпаряване - работа срещу външно налягане - също намалява с приближаването на критичната температура. Това следва от факта, че колкото по-малка е разликата в плътността на парата и течността, толкова по-малко е разширението, което се получава по време на изпаряване, и следователно по-малко работа се извършва по време на изпаряване.
Съществуването на критична температура е посочено за първи път през 1860 г. Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), руски химик, открил основния закон на съвременната химия - периодичния закон на химичните елементи. Големите постижения в изследването на критичната температура принадлежат на английския химик Томас Андрюс, който извърши подробно изследване на поведението на въглеродния диоксид по време на изотермична промяна на обема, който заема. Андрюс показа, че при по-ниски температури в затворен съд е възможно съвместното съществуване на въглероден диоксид в течно и газообразно състояние; при по-високи температури такова съвместно съществуване е невъзможно и целият съд се пълни само с газ, колкото и да е намален обемът му.
След откриването на критичната температура стана ясно защо газове като кислород или водород не могат да се превърнат в течност за дълго време. Тяхната критична температура е много ниска (Таблица 23). За да превърнат тези газове в течност, те трябва да бъдат охладени под критична температура. Без това всички опити за втечняването им са обречени на провал.
Има природен феномен, който учените наричат свръхпроводимост, а инженерите го наричат „бъдещето на енергетиката, медицината, високоскоростния транспорт и военните дела“. Въпреки факта, че първите свръхпроводящи материали са открити преди повече от сто години, те се научиха да ги използват сравнително наскоро и само в няколко доста специфични устройства като Големия адронен колайдер или в магнитно-резонансното изображение. Защо? Защото все още не разбираме напълно как работи този феномен. В новия материал редакторите N+1Опитах се да говоря възможно най-кратко и просто за няколко научни версии за произхода на свръхпроводимостта, след като разберете, ще разберете какво физиците по света озадачават вече век.
И така, какво е свръхпроводимост? Това е свойството на някои вещества да имат строго нулево съпротивление под определена температура – нарича се критично. Вторият задължителен критерий, по който дадено съединение се класифицира като свръхпроводник, е ефектът на Майснер - способността на материалите да изтласкат магнитно поле извън обема си, когато се охладят, отново под критична температура.
Левитацията на свръхпроводник над магнит е проява на ефекта на Майснер.
Wikimedia Commons
Феноменът свръхпроводимост е едновременно уникален и напълно „обикновен“. Той е уникален поради широкия си набор от съществуващи и възможни приложения: предаване на електрически ток без загуба на енергия за нагряване на проводници, създаване на супер силни магнити, различни детектори, SQUID магнитометри, магнитни левитационни влакове и дори ховърбордове.
И „обикновени“, защото свръхпроводимостта, както се оказва, се проявява в огромен брой съединения - тук и, метални оксиди и, органични проводници, метални фулериди, желязосъдържащи и халкогениди и много други. Следователно съобщенията за откриването на друг нов свръхпроводник вече не изненадват никого, особено учените.
Но все пак, повече от сто години след откриването на свръхпроводимостта, всички опити за нейното практическо приложение се натъкват на основния проблем - ниската критична температура. Поради това, за да се работи със свръхпроводящи продукти, е необходимо да се изградят обемисти охладителни системи, използващи течен азот или дори скъп течен хелий. Но ако може да се намери материал с критична температура от порядъка на стайната, левитиращите влакове и свръхпроводящата електроника могат да се превърнат от мечтите на футуристите в ежедневна реалност.
Физиците, които изучават нови свръхпроводници, обикновено не целят повишаване на критичната им температура. Те говорят за механизми - причините, които водят до факта, че дадено съединение проявява свръхпроводящи свойства. Учените смятат, че именно разбирането на тези механизми ще позволи да се предвидят съединения не само с по-висока критична температура, но и с други също толкова важни параметри, като критичното магнитно поле, плътността на тока и други.
Основният признат механизъм за възникване на свръхпроводимост се счита за електрон-фононно взаимодействие, когато възниква привличане между два електрона под въздействието на вибрации на кристалната решетка и се образуват така наречените двойки Купър. Ето как се проявява свръхпроводимостта според Нобеловата теория на Бардийн-Купър-Шрифер (BCS). Предложени са и други механизми, например магнон или екситон. В първия, електронното сдвояване възниква поради магнони, а не поради фонони, а във втория, екситоните в състоянието на Бозе-кондензат са отговорни за свръхпроводимостта.
Но все още има дебат сред учените дали има други механизми освен фононния - факт е, че в някои случаи експерименталните данни могат да бъдат интерпретирани по различни начини. Следователно физиците, изучаващи свръхпроводимостта, са разделени на два противоположни и на пръв поглед непримирими лагера - привърженици на класическата BCS, които се опитват по някакъв начин да модифицират теорията, за да отговаря на новите данни, и тези, които смятат новите механизми за отражение на реални процеси, протичащи в свръхпроводници.
Дали тези или други механизми са реални ще покажат новите експериментални данни. Ние проучихме съвременната научна литература по този въпрос и се опитахме да говорим възможно най-просто за това как различни и на пръв поглед несвързани процеси могат да доведат до свръхпроводимост. Обърнахме внимание и на различни ефекти, които могат да повлияят на критичната температура на даден свръхпроводник.
Първа история: фонони
свръхпроводник: прости елементи, някои от техните сплави и други съединения.
Механизъм: електрон-фононно взаимодействие (класическа BCS теория).
Статии: Теория на свръхпроводимостта // Phys. Rev. 108, 1175 (1957).
Леон Н. Купър, Свързани електронни двойки в изроден ферми газ // Phys. Rev. 104, 1189 (1956).
J. Bardeen, L. N. Cooper и J. R. Schrieffer, Микроскопична теория на свръхпроводимостта // Phys. Rev. 106, 162 (1957).
Стайна температура, нормален проводник. Атомите на кристалната решетка (по-точно йоните с положителен заряд) вибрират в различни посоки, с различни честоти. Тези "осцилационни вълни" се описват от физиците като квазичастици-фонони и всеки фонон има своя собствена честота и енергия. Електроните на проводимостта се движат почти хаотично между тези вибриращи йони, променят посоките си, взаимодействат с йоните и един с друг. В резултат на тези взаимодействия електроните отдават част от енергията си, разсейвайки я върху околните атоми - това е причината за появата на ненулево съпротивление в проводниците.
Под стайна температура, над критична, обикновен проводник. Атомните вибрации, причинени от температурата, се гасят, но не напълно. Електроните продължават да разсейват енергия, но за тях е много по-лесно да се движат - атомите не „трептят“ толкова много по пътя си. Съпротивлението постепенно намалява.
Критична температура, свръхпроводящ преход. Има още по-малко фонони - атомите почти не вибрират. Възниква ново „удобно“ състояние за електроните - да се обединят в двойки с общ нулев импулс и въртене. Обединението възниква поради взаимодействие с вибрациите на йони в кристалната решетка, т.е. с фонони. Но тези фонони не са споменатите по-горе - температурни колебания, а " виртуален- причинени от движението на електрони. В резултат на това взаимодействие се получават електронни двойки, които се наричат на Купър, става нерентабилно да се разсейва енергия върху решетъчни атоми. В материала все още остават „обикновени електрони“, но токът тече по пътя на най-малкото съпротивление - рязко се втурва към нула.
Под критичната температура, свръхпроводник. Има все повече двойки Купър. Тъй като двойката има цяло число (-1/2+1/2 = 0 или, по-рядко, 1/2+1/2 = 1), такава „обща частица“ е бозон. Но забраната на Паули не се отнася за бозоните - те могат едновременно да бъдат в едно и също квантово състояние или на едно и също енергийно ниво. Все повече и повече двойки „падат“ на това енергийно ниво - a Бозе кондензат. В Бозе кондензат частиците се държат съгласувано(съгласувано) и техния курс неразсейващ(без загуба на енергия).
Строго погледнато, теорията на Бозе-Айнщайн се занимава с идеални газове, а не с такива сложни взаимодействащи системи като електроните в свръхпроводниците. Но същността на процесите - възможността частиците да се "сглобяват" на едно енергийно ниво - е същата. Затова си позволяваме да направим тази аналогия.
Как се формират двойките Купър?Електроните, летящи между положително заредените атоми, ги карат да бъдат привлечени към себе си, като към област с отрицателен заряд. Но атомите са „тромави“; те са много по-тежки и се движат по-бавно. В резултат на това след преминаващия електрон се създава област с положителен заряд. Друг електрон е привлечен от него. И така, по двойки, те се движат по кристалната решетка между атомите, без да разсейват енергия при сблъсъци. Физиците наричат този процес взаимодействие на електрони с виртуални фонони на кристалната решетка.
Защо двойките на Купър не разсейват енергия?За да обясним защо електроните не губят енергията си, трябва да се обърнем към концепцията електронен спектър- зависимост на енергията от вълновия вектор. Свръхпроводникът, за разлика от нормалния метал, има специален празнина- регион на забранените държави. Тоест един електрон не може да заеме състояние с енергия от тази забранена област. Празнината се "отваря" точно при критичната температура и продължава да "растат", докато се охлажда. При свръхпроводниците в средата на тази празнина има ниво с разрешена енергия, където се намират двойките Купър. Но над и под това ниво има „зонова междина“, което означава, че електронните двойки изглежда са заключени на това ниво в средата на празнината. Те могат да губят или поглъщат енергия само в части, които са по-големи от забранената лента - при ниски скорости на движение на двойката Купър това е почти невъзможен процес. Възниква недисипативно (без загуба на енергия) движение на електрони на проводимост през кристалната решетка - това е свръхпроводимост. Нека добавим, че такава празнина не е същата като забранената зона в полупроводниците и диелектриците, поради което проводимостта изчезва напълно или намалява с температурата. Диелектриците или полупроводниците нямат никакво ниво с двойки Купър в забранената лента и самата проводимост може да възникне само (да не говорим за свръхпроводимост), ако електронът може да придобие енергията, за да "прескочи" през бариерата.
На този етап си струва да направите малко уточнение. Почти никой учен не се съмнява, че свръхпроводящият ток възниква поради образуването на купърови двойки или други бозе частици и тяхната кондензация на същото енергийно ниво. Възникват спорове около Как точно се формират тези Бозе частици?. BCS теорията предлага електрон-фононно взаимодействие като такъв механизъм. Но защо не „използваме“ други квазичастици за това? Следващата ни история е за това.
История втора: магнони
свръхпроводник: ZrZn 2 и др.
Механизъм: образуване на триплетни двойки на Купър поради явлението феромагнетизъм на пътуващите електрони.
Статия: C. Pfleiderer et. al Съвместно съществуване на свръхпроводимост и феромагнетизъм в d-лентовия метал ZrZn 2 / Nature 412, 58-61 (2001).
D. Fay и J. Appel Съвместно съществуване на p-състояние свръхпроводимост и пътуващ феромагнетизъм / Phys. Rev. B 22, 3173 (1980).
Стайна температура, парамагнитен метал.
Електронът в твърдо тяло е подложен на силите на кулоново отблъскване на други електрони, привличане на йони от кристалната решетка, както и сили обменно взаимодействиемежду електрони. Последните имат чисто квантова природа и се дължат на наличието на електрони обратно- собствен ъглов момент, приемащ стойности ±½. Това са обменните взаимодействия, които най-често причиняват магнитно подреждане в материалите - клас явления, известни като феро-, фери- и антиферомагнетизъм. В много случаи тези явления възникват, когато веществото не е проводник, тоест електроните в него локализиран, или „прикрепени“ към специфичен йон. Тази история е за феромагнетизма. колективизиранелектрони, тоест „мобилни“ - отговорни за проводимостта.
Феромагнитна температура на подреждане, феромагнитен метал. Обменното взаимодействие на електрони в проводник в някои случаи може да доведе до факта, че завъртанията на електрони, хаотично „летящи“ напред-назад в обикновен проводник, изведнъж започват да „гледат“ в една и съща посока. По принцип подобна ситуация може да се наблюдава при тичаща тълпа от уплашени хора. Индивид в тълпа може да тича в напълно хаотична посока, сблъсквайки се с други хора, стени и огради, причинявайки ефект, подобен на съпротивлението при обикновените метали. Но в същото време най-вероятно повечето хора ще тичат с краката си, а не с ръцете си, така че техните „гърбове“ - посоката от краката към главата - ще съвпадат. Така, ако температурата (средната скорост на хората в тълпа) е достатъчно ниска, повечето от завъртанията на електроните ще бъдат в една и съща посока и материалът ще бъде феромагнитен метал.
Критична температура на свръхпроводящия преход, феромагнетик-свръхпроводник. Въпреки факта, че завъртанията на отделните електрони са еднопосочни, те не са твърдо фиксирани в определена посока. Те могат да осцилират, да се преобръщат и да нарушават строгия ред. Но, отклонявайки се от общата посока, определен спин кара съседните електрони да „нарушат мира“, а те от своя страна се опитват да го върнат в първоначалното му състояние. Това се дължи на факта, че във феромагнетика електроните енергийно благоприятенимат еднопосочни завъртания, тъй като са свързани помежду си чрез енергията на обменното взаимодействие. Поради тази печалба при ниски температури между електроните започва да възниква нещо подобно на привличане - те се комбинират в двойки. Но за разлика от „фононния“ свръхпроводник, общото завъртане на тази двойка не е нула, а единица, тъй като завъртанията са съвместно насочени. Това явление се нарича триплетсвръхпроводимост. И се наричат „размирници“, които могат да обърнат своите завъртания и да разпространят безпорядък към близките електрони Магнони. Именно магноните помагат на електроните да се комбинират в двойки по време на свръхпроводящия преход.
История трета: екситони
свръхпроводник: изкуствени материали, състоящи се от няколко подредени слоя диелектрици и полупроводници, всеки слой с дебелина почти един атом.
Механизъм: Бозе-Айнщайнова кондензация на индиректни екситони.
Статии : J. P. Eisenstein, A. H. MacDonald Bose-Einstein кондензация на екситони в двуслойни електронни системи / Nature 432, 691-694 (9 декември 2004 г.).
M. M. Fogler, L. V. Butov & K. S. Novoselov Високотемпературна свръхфлуидност с индиректни екситони във ван дер Ваалсови хетероструктури / Nature Communications 5, 4555 (2014).
Стайна температура, без свръхпроводимост. Изходният материал е изкуствена „купчина“ от едноатомни слоеве от диелектрици (материали, които не провеждат ток) и полупроводници (които провеждат ток, но по-лоши от истинските проводници). За да възникне ток в полупроводник, електроните трябва да получат достатъчно енергия, за да „прескочат“ през него забранена зона. Когато един електрон „скочи” и стане проводящ, това, което остава на мястото му, е дупка, или просто казано, липсата на електрон. Електрон + дупка = екситон. Вярно е, че за да се образува екситон от електрон и дупка, те трябва да са свързани помежду си, тоест да имат малко по-малка енергия от общата енергия на отделните частици - само в този случай те се движат през материала в координиран начин. В противен случай, например, „лек“ електрон може просто да „отлети“ и „тромава“ дупка няма да може да се справи с него.
Температурата е над критичната, под стайната температура, няма свръхпроводимост. Ако само обикновени екситони (които се разпространяват вътре в полупроводниковия слой) можеха да съществуват в такъв многослоен материал, нямаше да има никаква надежда за свръхпроводимост. Но слоевете диелектрик и полупроводник са разположени в него по неслучаен начин. Те представляват „бургер“, в който котлетът е непроводим диелектрик, а двата слоя хляб са полупроводници със свободни електрони, дупки и „несвободни“ екситони. Може да се образува такъв „бургер“. индиректни екситони. За да направите това, е необходимо електрон от долното парче „хляб“ да прелети през „котлета“, да се забие в горното парче, като същевременно остане свързан с дупката си от долното парче „хляб“. Така е възможно да се създадат условия, при които в единия слой на полупроводниковия хляб се събират предимно електрони, а в другия слой - дупки. Тогава диелектричният слой на котлета ще попречи на електрона да се върне на първоначалното си място, създавайки енергийна бариера. Тоест, за да може един електрон да скочи обратно, той трябва да изразходва допълнителна енергия.
Критичната температура на кондензацията на Бозе-Айнщайн, появата на свръхпроводимост. Екситонът има нулев спин, което означава, че е бозон. По този начин екситоните могат да образуват Бозе кондензат, точно като двойките на Купър. От друга страна, зарядът на двойката Купър е равен на два заряда на електрона, но зарядът на екситона е нула. Движението на нулеви заряди не може да създаде ток, така че откъде идва проводимостта и дори с префикса супер-? Същите тези индиректни екситони ще помогнат с това. С тяхна помощ зарядът на екситона ще бъде разделен на две части и тогава отрицателните електрони ще принадлежат към единия слой на полупроводника, а положителните дупки към другия. Сега можете да „запоявате“ проводими контакти, например, към горния слой на полупроводниковия хляб и да приложите напрежение към тях - електроните на горния слой ще започнат да се движат, а с тях дупките от долния слой ще започнат да се движат, създаване на токове в противоположни посоки. Ако намалите температурата толкова много, че екситоните да кондензират на същото енергийно ниво, те ще се движат през материала, без да губят енергия. Свръхпроводимост - дупкова или електронна - ще се наблюдава във всеки слой на полупроводника.
Под критичната температура, свръхпроводник. Този метод за създаване на изкуствена свръхпроводимост има своите недостатъци. Например, електроните все още ще се връщат в дупки поради явлението тунелиране. В този случай екситоните ще „изчезнат“ (физиците наричат този процес рекомбинация), а общата проводимост намалява. В допълнение, самото създаване на такива екситони изисква енергия, тъй като електронът трябва да бъде „хвърлен“ през бариерата, създадена от диелектрика. С понижаването на температурата става по-трудно да се създадат нови екситони, така че е трудно да се каже дали такъв изкуствен „бургер“ от полупроводници и диелектрици някога ще може да замени истински свръхпроводник.
Струва си да се отбележи, че в допълнение към изкуствения „екситонен свръхпроводник“, обсъден в предишната история, има и такъв термин като „механизъм на екситонна свръхпроводимост“ и тези явления не са съвсем едно и също нещо. В горния пример по същество няма двойки Купър. Екситонният механизъм е подобен на фононния от теорията на BCS, само че свързващото звено между двата електрона на двойката Купър в него не са фонони, а екситони в бозе-кондензатно състояние. И в двата механизма такава връзка води до факта, че отрицателно заредените електрони изглежда изпитват привличане един към друг (въпреки че според закона на Кулон те трябва да се отблъскват). Всъщност и двата електрона са привлечени от област на временен положителен заряд, създаден от фонони или екситони. Освен това, тъй като екситоните са по-лесни за „създаване“, се смята, че такъв механизъм може да обясни високите стойности на критичната температура за някои материали.
Четвърта история: колебания
свръхпроводник:
железен селенид FeSe и др.
Механизъм: спинови флуктуации в съединения, съдържащи йони с ненулев магнитен момент, комбинирани с нематичен структурен фазов преход.
статия : Qisi Wang et. al Силно взаимодействие между ивичните спинови флуктуации, нематичността и свръхпроводимостта в FeSe / Nature Materials, 15, 159–163 (2015).
Fa Wang, Steven A. Kivelson & Dung-Hai Lee Нематичност и квантов парамагнетизъм в FeSe / Nature Physics 11, 959–963 (2015).
Стайна температура, парамагнитен. Този механизъм е възможен само ако материалът съдържа йони с ненулев магнитен момент - това означава, че общият завъртане(квантова характеристика - собствен ъглов момент) на локализирани електрони в йон не е равна на нула. Такива материали принадлежат към парамагнетици. Магнитните моменти могат да взаимодействат помежду си и да се подредят, поради което много материали проявяват феро-, антиферомагнитни свойства и други, по-екзотични варианти. При стайна температура топлинните вибрации на решетъчните йони пречат на подреждането на магнитните моменти; те вибрират почти хаотично - веществото остава парамагнитно.
Под стайна температура, парамагнитен. С намаляването на температурата трептенията отслабват, а магнитните взаимодействия, напротив, започват да се засилват. Сега магнитните моменти осцилират по-последователно, опитвайки се да намерят „благоприятна“ позиция, но поради симетрията на кристалната решетка (тетрагонална, т.е. правоъгълен паралелепипед с a = b ≠ c), няма единично състояние с минимален енергия. За да се намали енергията, започват магнитните моменти, разположени в квадратната решетка подреждат се във верига- преобладаващото им движение се извършва около определена посока.
Нематичен фазов преход, парамагнитен. Завъртете флуктуации(вибрации) сега имат значителен принос в сравнение с вибрациите на решетъчните йони. „Опитите“ на спиновете да се подредят във верига в крайна сметка започват да влияят на кристалната решетка, намалявайки нейната симетрия (сега a ≠ b ≠ c - орторомбична). Настъпва фазова промяна нематиченпреход (това е името, дадено на преход с подобно намаляване на симетрията на кристалната решетка). Това от своя страна допълнително засилва анизотропията на спиновите трептения, които в крайна сметка се подреждат във вериги. Но напълно магнитно подреждане не се случва, тъй като веригите не могат да се „фиксират“ в някаква конкретна позиция, тъй като такова състояние не е стабилно.
Нематична фаза, парамагнитна. Спиновите флуктуации са „по-малките братя“ на магноните (магноните са спинови флуктуации в подредените магнити). Като правило, „опитите на завъртания“ да се подредят в определена посока в крайна сметка водят до магнитен фазов преход и веществото става например антиферомагнетик. При някои материали обаче това се възпрепятства от вибрациите на йоните на кристалната решетка. Именно тези материали са кандидати за свръхпроводници.
Критична температура на свръхпроводящ преход. Когато се приближи температурата на свръхпроводящ преход, енергията на спиновите флуктуации става сравнима с вибрациите на решетката. Магнитният ред никога няма време да бъде установен, но последователното поведение на електроните, дължащо се на спинови флуктуации, ограничава „списъка“ от възможни състояния за електрони. Това води до появата на празнина в електронния спектър и магнитният преход се „заменя“ със свръхпроводящ. По този начин, спиновите флуктуации, заедно с вибрациите на кристалната решетка и промените в нейната симетрия, в крайна сметка водят до друг път за образуване на двойки Купър.
/ Phys. Rev. Lett. 101, 026406 (2008).
С. В. Борисенко и др. al Директно наблюдение на спин-орбитално свързване в свръхпроводници на основата на желязо / Nature Physics, 12, 311–317 (2015).
От стайна температура до критична. Взаимодействието спин-орбита засяга електронния спектър, като по този начин пречи на проводимите свойства. Това явление - взаимодействието между движещ се електрон и собствения му спин - се проявява най-силно при високи скорости на движение на електрона (в квантовата физика те използват понятието импулс), тоест това е релативистичен ефект. Той засяга електронните свойства на всички съединения, но приносът му е толкова по-голям, колкото по-висок е атомният номер в периодичната таблица, тъй като „скоростите“ на движение на електрони при по-високи енергийни нива са много по-високи. В LiFeAs и други свръхпроводящи железни арсениди приносът на спин-орбиталното взаимодействие е достатъчен, за да повлияе значително на електронната структура. Представете си, че държите топка от пластилин в ръцете си. Тогава ефектът от взаимодействието въртене-орбита върху електронната структура може да се представи така, сякаш създавате вдлъбнатини и издутини върху тази топка с пръсти, като по този начин изкривявате оригиналната й форма.
Като заключение можем да кажем, че нашите истории изброяват само няколко от възможните процеси, които в крайна сметка водят до свръхпроводимост. Всички те, включително класическият електрон-фононен механизъм, могат да бъдат комбинирани в един материал или един от тях ще бъде основен за определено вещество. Може би всички тези многобройни и сложни механизми са просто част от някакъв глобален физически закон, който учените тепърва ще откриват. Но също така може да се окаже, че природата е много по-сложна и многостранна, отколкото можем да си представим, и просто няма единен закон за свръхпроводимостта.
Екатерина Козлякова
Телесна температура- индикатор за топлинното състояние на човешкото тяло или друг жив организъм, който отразява връзката между производството на топлина от различни органи и тъкани и топлообмена между тях и външната среда.
Телесната температура зависи от:
— възраст;
- време на деня;
— въздействието на околната среда върху тялото;
- здравен статус;
- бременност;
- характеристики на тялото;
— други фактори, които все още не са изяснени.
Видове телесна температура
В зависимост от показанията на термометъра се разграничават следните видове телесна температура:
— по-малко от 35°C;
— 35°С — 37°С;
— Ниска телесна температура: 37°C - 38°C;
— Фебрилна телесна температура: 38°C - 39°C;
— Пиретична телесна температура: 39°С - 41°С;
— Хиперпиретична телесна температура:над 41°C.
Според друга класификация се разграничават следните видове телесна температура (състояние на тялото):
— Хипотермия.Телесната температура пада под 35°C;
— Нормална температура.Телесната температура варира от 35°C до 37°C (в зависимост от състоянието на тялото, възрастта, пола, момента на измерване и други фактори);
— Хипертермия.телесната температура се повишава над 37°C;
— Треска.Повишаване на телесната температура, което, за разлика от хипотермията, възниква при поддържане на терморегулаторните механизми на тялото.
Ниската телесна температура е по-рядко срещана от високата или високата телесна температура, но въпреки това е доста опасна за човешкия живот. Ако телесната температура падне до 27°C или по-ниска, има шанс човек да изпадне в кома, въпреки че има случаи, когато хората са оцелели при температури до 16°C.
Температурата се счита за нисказа възрастен здрав човек под 36,0°C. В други случаи за ниска температура трябва да се счита температура, която е с 0,5°C - 1,5°C под нормалната ви температура.
Телесната температура се счита за нискакоято е с повече от 1,5°C под нормалната Ви телесна температура или ако температурата Ви падне под 35°C (хипотермия). В този случай трябва спешно да се обадите на лекар.
Причини за ниска температура:
- слаб имунитет;
- тежка хипотермия;
- следствие от заболяване;
- заболяване на щитовидната жлеза;
- лекарства;
- намален хемоглобин;
- хормонален дисбаланс
- вътрешно кървене;
- отравяне
- умора и др.
Основните и най-чести симптоми на ниска температура са загуба на сила и.
Нормалната телесна температура, както отбелязват много експерти, зависи главно от възрастта и времето на деня.
Нека помислим стойности на горната граница на нормалната телесна температура при хора от различни възрасти, ако се измерва под мишницата:
— нормална температура при новородени: 36,8°С;
— нормална температура при бебета на 6 месеца: 37,4°С;
— нормална температура при деца на 1 година: 37,4°С;
— нормална температура при деца на 3 години: 37,4°С;
— нормална температура при деца на 6 години: 37,0°С;
— нормална температура при възрастни: 36,8°С;
— нормална температура за възрастни над 65 години: 36,3°С;
Ако измервате температурата не под мишниците, тогава показанията на термометъра (термометър) ще се различават:
- в устата - 0,3-0,6°C повече;
- в ушната кухина - 0,6-1,2°C повече;
- в ректума - повече с 0,6-1,2°C.
Струва си да се отбележи, че горните данни се основават на проучване на 90% от пациентите, но в същото време 10% имат телесна температура, която се различава нагоре или надолу, и в същото време те са абсолютно здрави. В такива случаи това също е норма за тях.
Като цяло температурните колебания нагоре или надолу от нормата с повече от 0,5-1,5 ° C са реакция на всякакви нарушения във функционирането на тялото. С други думи, това е знак, че тялото е разпознало болестта и е започнало да се бори с нея.
Ако искате да знаете точния показател за вашата нормална температура, консултирайте се с вашия лекар. Ако това не е възможно, направете го сами. За да направите това, трябва да правите измервания на температурата в продължение на няколко дни, когато се чувствате добре, сутрин, следобед и вечер. Запишете показанията на термометъра в тетрадката си. След това поотделно добавете всички показатели за сутрешните, следобедните и вечерните измервания и разделете сумата на броя на измерванията. Средната стойност ще бъде вашата нормална температура.
Повишената и висока телесна температура се разделя на 4 вида:
— Субфебрилитет: 37°C - 38°C.
— Фебрилна: 38°C - 39°C.
— Пиретик: 39°C - 41°C.
— Хиперпиретичен:над 41°C.
Максимална телесна температура, което се счита за критично, т.е. при която човек умира е 42°C. Опасно е, защото се нарушава обмяната на веществата в мозъчната тъкан, което на практика убива целия организъм.
Само лекар може да посочи причините за висока температура. Най-честите причинители са вируси, бактерии и други чужди микроорганизми, които навлизат в тялото чрез изгаряния, разрушаване, въздушно-капков път и др.
Симптоми на треска и треска
— Температурата на човешкото тяло (орална температура) е измерена за първи път в Германия през 1851 г. с помощта на един от първите появили се живачни термометри.
- Най-ниската телесна температура в света от 14,2 °C е регистрирана на 23 февруари 1994 г. при 2-годишно канадско момиче, което прекарва 6 часа на студено.
- Най-високата телесна температура е регистрирана на 10 юли 1980 г. в болница в Атланта, САЩ, при 52-годишния Уили Джоунс, който получава топлинен удар. Температурата му се оказа 46,5 °C. Пациентът е изписан от болницата след 24 дни.
