Již dávno se objevila myšlenka, že zvýšením tlaku a současným snížením teploty je možné uvést běžné plyny, ale i nenasycené páry do stavu nasycení a následně je přeměnit na kapalinu. Tímto způsobem přeměnil anglický vědec Faraday na kapalinu řadu plynů: čpavek, oxid uhličitý, chlór atd. Ale plyny jako kyslík, dusík, vodík, oxid uhelnatý, oxid dusnatý a metan se ani po stlačení neproměnily v kapalinu. na 3000 atm a při ochlazení na –110° C. Bylo nutné zjistit příčiny tohoto jevu.
Velký ruský vědec D.I. Mendělejev také studoval problém zkapalňování plynů. Zatímco jeho předchůdci v diskusích o zkapalňování plynů vycházeli z podobnosti tohoto procesu s procesem přeměny nenasycené páry na kapalinu, Mendělejev upozorňoval na podmínky pro opačný proces — přechod kapaliny v páru.
Po prostudování těchto podmínek Mendělejev dospěl k závěru, že pro každou látku existuje teplota, nad kterou je látka v plynném stavu. Mendělejev tomu říkal teplota absolutní bod varu. Následně se stal známým jako kritická teplota.
Jaká je tato teplota? Abychom na tuto otázku odpověděli, udělejme následující experiment.
Do vzduchové lázně umístíme utěsněnou trubici, jejíž část objemu zabírá kapalina, zbytek sytící pára a zahřejeme ji. Při zahřátí se změní hustota kapaliny a hustota páry v trubici.
Jako příklad si sestavme grafy změn hustoty vody a vodní páry v závislosti na teplotě. Za tímto účelem vyneseme teplotu na vodorovné ose a hustoty kapaliny a páry na souřadnicové ose.
Protože kapalina při zahřívání expanduje, křivka CD, která ukazuje hustotu kapaliny jako funkci teploty, klesá, což ukazuje, že hustota kapaliny klesá s rostoucí teplotou.
A protože se kapalina vypařuje, když teplota stoupá, hustota páry se zvyšuje. Toto zvýšení hustoty par je na grafu znázorněno zakřivenou čarou AB.
Křivka AB je umístěna pod křivkou CD, protože při jakékoli teplotě je hustota par v přítomnosti kapaliny menší než hustota kapaliny.
S rostoucí teplotou hustota kapaliny klesá a hustota páry roste. Křivka CD půjde dolů a křivka AB půjde nahoru. Obě křivky se spojí v nějakém bodě K, který se nazývá kritický bod, a nazývá se teplota, při které se křivky spojují kritická teplota. Kritický bod K odpovídá zvláštnímu stavu hmoty, nazývanému kritický, ve kterém mizí jakýkoli rozdíl mezi kapalinou a její nasycenou párou.
Tlak a měrný objem látky (objem na jednotku hmotnosti) v kritickém stavu se také nazývají kritické.
První systematickou práci na stanovení kritických teplot různých látek provedli ruští vědci M. P. Avenarius, A. I. Nadezhdin a další.
Avenarius studoval kritický stav éteru pomocí speciálního zařízení. V trubici umístěné ve vzduchové lázni je éter částečně v kapalném a částečně v parním stavu. Při pokojové teplotě jsou oba tyto stavy ostře ohraničeny konkávním meniskem kapaliny (éter smáčí sklo). Při zahřátí trubice se konkávní rozhraní postupně narovná a okamžitě zmizí při kritické teplotě éteru, rovné 194 °C. Nad touto teplotou je éter v trubici v plynném stavu. Po tomto postupném ochlazování zkumavky lze pozorovat kritický stav éteru (obsah zkumavky ztmavne) a za ním vznik hranice oddělující kapalinu a páru.
V následující tabulce jsou uvedeny kritické teploty a kritické tlaky některých chemikálií.
Podobnost vlastností nenasycených par a plynů podnítila M. Faradaye ke spekulacím: nejsou plyny nenasycené páry odpovídajících kapalin? Pokud je předpoklad správný, můžete se pokusit, aby byly nasycené a kondenzované. Komprese skutečně dokázala nasytit mnoho plynů, kromě šesti, které M. Faraday nazval „permanentní“: dusík, vodík, vzduch, helium, kyslík, oxid uhelnatý. CO.
Abychom pochopili, co se zde děje, prostudujme podrobněji izotermický proces stlačování (expanze) páry. Viděli jsme, že izoterma skutečného plynu se liší od izotermy ideálního plynu přítomností vodorovného řezu, který odpovídá oblasti existence dvoufázového systému: nasycené páry a kapaliny.
Pokud se experimenty provádějí při vyšších teplotách ( T 1 < T 2 < T 3 < T k< T 4), pak lze detekovat vzor společný pro všechny látky (obr. 1).
Za prvé, čím vyšší je teplota, tím menší je objem, při kterém začíná kondenzace plynu: PROTI 1 > PROTI' 1 > PROTI'' 1 pokud T 1 < T 2 < T 3 .
Za druhé, čím vyšší je teplota, tím větší je objem kapaliny po kondenzaci všech par:
PROTI 2 < PROTI' 2 < PROTI'' 2 .V důsledku toho se délka přímého úseku izotermy s rostoucí teplotou zmenšuje.
To je snadné vysvětlit: s růstem Τ tlak syté páry rychle roste a aby se tlak nenasycené páry vyrovnal tlaku syté páry, je nutný pokles objemu. Důvod zvýšení objemu PROTI 2 - v tepelné roztažnosti kapaliny při zahřátí. Od hlasitosti PROTI 1 klesá, pak hustota par roste s rostoucí teplotou; zvýšení objemu PROTI 2 ukazuje pokles hustoty kapaliny. To znamená, že rozdíl mezi kapalinou a její nasycenou párou se při takovém ohřevu vyrovná a při dostatečně vysoké teplotě by měl zcela zmizet.
D. Mendělejev zjistil, že pro každou kapalinu musí existovat teplota, kterou experimentálně poprvé stanovil pro mnoho látek T. Andrews a která se nazývá kritická teplota.
Kritická teplota T kr je teplota, při které se hustota kapaliny a hustota její nasycené páry stávají stejnou (obr. 2).
Na izotermách at T = T kr vodorovný řez přechází v inflexní bod NA.
Tlak nasycených par látky při její kritické teplotě se nazývá kritický tlak p kr. Je to nejvyšší možný tlak nasycených par látky.
Objem, který látka zabírá, když pČR a t kr, volal kritický objem m PROTI kr. To je největší objem, který může dostupná hmota látky v kapalném stavu zabírat.
Při kritické teplotě mizí rozdíl mezi plynem a kapalinou, a proto se měrné teplo vypařování stává nulovým.
Sada bodů odpovídajících okrajům vodorovného řezu izoterm (viz obr. 1) zvýrazní v rovině p-V oblast existence dvoufázové soustavy a odděluje ji od oblastí jednofázových stavů hmoty. Hraniční křivka oblasti dvoufázových stavů na straně velkých objemových hodnot popisuje stav nasycené páry a zároveň představuje kondenzační křivka(při izotermické kompresi začíná kondenzace páry). Hraniční křivka na straně menších objemů je křivka, na které při stlačování syté páry končí kondenzace a při izotermické expanzi začíná vypařování kapaliny. Říkají jí vypařovací křivka.
Existence kritické teploty látky vysvětluje, proč při běžných teplotách mohou být některé látky kapalné i plynné, zatímco jiné zůstávají plyny.
Nad kritickou teplotou se kapalina netvoří ani při velmi vysokých tlacích.
Důvodem je, že zde se intenzita tepelného pohybu molekul ukazuje tak velká, že ani při jejich relativně hustém sbalení způsobeném vysokým tlakem nemohou molekulární síly zajistit vytvoření ani krátkého, tím méně dalekonosného řádu.
Je tedy zřejmé, že mezi plynem a párou není žádný zásadní rozdíl. Plyn je obvykle látka v plynném stavu, když je její teplota nad kritickou teplotou. Pára se také nazývá látka v plynném stavu, ale když je její teplota pod kritickou hodnotou. Páru lze přeměnit na kapalinu pouze zvýšením tlaku, ale plyn nikoli.
V současné době jsou všechny plyny zkapalňovány při velmi nízkých teplotách. Jako poslední bylo přeneseno helium v roce 1908 ( t cr = -269 °C).
Literatura
Aksenovich L. A. Fyzika na střední škole: Teorie. Úkoly. Testy: Učebnice. příspěvek pro instituce poskytující všeobecné vzdělávání. prostředí, výchova / L. A. Aksenovič, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - S. 176-178.
Pokud je určité množství kapaliny umístěno do uzavřené nádoby, část kapaliny se odpaří a nad kapalinou bude existovat nasycená pára. Tlak, a tedy i hustota této páry, závisí na teplotě. Hustota páry je obvykle mnohem menší než hustota kapaliny při stejné teplotě. Pokud zvýšíte teplotu, hustota kapaliny se sníží (§ 198), zatímco tlak a hustota nasycené páry se zvýší. V tabulce Obrázek 22 ukazuje hodnoty hustoty vody a nasycené vodní páry pro různé teploty (a tedy pro odpovídající tlaky). Na Obr. 497 stejná data jsou uvedena ve formě grafu. Horní část grafu ukazuje změnu hustoty kapaliny v závislosti na její teplotě. S rostoucí teplotou hustota kapaliny klesá. Spodní část grafu ukazuje závislost hustoty nasycených par na teplotě. Hustota páry se zvyšuje. Při teplotě odpovídající bodu se hustoty kapaliny a nasycené páry shodují.
Rýže. 497. Závislost hustoty vody a její nasycené páry na teplotě
Tabulka 22. Vlastnosti vody a její syté páry při různých teplotách
|
Teplota, |
Tlak nasycených par, |
Hustota vody, |
Hustota nasycených par, |
Specifické výparné teplo, |
Tabulka ukazuje, že čím vyšší je teplota, tím menší je rozdíl mezi hustotou kapaliny a hustotou její nasycené páry. Při určité teplotě (u vody) se tyto hustoty shodují. Teplota, při které se hustoty kapaliny a její nasycené páry shodují, se nazývá kritická teplota látky. Na Obr. 497 odpovídá tečce. Tlak odpovídající bodu se nazývá kritický tlak. Kritické teploty různých látek se velmi liší. Některé z nich jsou uvedeny v tabulce. 23.
Tabulka 23. Kritická teplota a kritický tlak některých látek
|
Látka |
Kritická teplota |
Kritický tlak, atm |
Látka |
Kritická teplota |
Kritický tlak, atm |
|
Oxid uhličitý |
|||||
|
Kyslík |
|||||
|
Ethanol |
|||||
Co naznačuje existence kritické teploty? Co se děje při ještě vyšších teplotách?
Zkušenosti ukazují, že při teplotách vyšších než kritických může být látka pouze v plynném stavu. Pokud snížíme objem, který zabírá pára při teplotě nad kritickou teplotou, tlak páry se zvýší, ale nenasytí se a zůstane homogenní: bez ohledu na to, jak vysoký je tlak, nenajdeme dva oddělené stavy. ostrou hranicí, jak je vždy pozorováno při nižších teplotách v důsledku kondenzace páry. Pokud je tedy teplota látky nad kritickou teplotou, pak rovnováha látky ve formě kapaliny a páry, která je s ní v kontaktu, je nemožná při jakémkoli tlaku.
Kritický stav látky lze sledovat pomocí zařízení znázorněného na Obr. 498. Skládá se z železné krabičky s okénky, kterou lze vyhřívat výše („vzduchová lázeň“) a skleněné ampulky s éterem umístěné uvnitř vany. Při zahřátí lázně se meniskus v ampuli zvedá, zplošťuje a nakonec mizí, což ukazuje na přechod přes kritický stav. Jak se lázeň ochladí, ampule se náhle zakalí v důsledku tvorby mnoha drobných kapiček éteru, načež se éter shromažďuje na dně ampule.
Rýže. 498. Zařízení pro pozorování kritického stavu éteru
Jak je vidět z tabulky. 22, jak se blíží kritický bod, měrné teplo vypařování se snižuje a zmenšuje. To se vysvětluje skutečností, že s rostoucí teplotou se rozdíl ve vnitřních energiích látky v kapalném a parním skupenství zmenšuje. Ve skutečnosti adhezní síly molekul závisí na vzdálenostech mezi molekulami. Jestliže se hustoty kapaliny a páry liší málo, pak se průměrné vzdálenosti mezi molekulami liší jen málo. V důsledku toho se hodnoty potenciální energie interakce mezi molekulami budou lišit jen málo. Druhý člen výparného tepla - práce proti vnějšímu tlaku - také klesá, jak se blíží kritická teplota. Vyplývá to ze skutečnosti, že čím menší je rozdíl v hustotách páry a kapaliny, tím menší je expanze, ke které dochází při odpařování, a tím méně práce při odpařování.
Na existenci kritické teploty bylo poprvé poukázáno v roce 1860. Dmitrij Ivanovič Mendělejev (1834-1907), ruský chemik, který objevil základní zákon moderní chemie - periodický zákon chemických prvků. Velké úspěchy ve studiu kritické teploty patří anglickému chemikovi Thomasi Andrewsovi, který provedl podrobnou studii chování oxidu uhličitého při izotermické změně objemu, který zaujímá. Andrews ukázal, že při nižších teplotách v uzavřené nádobě je možná koexistence oxidu uhličitého v kapalném a plynném skupenství; při vyšších teplotách je taková koexistence nemožná a celá nádoba je naplněna pouze plynem, bez ohledu na to, jak moc se její objem zmenší.
Po zjištění kritické teploty se ukázalo, proč se plyny, jako je kyslík nebo vodík, dlouho nemohly přeměnit na kapalinu. Jejich kritická teplota je velmi nízká (tabulka 23). Aby se tyto plyny změnily na kapalinu, musí být ochlazeny pod kritickou teplotu. Bez toho jsou všechny pokusy o jejich zkapalnění odsouzeny k neúspěchu.
Existuje přirozený jev, který vědci nazývají supravodivost a inženýři jej nazývají „budoucností energetiky, medicíny, vysokorychlostní dopravy a vojenských záležitostí“. Navzdory tomu, že první supravodivé materiály byly objeveny před více než sto lety, naučili se je používat relativně nedávno a pouze v několika poněkud specifických zařízeních, jako je Velký hadronový urychlovač nebo při zobrazování magnetickou rezonancí. Proč? Protože stále úplně nerozumíme tomu, jak tento fenomén funguje. V novém materiálu redakce N+1 Snažil jsem se co nejstručněji a nejjednodušeji pohovořit o několika vědeckých verzích původu supravodivosti, po jejichž pochopení pochopíte, nad čím si fyzikové na celém světě lámou hlavu už celé století.
Co je tedy supravodivost? To je vlastnost některých látek mít přísně nulový odpor pod určitou teplotou - nazývá se kritická. Druhým povinným kritériem, podle kterého je konkrétní sloučenina klasifikována jako supravodič, je Meissnerův jev – schopnost materiálů vytlačit magnetické pole ze svého objemu při ochlazení opět pod kritickou teplotu.
Levitace supravodiče nad magnetem je projevem Meissnerova jevu.
Wikimedia Commons
Fenomén supravodivosti je jedinečný a zároveň zcela „obyčejný“. Je unikátní svou širokou škálou existujících a možných aplikací: přenos elektrického proudu bez plýtvání energií na topné dráty, výroba supersilných magnetů, různé detektory, magnetometry SQUID, magnetické levitační vlaky a dokonce i hoverboardy.
A „obyčejné“, protože supravodivost, jak se ukazuje, se projevuje v obrovském množství sloučenin - zde oxidy kovů a organické vodiče, fulleridy kovů, železo obsahující a chalkogenidy a mnoho dalších. Zprávy o objevu dalšího nového supravodiče už proto nikoho, zejména vědce, nepřekvapují.
Stále však více než sto let po objevu supravodivosti narážejí jakékoli pokusy o její praktické využití na hlavní problém – nízkou kritickou teplotu. Z tohoto důvodu je pro práci se supravodivými produkty nutné stavět objemné chladicí systémy využívající kapalný dusík nebo dokonce drahé kapalné helium. Pokud by se ale podařilo najít materiál s kritickou teplotou na úrovni pokojové teploty, mohly by se levitující vlaky a supravodivá elektronika proměnit ze snů futuristů v každodenní realitu.
Fyzici, kteří studují nové supravodiče, obvykle nemají za cíl zvýšit jejich kritickou teplotu. Hovoří o mechanismech - důvodech, které vedou k tomu, že konkrétní sloučenina vykazuje supravodivé vlastnosti. Vědci se domnívají, že právě pochopení těchto mechanismů umožní předpovídat sloučeniny nejen s vyšší kritickou teplotou, ale také s dalšími stejně důležitými parametry, jako je kritické magnetické pole, proudová hustota a další.
Za hlavní uznávaný mechanismus vzniku supravodivosti je považována interakce elektron-fonon, kdy dochází k přitažlivosti mezi dvěma elektrony vlivem vibrací krystalové mřížky a vznikají tzv. Cooperovy páry. Tak se projevuje supravodivost podle Nobelovy teorie Bardeen-Cooper-Schrieffera (BCS). Byly také navrženy další mechanismy, například magnon nebo exciton. V prvním případě dochází k párování elektronů díky magnonům, nikoli fononům, a ve druhém jsou za supravodivost zodpovědné excitony ve stavu Boseova kondenzátu.
Mezi vědci ale stále probíhá debata o tom, zda kromě fononového existují i jiné mechanismy – faktem je, že v některých případech lze experimentální data interpretovat různými způsoby. Fyzici studující supravodivost se proto dělí na dva protichůdné a zdánlivě nesmiřitelné tábory – zastánce klasického BCS, kteří se snaží teorii nějak upravit tak, aby vyhovovala novým datům, a ty, kteří nové mechanismy považují za odraz skutečných procesů probíhajících v supravodiče.
Zda jsou tyto nebo jiné mechanismy skutečné, ukáží nová experimentální data. Prostudovali jsme moderní vědeckou literaturu o této problematice a pokusili jsme se co nejjednodušeji mluvit o tom, jak různé a zdánlivě nesouvisející procesy mohou vést k supravodivosti. Pozornost jsme věnovali také různým efektům, které mohou ovlivnit kritickou teplotu konkrétního supravodiče.
Příběh první: fonony
supravodič: jednoduché prvky, některé jejich slitiny a další sloučeniny.
Mechanismus: interakce elektron-fonon (klasická teorie BCS).
články: Teorie supravodivosti // Phys. Rev. 108, 1175 (1957).
Leon N. Cooper, Vázané elektronové páry v degenerovaném Fermiho plynu // Phys. Rev. 104, 1189 (1956).
J. Bardeen, L. N. Cooper a J. R. Schrieffer, Mikroskopická teorie supravodivosti // Phys. Rev. 106, 162 (1957).
Pokojová teplota, normální vodič. Atomy krystalové mřížky (přesněji ionty s kladným nábojem) vibrují různými směry, s různou frekvencí. Tyto "oscilační vlny" popisují fyzikové jako kvazičástice -fonony a každý fonon má svou vlastní frekvenci a energii. Vodivostní elektrony se mezi těmito vibrujícími ionty pohybují téměř chaoticky, mění směry, interagují s ionty i mezi sebou navzájem. V důsledku těchto interakcí se elektrony vzdají části své energie a rozptýlí ji na okolní atomy - to je důvod, proč se ve vodičích objevuje nenulový odpor.
Pod pokojovou teplotou, nad kritickou, obyčejný vodič. Atomové vibrace způsobené teplotou jsou tlumeny, ale ne úplně. Elektrony nadále rozptylují energii, ale pohyb je pro ně mnohem snazší - atomy na jejich cestě tolik „neblikají“. Odpor postupně klesá.
Kritická teplota, supravodivý přechod. Fononů je ještě méně - atomy téměř nevibrují. Vzniká nový „pohodlný“ stav pro elektrony – sjednotit se do párů s celkovou nulovou hybností a spinem. Ke sjednocení dochází v důsledku interakce s vibracemi iontů v krystalové mřížce, tedy s fonony. Ale tyto fonony nejsou ty uvedené výše - kolísání teploty, ale „ virtuální- způsobené pohybem elektronů. V důsledku této interakce vznikají elektronové páry, které jsou tzv Cooper's, stává se nerentabilní rozptylovat energii na atomech mřížky. V materiálu stále zůstávají „běžné elektrony“, ale proud teče cestou nejmenšího odporu – náhle se řítí k nule.
Pod kritickou teplotou, supravodič. Cooperových párů je stále více. Protože pár má celočíselný spin (-1/2+1/2 = 0 nebo méně často 1/2+1/2 = 1), je takovou „celkovou částicí“ boson. Pauliho zákaz se ale nevztahuje na bosony – mohou být současně ve stejném kvantovém stavu nebo na stejné energetické úrovni. Stále více párů „padá“ na tuto energetickou úroveň - a Bose kondenzát. V Boseově kondenzátu se částice chovají souvisle(dohodnuto) a jejich průběh nedisipativní(žádná ztráta energie).
Přísně vzato, Bose-Einsteinova teorie se zabývá ideálními plyny, a nikoli tak složitými interagujícími systémy, jako jsou elektrony v supravodičích. Ale podstata procesů – příležitost pro částice „sestavit“ se na jedné energetické úrovni – je stejná. Proto si dovolíme tuto analogii.
Jak se tvoří Cooperovy páry? Elektrony létající mezi kladně nabitými atomy způsobují, že jsou k sobě přitahovány jako k oblasti se záporným nábojem. Ale atomy jsou „nemotorné“; jsou mnohem těžší a pohybují se pomaleji. V důsledku toho se po procházejícím elektronu vytvoří oblast kladného náboje. Je k němu přitahován další elektron. A tak se ve dvojicích pohybují po krystalové mřížce mezi atomy, aniž by ztrácely energii při srážkách. Fyzici tento proces nazývají interakcí elektronů s virtuálními fonony krystalové mřížky.
Proč Cooperovy páry nerozptýlí energii? Abychom vysvětlili, proč elektrony neztrácejí svou energii, musíme se obrátit na tento koncept elektronické spektrum- závislost energie na vlnovém vektoru. Supravodič, na rozdíl od normálního kovu, má speciál mezera- oblast zakázaných států. To znamená, že elektron nemůže obsadit stav s energií z této zakázané oblasti. Mezera se „otevře“ právě při kritické teplotě a dále „roste“, jak se ochlazuje. U supravodičů je uprostřed této mezery hladina s povolenou energií, kde jsou umístěny Cooperovy páry. Ale nad a pod touto úrovní je "pásmová mezera", což znamená, že elektronové páry se zdají být uzamčeny na této úrovni uprostřed mezery. Energii mohou ztrácet nebo absorbovat pouze v částech, které jsou větší než zakázané pásmo – při nízkých rychlostech pohybu Cooperovy dvojice je to téměř nemožný proces. Dochází k nedisipativnímu (bez ztráty energie) pohybu vodivostních elektronů krystalovou mřížkou – jedná se o supravodivost. Dodejme, že taková mezera není totožná s pásmovou mezerou v polovodičích a dielektrikách, díky níž vodivost zcela mizí nebo klesá s teplotou. Dielektrika nebo polovodiče nemají žádnou úroveň s Cooperovými páry v bandgapu a samotná vodivost může vzniknout (o supravodivosti nemluvě), pokud elektron může získat energii k "skoku" přes bariéru.
V této fázi stojí za to udělat malé objasnění. Téměř žádný vědec nepochybuje o tom, že supravodivý proud vzniká díky tvorbě Cooperových párů nebo jiných Boseových částic a jejich kondenzaci na stejné energetické úrovni. Vznikají spory o Jak přesně tyto částice Bose vznikají?. BCS teorie navrhuje interakci elektron-fonon jako takový mechanismus. Ale proč k tomu „nepoužít“ jiné kvazičástice? O tom je náš další příběh.
Příběh druhý: magnons
supravodič: ZrZn 2 a další.
Mechanismus: vznik tripletních Cooperových párů v důsledku jevu feromagnetismu putujících elektronů.
Článek: C. Pfleiderer et. al Koexistence supravodivosti a feromagnetismu v kovu v d-pásmu ZrZn 2 / Nature 412, 58-61 (2001).
D. Fay a J. Appel Koexistence supravodivosti p-stavu a putovního feromagnetismu / Phys. Rev. B 22, 3173 (1980).
Pokojová teplota, paramagnetický kov.
Elektron v pevné látce je vystaven silám Coulombova odpuzování jiných elektronů, přitažlivosti iontů krystalové mřížky a také silám výměnná interakce mezi elektrony. Ty mají čistě kvantovou povahu a jsou způsobeny přítomností elektronů zadní- vlastní moment hybnosti, nabývající hodnot ±½. Jsou to výměnné interakce, které nejčastěji způsobují magnetické uspořádání v materiálech - třídu jevů známých jako ferro-, ferri- a antiferomagnetismus. V mnoha případech k těmto jevům dochází, když látka není vodičem, tedy elektrony v ní lokalizované nebo „připojený“ ke konkrétnímu iontu. Tento příběh je o feromagnetismu. kolektivizované elektrony, to znamená „mobilní“ - zodpovědné za vodivost.
Feromagnetická uspořádaná teplota, feromagnetický kov. Výměna elektronů ve vodiči může v některých případech vést k tomu, že spiny elektronů, chaoticky „létající“ tam a zpět v běžném vodiči, se najednou začnou „dívat“ stejným směrem. V zásadě podobnou situaci lze pozorovat u běžícího davu vyděšených lidí. Jedinec v davu může běžet zcela chaotickým směrem, narážet do jiných lidí, zdí a plotů, což vyvolává efekt podobný odporu u běžných kovů. Zároveň však s největší pravděpodobností většina lidí poběží nohama, nikoli rukama, takže jejich „záda“ - směr od nohou k hlavě - se budou shodovat. Pokud je tedy teplota (průměrná rychlost lidí v davu) dostatečně nízká, většina rotací elektronů bude probíhat stejným směrem a materiálem bude feromagnetický kov.
Kritická teplota supravodivého přechodu, feromagnet-supravodič. Navzdory skutečnosti, že spiny jednotlivých elektronů jsou ko-směrové, nejsou pevně fixovány v určitém směru. Mohou oscilovat, převracet se a porušovat přísný řád. Ale odchýlením se od obecného směru určitý spin přiměje sousední elektrony, aby „narušily mír“ a oni se jej naopak pokusili vrátit do původního stavu. K tomu dochází v důsledku skutečnosti, že ve feromagnetu jsou elektrony energeticky příznivé mají kodirectional spiny, protože jsou propojeny energií výměnné interakce. Kvůli tomuto energetickému zisku začíná při nízkých teplotách mezi elektrony vznikat něco podobného jako přitahování – spojují se do párů. Ale na rozdíl od „fononového“ supravodiče není celkový spin této dvojice nula, ale jedna, protože spiny jsou spoluřízeny. Tento jev se nazývá trojice supravodivost. A "potížisté", kteří mohou převrátit své rotace a šířit nepořádek na blízké elektrony, se nazývají Magnons. Právě magnony pomáhají elektronům sdružovat se do párů při supravodivém přechodu.
Příběh třetí: excitony
supravodič: umělé materiály sestávající z několika uspořádaných vrstev dielektrik a polovodičů, každá vrstva má tloušťku téměř jednoho atomu.
Mechanismus: Bose-Einsteinova kondenzace nepřímých excitonů.
články : J. P. Eisenstein, A. H. MacDonald Bose-Einsteinova kondenzace excitonů ve dvouvrstvých elektronových systémech / Nature 432, 691-694 (9. prosince 2004).
M. M. Fogler, L. V. Butov & K. S. Novoselov Vysokoteplotní supratekutost s nepřímými excitony ve van der Waalsových heterostrukturách / Nature Communications 5, 4555 (2014).
Pokojová teplota, žádná supravodivost. Zdrojový materiál je umělá „hromada“ monoatomických vrstev dielektrik (materiálů, které nevedou proud) a polovodičů (které vedou proud, ale horší než skutečné vodiče). Aby se v polovodiči objevil proud, musí elektrony dostat dostatek energie, aby jím „přeskočily“. zakázané zóny. Když elektron „přeskočí“ a stane se vodivým, to, co zůstane na svém místě, je otvor, nebo jednoduše řečeno nepřítomnost elektronu. Elektron + díra = exciton. Pravda, aby z elektronu a díry vznikl exciton, musí být vzájemně propojeny, to znamená mít o něco nižší energii, než je celková energie jednotlivých částic - pouze v tomto případě se pohybují materiálem v koordinovaným způsobem. Jinak může například „lehký“ elektron jednoduše „uletět“ a „nemotorná“ díra s ním nebude schopna držet krok.
Teplota je nad kritickou, pod pokojovou teplotou, neexistuje žádná supravodivost. Pokud by v takovém vícevrstvém materiálu mohly existovat pouze obyčejné excitony (které se šíří uvnitř polovodičové vrstvy), nebyla by naděje na žádnou supravodivost. Ale vrstvy dielektrika a polovodiče jsou v něm umístěny nenáhodným způsobem. Představují „burger“, ve kterém je kotleta nevodivé dielektrikum a dvě vrstvy chleba jsou polovodiče s volnými elektrony, dírami a „nevolnými“ excitony. Může vzniknout takový „burger“. nepřímé excitace. K tomu je nutné, aby elektron ze spodního kousku „chleba“ proletěl „řízkem“, uvízl v horním kousku a zůstal připojen k jeho otvoru ze spodního kousku „chleba“. Tak je možné vytvořit podmínky, za kterých se v jedné vrstvě polovodičového chleba shromažďují převážně elektrony a ve druhé vrstvě díry. Potom vrstva dielektrického řízku zabrání elektronu v návratu na původní místo a vytvoří energetickou bariéru. To znamená, že aby elektron skočil zpět, potřebuje vydat další energii.
Kritická teplota Bose-Einsteinovy kondenzace, vznik supravodivosti. Exciton má nulový spin, což znamená, že je to boson. Excitony tedy mohou tvořit Boseův kondenzát, stejně jako Cooperovy páry. Na druhé straně je náboj Cooperova páru roven dvěma nábojům elektronu, ale náboj excitonu je nulový. Pohyb nulových nábojů nemůže vytvořit proud, odkud se tedy bere vodivost a dokonce i s předponou super-? Stejné nepřímé excitony s tím pomohou. S jejich pomocí se excitonový náboj rozdělí na dvě části a do jedné vrstvy polovodiče budou patřit záporné elektrony a do druhé kladné díry. Nyní můžete „připájet“ vodivé kontakty například k horní vrstvě polovodičového chleba a přivést na ně napětí - elektrony horní vrstvy se začnou pohybovat a s nimi se začnou pohybovat otvory ze spodní vrstvy, vytváření proudů v opačných směrech. Pokud snížíte teplotu natolik, že excitony kondenzují na stejné energetické úrovni, budou se pohybovat materiálem bez ztráty energie. Supravodivost - dírová nebo elektronická - bude pozorována v každé vrstvě polovodiče.
Pod kritickou teplotou, supravodič. Tento způsob vytváření umělé supravodivosti má své nevýhody. Například elektrony se díky jevu budou stále vracet do děr tunelování. V tomto případě excitony „zmizí“ (fyzici tento proces nazývají rekombinace) a celková vodivost klesá. Navíc samotná tvorba takových excitonů vyžaduje energii, protože elektron musí být „hozen“ přes bariéru vytvořenou dielektrikem. S klesající teplotou je obtížnější vytvářet nové excitony, takže těžko říci, zda takový umělý „burger“ polovodičů a dielektrik někdy dokáže nahradit skutečný supravodič.
Stojí za zmínku, že kromě umělého „excitonového supravodiče“, o kterém jsme hovořili v předchozím příběhu, existuje také termín jako „mechanismus excitační supravodivosti“ a tyto jevy nejsou úplně stejné. Ve výše uvedeném příkladu v podstatě neexistují žádné Cooperovy páry. Mechanismus excitonů je podobný fononovému mechanismu z teorie BCS, pouze spojovacím článkem mezi dvěma elektrony Cooperova páru v něm nejsou fonony, ale excitony ve stavu Boseova kondenzátu. V obou mechanismech takové spojení vede k tomu, že se zdá, že záporně nabité elektrony k sobě přitahují (ačkoli by se podle Coulombova zákona měly odpuzovat). Ve skutečnosti jsou oba elektrony přitahovány do oblasti dočasného kladného náboje vytvořeného fonony nebo excitony. Navíc, protože se excitony snáze „vytvářejí“, má se za to, že takový mechanismus může vysvětlit vysoké hodnoty kritické teploty pro některé materiály.
Příběh čtvrtý: kolísání
supravodič:
selenid železa FeSe a další.
Mechanismus: fluktuace spinu ve sloučeninách obsahujících ionty s nenulovým magnetickým momentem v kombinaci s nematickým strukturálním fázovým přechodem.
Článek : Qisi Wang et. al Silná souhra mezi kolísáním spinu pruhů, nematicitou a supravodivostí ve FeSe / Nature Materials, 15, 159–163 (2015).
Fa Wang, Steven A. Kivelson & Dung-Hai Lee Nematicita a kvantový paramagnetismus ve FeSe / Nature Physics 11, 959–963 (2015).
Pokojová teplota, paramagnetické. Tento mechanismus je možný pouze v případě, že materiál obsahuje ionty s nenulovým magnetickým momentem – to znamená, že celk roztočit(kvantová charakteristika - vlastní moment hybnosti) lokalizovaných elektronů v iontu se nerovná nule. Takové materiály patří paramagnety. Magnetické momenty se mohou vzájemně ovlivňovat a stát se uspořádanými, což je důvod, proč mnoho materiálů vykazuje fero-, antiferomagnetické vlastnosti a další, exotičtější možnosti. Při pokojové teplotě tepelné vibrace mřížkových iontů narušují uspořádání magnetických momentů, které vibrují téměř chaoticky - látka zůstává paramagnetická.
Pod pokojovou teplotou, paramagnetické. S klesající teplotou oscilace slábnou a magnetické interakce naopak začínají zesilovat. Magnetické momenty nyní oscilují důsledněji a snaží se najít „příznivou“ polohu, ale vzhledem k symetrii krystalové mřížky (tetragonální, tedy pravoúhlý rovnoběžnostěn s a = b ≠ c) neexistuje jediný stav s minimem energie. Pro snížení energie začínají magnetické momenty umístěné ve čtvercové mřížce seřadit do řetězu- k jejich převládajícímu pohybu dochází kolem určitého směru.
Nematický fázový přechod, paramagnetický. Roztočit kolísání(vibrace) nyní významně přispívají ve srovnání s vibracemi mřížkových iontů. „Pokusy“ o točení seřadit v řetězci nakonec začnou ovlivňovat krystalovou mřížku a snižují její symetrii (nyní a ≠ b ≠ c - ortoromba). Dochází ke změně fáze nematický přechod (tak se nazývá přechod s podobným poklesem symetrie krystalové mřížky). To zase dále zvyšuje anizotropii spinových oscilací, které se nakonec seřadí do řetězců. K úplnému magnetickému uspořádání však nedochází, protože řetězy se nemohou „zafixovat“ v žádné konkrétní poloze, protože takový stav není stabilní.
Nematická fáze, paramagnetická. Fluktuace rotace jsou „mladšími bratry“ magnonů (magnony jsou fluktuace rotace v uspořádaných magnetech). Zpravidla „pokusy o spiny“ seřadit v určitém směru nakonec vedou k magnetickému fázovému přechodu a látka se stává například antiferomagnetem. U některých materiálů je to však omezováno vibracemi iontů krystalové mřížky. Právě tyto materiály jsou kandidáty na supravodiče.
Kritická teplota supravodivého přechodu. Při přiblížení supravodivé přechodové teplotě se energie spinových fluktuací stává srovnatelnou s vibracemi mřížky. Magnetický řád nikdy nemá čas se ustavit, ale konzistentní chování elektronů v důsledku fluktuací rotace omezuje „seznam“ možných stavů elektronů. To vede ke vzniku mezery v elektronickém spektru a magnetický přechod je „nahrazen“ supravodivým. Kolísání spinu spolu s vibracemi krystalové mřížky a změnami její symetrie tedy nakonec vede k další cestě pro vznik Cooperových párů.
/ Phys. Rev. Lett. 101, 026406 (2008).
S. V. Borisenko et. al Přímé pozorování vazby spin-orbit v supravodičech na bázi železa / Nature Physics, 12, 311–317 (2015).
Od pokojové teploty po kritickou. Interakce spin-orbita ovlivňuje elektronické spektrum, čímž narušuje vodivé vlastnosti. Tento jev – interakce mezi pohybujícím se elektronem a jeho vlastním spinem – se nejsilněji projevuje při vysokých rychlostech pohybu elektronů (v kvantové fyzice používají pojem hybnosti), tedy jde o relativistický efekt. Ovlivňuje elektronické vlastnosti všech sloučenin, ale jeho příspěvek je tím větší, čím vyšší je atomové číslo v periodické tabulce, protože „rychlosti“ pohybu elektronů při vyšších energetických hladinách jsou mnohem vyšší. V LiFeAs a dalších supravodivých arsenidech železa je příspěvek interakce spin-orbita dostatečný k výraznému ovlivnění elektronické struktury. Představte si, že držíte v rukou plastelínovou kouli. Vliv interakce spin-orbita na elektronickou strukturu si pak lze představit, jako byste na této kouli prsty vytvářeli prohlubně a vybouleniny, a tím deformovali její původní tvar.
Na závěr můžeme říci, že naše příběhy uvádějí pouze několik možných procesů, které nakonec vedou k supravodivosti. Všechny, včetně klasického elektron-fononového mechanismu, lze kombinovat v jednom materiálu, nebo jeden z nich bude pro konkrétní látku hlavní. Možná jsou všechny tyto četné a složité mechanismy jen součástí nějakého globálního fyzikálního zákona, který vědci teprve musí objevit. Ale může se také ukázat, že příroda je mnohem složitější a mnohotvárnější, než si dokážeme představit, a prostě neexistuje jediný zákon supravodivosti.
Jekatěrina Kozljaková
Tělesná teplota- ukazatel tepelného stavu lidského těla nebo jiného živého organismu, který odráží vztah mezi produkcí tepla různých orgánů a tkání a výměnou tepla mezi nimi a vnějším prostředím.
Tělesná teplota závisí na:
— věk;
— denní doba;
— vliv životního prostředí na tělo;
- zdravotní stav;
- těhotenství;
- vlastnosti těla;
— další faktory, které dosud nebyly objasněny.
Druhy tělesné teploty
V závislosti na údajích teploměru se rozlišují následující typy tělesné teploty:
— méně než 35 °C;
— 35 °С — 37 °С;
— Nízká tělesná teplota: 37 °C - 38 °C;
— Febrilní tělesná teplota: 38 °C - 39 °C;
— Pyretická tělesná teplota: 39 °С - 41 °С;
— Hyperpyretická tělesná teplota: nad 41°C.
Podle jiné klasifikace se rozlišují následující typy tělesné teploty (stav těla):
— Podchlazení. Tělesná teplota klesne pod 35 °C;
— Normální teplota. Tělesná teplota se pohybuje od 35°C do 37°C (v závislosti na stavu těla, věku, pohlaví, okamžiku měření a dalších faktorech);
— Hypertermie. Tělesná teplota stoupá nad 37 °C;
— Horečka. Zvýšení tělesné teploty, ke kterému na rozdíl od hypotermie dochází při zachování termoregulačních mechanismů těla.
Nízká tělesná teplota je méně častá než vysoká nebo vysoká tělesná teplota, ale přesto je pro lidský život také značně nebezpečná. Pokud tělesná teplota klesne na 27 °C nebo níže, existuje šance, že člověk upadne do kómatu, i když se vyskytly případy, kdy lidé přežili při teplotách až 16 °C.
Teplota je považována za nízkou pro dospělého zdravého člověka pod 36,0 °C. V ostatních případech by měla být za nízkou teplotu považována teplota, která je o 0,5 °C - 1,5 °C nižší než vaše normální teplota.
Tělesná teplota je považována za nízkou která je o více než 1,5 °C nižší než vaše normální tělesná teplota, nebo pokud vaše teplota klesne pod 35 °C (hypotermie). V takovém případě musíte naléhavě zavolat lékaře.
Důvody nízké teploty:
- slabá imunita;
- těžká hypotermie;
- následek nemoci;
- nemoc štítné žlázy;
- léky;
- snížený hemoglobin;
- hormonální nerovnováha
- vnitřní krvácení;
- otrava
- únava atd.
Hlavními a nejčastějšími příznaky nízké teploty jsou ztráta pevnosti a.
Normální tělesná teplota, jak poznamenávají mnozí odborníci, závisí především na věku a denní době.
Uvažujme hodnoty horní hranice normální tělesné teploty u lidí různého věku, pokud se měří pod paží:
— normální teplota u novorozenců: 36,8 °C;
— normální teplota u 6měsíčních dětí: 37,4 °C;
— normální teplota u dětí ve věku 1 roku: 37,4 °C;
— normální teplota u tříletých dětí: 37,4 °C;
— normální teplota u 6letých dětí: 37,0 °C;
— normální teplota u dospělých: 36,8 °C;
— normální teplota pro dospělé nad 65 let: 36,3 °C;
Pokud neměříte teplotu pod pažemi, budou se hodnoty teploměru (teploměru) lišit:
- v ústech - o 0,3-0,6°C více;
- v ušní dutině - o 0,6-1,2 ° C více;
- v konečníku - více o 0,6-1,2°C.
Stojí za zmínku, že výše uvedené údaje vycházejí ze studie 90 % pacientů, ale zároveň 10 % má tělesnou teplotu, která se liší nahoru nebo dolů, a zároveň jsou absolutně zdraví. V takových případech je to pro ně také normou.
Obecně platí, že kolísání teploty nahoru nebo dolů od normy o více než 0,5-1,5 ° C je reakcí na jakékoli poruchy ve fungování těla. Jinými slovy, je to známka toho, že tělo nemoc rozpoznalo a začalo s ní bojovat.
Pokud chcete znát přesný ukazatel své normální teploty, poraďte se se svým lékařem. Pokud to není možné, udělejte to sami. K tomu je třeba provádět měření teploty po několik dní, když se cítíte dobře, ráno, odpoledne a večer. Zapište si hodnoty teploměru do sešitu. Poté samostatně sečtěte všechny ukazatele ranních, odpoledních a večerních měření a vydělte součet počtem měření. Průměrná hodnota bude vaše normální teplota.
Zvýšená a vysoká tělesná teplota se dělí na 4 typy:
— Subfebrilie: 37 °C - 38 °C.
— Febrilní: 38 °C - 39 °C.
— Pyretický: 39 °C - 41 °C.
— Hyperpyretikum: nad 41°C.
Maximální tělesná teplota, která je považována za kritickou, tzn. při které člověk zemře, je 42°C. Je to nebezpečné, protože je narušen metabolismus v mozkové tkáni, což prakticky zabíjí celé tělo.
Pouze lékař může uvést důvody vysoké teploty. Nejčastějšími příčinami jsou viry, bakterie a další cizorodé mikroorganismy, které pronikají do těla popáleninami, rozrušením, vzdušnými kapkami atd.
Příznaky horečky a horečky
— Teplota lidského těla (orální teplota) byla poprvé měřena v Německu v roce 1851 pomocí jednoho z prvních rtuťových teploměrů, které se objevily.
- Nejnižší tělesná teplota na světě 14,2 °C byla zaznamenána 23. února 1994 u 2leté kanadské dívky, která strávila 6 hodin v mrazu.
- Nejvyšší tělesnou teplotu zaznamenali 10. července 1980 v nemocnici v americké Atlantě u 52letého Willieho Jonese, který prodělal úpal. Jeho teplota se ukázala na 46,5 °C. Pacient byl propuštěn z nemocnice po 24 dnech.
