Už dávnejšie vznikla myšlienka, že zvýšením tlaku a súčasným znížením teploty je možné bežné plyny, ale aj nenasýtené pary uviesť do stavu nasýtenia a následne ich premeniť na kvapalinu. Týmto spôsobom anglický vedec Faraday premenil množstvo plynov na kvapalinu: amoniak, oxid uhličitý, chlór atď. Ale plyny ako kyslík, dusík, vodík, oxid uhoľnatý, oxid dusnatý a metán sa ani po stlačení nepremenili na kvapalinu. na 3000 atm a pri ochladení na –110° C. Bolo potrebné zistiť príčiny tohto javu.
Veľký ruský vedec D.I. Mendelejev tiež študoval problém skvapalňovania plynov. Kým jeho predchodcovia v diskusiách o skvapalňovaní plynov vychádzali z podobnosti tohto procesu s procesom premeny nenasýtenej pary na kvapalinu, Mendelejev upozorňoval na podmienky pre opačný proces – prechod kvapaliny na paru.
Po preštudovaní týchto podmienok Mendelejev dospel k záveru, že pre každú látku existuje teplota, nad ktorou je látka v plynnom stave. Mendelejev túto teplotu pomenoval absolútny bod varu. Následne sa stal známym ako kritická teplota.
Aká je táto teplota? Ak chcete odpovedať na túto otázku, urobme nasledujúci experiment.
Do vzduchového kúpeľa dáme zatavenú trubicu, ktorej časť objemu zaberá kvapalina, zvyšok sýtiaca para a budeme ju ohrievať. Pri zahrievaní sa mení hustota kvapaliny a hustota pary v trubici.
Ako príklad si zostavme grafy zmien hustoty vody a vodnej pary oproti teplote. Aby sme to dosiahli, vynesieme teplotu pozdĺž osi x a hustoty kvapaliny a pary pozdĺž osi y.
Pretože kvapalina pri zahrievaní expanduje, krivka CD, ktorá ukazuje hustotu kvapaliny ako funkciu teploty, klesá, čo naznačuje, že hustota kvapaliny klesá so zvyšujúcou sa teplotou.
A keďže sa kvapalina pri zvyšovaní teploty vyparuje, hustota pary sa zvyšuje. Toto zvýšenie hustoty pár je na grafe znázornené zakrivenou čiarou AB.
Krivka AB je umiestnená pod krivkou CD, pretože pri akejkoľvek teplote je hustota pary v prítomnosti kvapaliny menšia ako hustota kvapaliny.
So zvyšujúcou sa teplotou hustota kvapaliny klesá a hustota pary sa zvyšuje. Krivka CD pôjde dole a krivka AB bude stúpať. Obe krivky sa spájajú v určitom bode K, ktorý je tzv kritický bod, a teplota, pri ktorej sa krivky spájajú, sa nazýva kritická teplota. Kritický bod K zodpovedá špeciálnemu stavu hmoty nazývanému kritický, v ktorom zmizne akýkoľvek rozdiel medzi kvapalinou a jej nasýtenou parou.
Tlak a špecifický objem látky (objem na jednotku hmotnosti) v kritickom stave sa tiež nazývajú kritické.
Prvú systematickú prácu na určovaní kritických teplôt rôznych látok vykonali ruskí vedci M. P. Avenarius, A. I. Nadezhdin a ďalší.
Avenarius študoval kritický stav éteru pomocou špeciálneho zariadenia. V skúmavke umiestnenej vo vzduchovom kúpeli je éter čiastočne v kvapaline, čiastočne v parnom stave. Pri izbovej teplote sú oba tieto stavy ostro ohraničené konkávnym meniskom kvapaliny (éter zmáča sklo). Pri zahriatí skúmavky sa konkávne rozhranie postupne narovná a okamžite zmizne pri kritickej teplote éteru rovnajúcej sa 194 °C. Nad touto teplotou je éter v skúmavke v plynnom stave. Po postupnom ochladzovaní skúmavky je možné pozorovať kritický stav éteru (obsah skúmavky stmavne) a za ním sa objaví hranica oddeľujúca kvapalinu a paru.
Nasledujúca tabuľka ukazuje kritické teploty a kritické tlaky niektorých chemikálií.
Podobnosť vlastností nenasýtených pár a plynov podnietila M. Faradaya k špekuláciám: nie sú plyny nenasýtenými parami zodpovedajúcich kvapalín? Ak je predpoklad správny, môžete sa pokúsiť, aby boli nasýtené a kondenzované. Kompresia skutočne dokázala nasýtiť veľa plynov, okrem šiestich, ktoré M. Faraday nazval „trvalými“: dusík, vodík, vzduch, hélium, kyslík, oxid uhoľnatý CO.
Aby sme pochopili, čo sa tu deje, pozrime sa podrobnejšie na izotermický proces stláčania (expanzie) pary. Videli sme, že izoterma skutočného plynu sa líši od izotermy ideálneho plynu prítomnosťou vodorovného rezu zodpovedajúceho oblasti existencie dvojfázového systému: nasýtená para a kvapalina.
Ak sa experimenty vykonávajú pri vyšších teplotách ( T 1 < T 2 < T 3 < T k< T 4), potom je možné zistiť vzor spoločný pre všetky látky (obr. 1).
Po prvé, čím vyššia je teplota, tým menší je objem, pri ktorom začína kondenzácia plynu: V 1 > V' 1 > V'' 1 ak T 1 < T 2 < T 3 .
Po druhé, čím vyššia je teplota, tým väčší objem zaberá kvapalina po kondenzácii všetkých pár:
V 2 < V' 2 < V'' 2 .V dôsledku toho sa dĺžka priameho úseku izotermy s rastúcou teplotou zmenšuje.
To sa dá ľahko vysvetliť: s rastom Τ tlak nasýtenej pary rýchlo narastá a aby sa tlak nenasýtenej pary vyrovnal tlaku nasýtenej pary, je potrebné zmenšiť objem. Dôvod zvýšenia objemu V 2 - v tepelnej rozťažnosti kvapaliny pri zahrievaní. Od objemu V 1 klesá, potom sa hustota pary zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou; zvýšenie objemu V 2 ukazuje pokles hustoty kvapaliny. To znamená, že rozdiel medzi kvapalinou a jej nasýtenou parou sa pri takomto ohreve vyrovná a pri dostatočne vysokej teplote by mal úplne zmiznúť.
D. Mendelejev zistil, že pre každú kvapalinu musí existovať teplota, ktorú experimentálne prvýkrát stanovil pre mnohé látky T. Andrews a nazýva sa kritická teplota.
Kritická teplota T kr je teplota, pri ktorej sa hustota kvapaliny a hustota jej nasýtených pár stanú rovnakými (obr. 2).
Na izotermách pri T = T kr vodorovný rez sa mení na inflexný bod TO.
Tlak nasýtených pár látky pri jej kritickej teplote sa nazýva kritický tlak p cr. Je to najvyšší možný tlak nasýtených pár látky.
Objem, ktorý látka zaberá, keď p cr a t kr, tzv kritický objem m V cr. Toto je najväčší objem, ktorý môže dostupná hmotnosť látky v kvapalnom stave zaberať.
Pri kritickej teplote sa rozdiel medzi plynom a kvapalinou stráca, a preto sa špecifické teplo vyparovania stáva nulovým.
Súbor bodov zodpovedajúcich okrajom vodorovného rezu izotermy (pozri obr. 1) zvýrazňuje v rovine p-V oblasť existencie dvojfázového systému a oddeľuje ju od oblastí jednofázových stavov hmoty. Hraničná krivka oblasti dvojfázových stavov na strane veľkých objemových hodnôt popisuje stav nasýtených pár a zároveň predstavuje kondenzačná krivka(kondenzácia pary začína počas izotermickej kompresie). Hraničná krivka na strane menších objemov je krivka, na ktorej pri stláčaní nasýtenej pary končí kondenzácia a pri izotermickej expanzii začína vyparovanie kvapaliny. Volajú ju krivka odparovania.
Existencia kritickej teploty látky vysvetľuje, prečo pri bežných teplotách môžu byť niektoré látky kvapalné aj plynné, zatiaľ čo iné zostávajú plynmi.
Nad kritickou teplotou sa kvapalina netvorí ani pri veľmi vysokých tlakoch.
Dôvodom je, že tu sa intenzita tepelného pohybu molekúl ukazuje byť taká veľká, že ani pri ich relatívne hustom zbalení spôsobenom vysokým tlakom molekulárne sily nedokážu zabezpečiť vytvorenie ani krátkeho, tým menej ďalekonosného poriadku.
Je teda zrejmé, že medzi plynom a parou nie je zásadný rozdiel. Plyn je zvyčajne látka v plynnom stave, keď je jej teplota vyššia ako kritická teplota. Para sa tiež nazýva látka v plynnom stave, ale keď je jej teplota pod kritickou hodnotou. Para sa môže premeniť na kvapalinu iba zvýšením tlaku, ale plyn nie.
V súčasnosti sú všetky plyny skvapalnené pri veľmi nízkych teplotách. Ako posledné bolo prenesené hélium v roku 1908 ( t cr = -269 °C).
Literatúra
Aksenovič L. A. Fyzika na strednej škole: teória. Úlohy. Testy: Učebnica. príspevok pre inštitúcie poskytujúce všeobecné vzdelávanie. prostredie, výchova / L. A. Aksenovič, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - S. 176-178.
Ak sa určité množstvo kvapaliny umiestni do uzavretej nádoby, časť kvapaliny sa odparí a nad kvapalinou bude existovať nasýtená para. Tlak, a teda aj hustota tejto pary, závisí od teploty. Hustota pary je zvyčajne oveľa menšia ako hustota kvapaliny pri rovnakej teplote. Ak zvýšite teplotu, hustota kvapaliny sa zníži (§ 198), kým sa zvýši tlak a hustota nasýtenej pary. V tabuľke Obrázok 22 ukazuje hodnoty hustoty vody a nasýtenej vodnej pary pre rôzne teploty (a teda pre zodpovedajúce tlaky). Na obr. 497 rovnaké údaje sú prezentované vo forme grafu. V hornej časti grafu je znázornená zmena hustoty kvapaliny v závislosti od jej teploty. So zvyšujúcou sa teplotou hustota kvapaliny klesá. Spodná časť grafu znázorňuje závislosť hustoty nasýtených pár od teploty. Hustota pary sa zvyšuje. Pri teplote zodpovedajúcej bodu sa hustoty kvapaliny a nasýtenej pary zhodujú.
Ryža. 497. Závislosť hustoty vody a jej nasýtených pár od teploty
Tabuľka 22. Vlastnosti vody a jej nasýtenej pary pri rôznych teplotách
|
teplota, |
Tlak nasýtených pár, |
Hustota vody, |
Hustota nasýtených pár, |
Špecifické výparné teplo, |
Tabuľka ukazuje, že čím vyššia je teplota, tým menší je rozdiel medzi hustotou kvapaliny a hustotou jej nasýtených pár. Pri určitej teplote (vo vode) sa tieto hustoty zhodujú. Teplota, pri ktorej sa hustoty kvapaliny a jej nasýtenej pary zhodujú, sa nazýva kritická teplota látky. Na obr. 497 zodpovedá bodke. Tlak zodpovedajúci bodu sa nazýva kritický tlak. Kritické teploty rôznych látok sa značne líšia. Niektoré z nich sú uvedené v tabuľke. 23.
Tabuľka 23. Kritická teplota a kritický tlak niektorých látok
|
Látka |
Kritická teplota |
Kritický tlak, atm |
Látka |
Kritická teplota |
Kritický tlak, atm |
|
Oxid uhličitý |
|||||
|
Kyslík |
|||||
|
Etanol |
|||||
Čo naznačuje existencia kritickej teploty? Čo sa deje pri ešte vyšších teplotách?
Skúsenosti ukazujú, že pri teplotách vyšších ako kritických môže byť látka iba v plynnom stave. Ak znížime objem pary pri teplote nad kritickou teplotou, tlak pary sa zvýši, ale nenasýti sa a zostane homogénny: bez ohľadu na to, aký vysoký je tlak, nenájdeme dva oddelené stavy. ostrou hranicou, ako je to vždy pozorované pri nižších teplotách v dôsledku kondenzácie pary. Takže, ak je teplota látky nad kritickou teplotou, potom rovnováha látky vo forme kvapaliny a pary, ktorá je s ňou v kontakte, je nemožná pri akomkoľvek tlaku.
Kritický stav látky možno pozorovať pomocou zariadenia znázorneného na obr. 498. Pozostáva zo železnej skrinky s okienkami, ktoré sa dajú vyhrievať vyššie („vzduchový kúpeľ“) a zo sklenenej ampulky s éterom umiestnenej vo vnútri kúpeľa. Pri zahriatí kúpeľa sa meniskus v ampulke zdvihne, sploští a nakoniec zmizne, čo naznačuje prechod cez kritický stav. Ako sa kúpeľ ochladzuje, ampulka sa náhle zakalí v dôsledku tvorby mnohých drobných kvapôčok éteru, po ktorých sa éter zhromažďuje na dne ampulky.
Ryža. 498. Zariadenie na pozorovanie kritického stavu éteru
Ako je možné vidieť z tabuľky. 22, keď sa blíži kritický bod, špecifické teplo vyparovania je stále menšie. Vysvetľuje to skutočnosť, že so zvyšujúcou sa teplotou sa rozdiel vo vnútorných energiách látky v kvapalnom a parnom stave znižuje. V skutočnosti adhézne sily molekúl závisia od vzdialenosti medzi molekulami. Ak sa hustoty kvapaliny a pary líšia málo, potom sa priemerné vzdialenosti medzi molekulami líšia len málo. V dôsledku toho sa hodnoty potenciálnej energie interakcie medzi molekulami budú líšiť len málo. Druhý člen výparného tepla - práca proti vonkajšiemu tlaku - tiež klesá, keď sa blíži kritická teplota. Vyplýva to zo skutočnosti, že čím menší je rozdiel v hustotách pary a kvapaliny, tým menšia je expanzia, ku ktorej dochádza pri vyparovaní, a tým menej práce pri vyparovaní.
Na existenciu kritickej teploty sa prvýkrát poukázalo v roku 1860. Dmitrij Ivanovič Mendelejev (1834-1907), ruský chemik, ktorý objavil základný zákon modernej chémie - periodický zákon chemických prvkov. Veľké úspechy v štúdiu kritickej teploty patria anglickému chemikovi Thomasovi Andrewsovi, ktorý podrobne študoval správanie oxidu uhličitého pri izotermickej zmene objemu, ktorý zaberá. Andrews ukázal, že pri nižších teplotách v uzavretej nádobe je možná koexistencia oxidu uhličitého v kvapalnom a plynnom skupenstve; pri vyšších teplotách je takáto koexistencia nemožná a celá nádoba je naplnená len plynom, akokoľvek sa jej objem zmenší.
Po objavení kritickej teploty sa ukázalo, prečo sa plyny ako kyslík či vodík dlho nedajú premeniť na kvapalinu. Ich kritická teplota je veľmi nízka (tabuľka 23). Aby sa tieto plyny zmenili na kvapalinu, musia sa ochladiť pod kritickú teplotu. Bez toho sú všetky pokusy o ich skvapalnenie odsúdené na neúspech.
Existuje prírodný fenomén, ktorý vedci nazývajú supravodivosť a inžinieri ho nazývajú „budúcnosťou energetiky, medicíny, vysokorýchlostnej dopravy a vojenských záležitostí“. Napriek tomu, že prvé supravodivé materiály boli objavené už pred viac ako sto rokmi, naučili sa ich používať pomerne nedávno a len v niekoľkých dosť špecifických zariadeniach ako Veľký hadrónový urýchľovač alebo pri zobrazovaní magnetickou rezonanciou. prečo? Pretože stále úplne nerozumieme tomu, ako tento jav funguje. V novom materiáli redakcia N+1 Snažil som sa čo najstručnejšie a najjednoduchšie porozprávať o niekoľkých vedeckých verziách pôvodu supravodivosti, po pochopení ktorých pochopíte, nad čím si fyzici na celom svete lámu hlavu už celé storočie.
Čo je teda supravodivosť? Toto je vlastnosť niektorých látok, ktoré majú striktne nulový odpor pod určitou teplotou - nazýva sa to kritické. Druhým povinným kritériom, podľa ktorého je konkrétna zlúčenina klasifikovaná ako supravodič, je Meissnerov efekt - schopnosť materiálov vytlačiť magnetické pole zo svojho objemu, keď sa ochladí opäť pod kritickú teplotu.
Levitácia supravodiča nad magnetom je prejavom Meissnerovho javu.
Wikimedia Commons
Fenomén supravodivosti je jedinečný a zároveň úplne „obyčajný“. Je jedinečný svojou širokou škálou existujúcich a možných aplikácií: prenos elektrického prúdu bez plytvania energiou na vykurovacie drôty, výroba supersilných magnetov, rôzne detektory, magnetometre SQUID, magnetické levitačné vlaky a dokonca aj hoverboardy.
A „obyčajné“, pretože supravodivosť, ako sa ukázalo, sa prejavuje v obrovskom množstve zlúčenín - tu a oxidy kovov a organické vodiče, fulleridy kovov, železo obsahujúce a chalkogenidy a mnoho ďalších. Správy o objave ďalšieho nového supravodiča preto už nikoho, najmä vedcov, neprekvapujú.
Napriek tomu, viac ako sto rokov po objave supravodivosti, akékoľvek pokusy o jej praktické využitie narážajú na hlavný problém – nízku kritickú teplotu. Z tohto dôvodu je pre prácu so supravodivými produktmi potrebné vybudovať objemné chladiace systémy využívajúce tekutý dusík alebo dokonca drahé tekuté hélium. Ak by sa však podarilo nájsť materiál s kritickou teplotou na úrovni izbovej teploty, levitujúce vlaky a supravodivá elektronika by sa mohli zmeniť zo snov futuristov na každodennú realitu.
Fyzici, ktorí študujú nové supravodiče, zvyčajne nemajú za cieľ zvýšiť ich kritickú teplotu. Hovoria o mechanizmoch - dôvodoch, ktoré vedú k tomu, že konkrétna zlúčenina vykazuje supravodivé vlastnosti. Vedci sa domnievajú, že práve pochopenie týchto mechanizmov umožní predpovedať zlúčeniny nielen s vyššou kritickou teplotou, ale aj s ďalšími rovnako dôležitými parametrami, akými sú kritické magnetické pole, prúdová hustota a iné.
Za hlavný uznávaný mechanizmus vzniku supravodivosti sa považuje interakcia elektrón-fonón, kedy dochádza k príťažlivosti medzi dvoma elektrónmi vplyvom vibrácií kryštálovej mriežky a vytvárajú sa takzvané Cooperove páry. Takto sa prejavuje supravodivosť podľa Nobelovej teórie Bardeen-Cooper-Schrieffera (BCS). Boli navrhnuté aj iné mechanizmy, napríklad magnón alebo excitón. V prvom sa párovanie elektrónov vyskytuje v dôsledku magnónov, nie fonónov, a v druhom sú excitóny v stave Boseho kondenzátu zodpovedné za supravodivosť.
Ale medzi vedcami stále prebieha diskusia o tom, či okrem fonónového existujú aj iné mechanizmy – faktom je, že v niektorých prípadoch možno experimentálne údaje interpretovať rôznymi spôsobmi. Preto sa fyzici študujúci supravodivosť delia na dva protichodné a zdanlivo nezmieriteľné tábory – zástancov klasického BCS, ktorí sa snažia teóriu nejako modifikovať tak, aby vyhovovala novým údajom, a tých, ktorí nové mechanizmy považujú za odraz reálnych procesov prebiehajúcich v r. supravodiče.
Či sú tieto alebo iné mechanizmy skutočné, ukážu nové experimentálne dáta. Študovali sme modernú vedeckú literatúru o tejto problematike a snažili sme sa čo najjednoduchšie hovoriť o tom, ako môžu rôzne a zdanlivo nesúvisiace procesy viesť k supravodivosti. Pozornosť sme venovali aj rôznym efektom, ktoré môžu ovplyvniť kritickú teplotu konkrétneho supravodiča.
Príbeh prvý: fonóny
Supravodič: jednoduché prvky, niektoré ich zliatiny a iné zlúčeniny.
Mechanizmus: interakcia elektrón-fonón (klasická teória BCS).
články: Teória supravodivosti // Phys. Rev. 108, 1175 (1957).
Leon N. Cooper, Viazané elektrónové páry v degenerovanom Fermiho plyne // Phys. Rev. 104, 1189 (1956).
J. Bardeen, L. N. Cooper a J. R. Schrieffer, Mikroskopická teória supravodivosti // Phys. Rev. 106, 162 (1957).
Izbová teplota, normálny vodič. Atómy kryštálovej mriežky (presnejšie ióny s kladným nábojom) vibrujú rôznymi smermi, s rôznymi frekvenciami. Tieto "oscilačné vlny" popisujú fyzici ako kvázičastice-fonóny a každý fonón má svoju vlastnú frekvenciu a energiu. Vodivostné elektróny sa medzi týmito vibrujúcimi iónmi pohybujú takmer chaoticky, menia smery, interagujú s iónmi a medzi sebou navzájom. V dôsledku týchto interakcií sa elektróny vzdávajú časti svojej energie a rozptyľujú ju na okolité atómy - to je dôvod, prečo sa vo vodičoch objavuje nenulový odpor.
Pod izbovou teplotou, nad kritickou, obyčajný vodič. Atómové vibrácie spôsobené teplotou sú tlmené, ale nie úplne. Elektróny naďalej rozptyľujú energiu, ale pohyb je pre nich oveľa jednoduchší - atómy na svojej ceste toľko „neblikajú“. Odpor postupne klesá.
Kritická teplota, supravodivý prechod. Existuje ešte menej fonónov - atómy takmer nevibrujú. Vzniká nový „pohodlný“ stav pre elektróny – spojiť sa do párov s celkovou nulovou hybnosťou a spinom. K zjednoteniu dochádza v dôsledku interakcie s vibráciami iónov v kryštálovej mriežke, to znamená s fonónmi. Ale tieto fonóny nie sú tie, ktoré sú uvedené vyššie - kolísanie teploty, ale „ virtuálne- spôsobené pohybom elektrónov. V dôsledku tejto interakcie vznikajú elektrónové páry, ktoré sú tzv Cooper's, stáva sa nerentabilné rozptýliť energiu na atómoch mriežky. V materiáli stále zostávajú „obyčajné elektróny“, ale prúd tečie po dráhe najmenšieho odporu - náhle sa rúti na nulu.
Pod kritickou teplotou, supravodič. Cooperových párov je čoraz viac. Keďže pár má celočíselný spin (-1/2+1/2 = 0 alebo menej často 1/2+1/2 = 1), takáto „celková častica“ je bozón. Ale Pauliho zákaz sa nevzťahuje na bozóny - môžu byť súčasne v rovnakom kvantovom stave alebo na rovnakej energetickej úrovni. Stále viac párov „padá“ na túto energetickú úroveň - a Boseho kondenzátu. V Boseho kondenzáte sa častice správajú súvisle(dohodnuté) a ich priebeh nedisipatívne(žiadna strata energie).
Presne povedané, Bose-Einsteinova teória sa zaoberá ideálnymi plynmi, a nie tak zložitými interagujúcimi systémami, ako sú elektróny v supravodičoch. Ale podstata procesov - príležitosť pre častice „zhromaždiť sa“ na jednej energetickej úrovni - je rovnaká. Preto si dovoľujeme urobiť toto prirovnanie.
Ako vznikajú Cooperove páry? Elektróny lietajúce medzi kladne nabitými atómami spôsobujú, že sú priťahované k sebe, ako k oblasti so záporným nábojom. Ale atómy sú „nemotorné“; sú oveľa ťažšie a pohybujú sa pomalšie. V dôsledku toho sa po prechode elektrónu vytvorí oblasť s kladným nábojom. Je k nemu priťahovaný ďalší elektrón. A tak sa vo dvojiciach pohybujú po kryštálovej mriežke medzi atómami, bez straty energie pri zrážkach. Fyzici nazývajú tento proces interakciou elektrónov s virtuálnymi fonónmi kryštálovej mriežky.
Prečo Cooperove páry nerozptyľujú energiu? Aby sme vysvetlili, prečo elektróny nestrácajú svoju energiu, musíme sa obrátiť na koncept elektronické spektrum- závislosť energie od vlnového vektora. Supravodič má na rozdiel od bežného kovu zvláštnosť medzera- oblasť zakázaných štátov. To znamená, že elektrón nemôže obsadiť stav s energiou z tejto zakázanej oblasti. Medzera sa „otvorí“ práve pri kritickej teplote a pri ochladzovaní sa „zväčšuje“. V supravodičoch je v strede tejto medzery hladina s povolenou energiou, kde sa nachádzajú Cooperove páry. Ale nad a pod touto úrovňou je "pásmová medzera", čo znamená, že elektrónové páry sa zdajú byť uzamknuté na tejto úrovni uprostred medzery. Môžu stratiť alebo absorbovať energiu len v častiach, ktoré sú väčšie ako zakázaný pás - pri nízkych rýchlostiach pohybu Cooperovho páru je to takmer nemožný proces. Dochádza k nedisipatívnemu (bez straty energie) pohybu vodivých elektrónov cez kryštálovú mriežku – ide o supravodivosť. Dodajme, že takáto medzera nie je totožná s zakázaným pásmom v polovodičoch a dielektrikách, vďaka čomu vodivosť úplne mizne alebo klesá s teplotou. Dielektriká alebo polovodiče nemajú v bandgape žiadnu úroveň s Cooperovými pármi a samotná vodivosť môže vzniknúť (o supravodivosti ani nehovoriac), ak elektrón dokáže získať energiu na „skočenie“ cez bariéru.
V tejto fáze stojí za to urobiť malé objasnenie. Takmer žiadny vedec nepochybuje o tom, že supravodivý prúd vzniká v dôsledku vytvárania Cooperových párov alebo iných Boseových častíc a ich kondenzácie na rovnakej energetickej úrovni. Vznikajú spory o Ako presne tieto častice Bose vznikajú?. BCS teória navrhuje interakciu elektrón-fonón ako taký mechanizmus. Ale prečo na to „nepoužiť“ iné kvázičastice? O tom je náš ďalší príbeh.
Príbeh druhý: Magnons
Supravodič: ZrZn 2 a ďalšie.
Mechanizmus: vznik tripletových Cooperových párov v dôsledku fenoménu feromagnetizmu putujúcich elektrónov.
článok: C. Pfleiderer a kol. al Koexistencia supravodivosti a feromagnetizmu v kove d-pásma ZrZn 2 / Nature 412, 58-61 (2001).
D. Fay a J. Appel Koexistencia supravodivosti v p-stave a putovného feromagnetizmu / Phys. Rev. B 22, 3173 (1980).
Izbová teplota, paramagnetický kov.
Elektrón v pevnej látke je vystavený silám Coulombovho odpudzovania iných elektrónov, príťažlivosti iónov kryštálovej mriežky, ako aj silám výmenná interakcia medzi elektrónmi. Tie majú čisto kvantovú povahu a sú spôsobené prítomnosťou elektrónov späť- vnútorný moment hybnosti, nadobúdajúci hodnoty ± ½. Sú to výmenné interakcie, ktoré najčastejšie spôsobujú magnetické usporiadanie v materiáloch - triedu javov známych ako fero-, ferri- a antiferomagnetizmus. V mnohých prípadoch sa tieto javy vyskytujú, keď látka nie je vodičom, teda elektróny v nej lokalizované alebo „pripojený“ k určitému iónu. Tento príbeh je o feromagnetizme. kolektivizované elektróny, to znamená „mobilné“ - zodpovedné za vodivosť.
Feromagnetická teplota usporiadania, feromagnetický kov. Výmenná interakcia elektrónov vo vodiči môže v niektorých prípadoch viesť k tomu, že rotácie elektrónov, chaoticky „lietajúce“ tam a späť v bežnom vodiči, sa zrazu začnú „dívať“ rovnakým smerom. V zásade podobnú situáciu možno pozorovať aj v bežiacom dave vystrašených ľudí. Jednotlivec v dave môže bežať úplne chaotickým smerom, narážať na iných ľudí, steny a ploty, čo spôsobuje efekt podobný odporu v bežných kovoch. Zároveň však s najväčšou pravdepodobnosťou väčšina ľudí bude bežať nohami, nie rukami, takže ich „chrbát“ - smer od nôh k hlave - sa bude zhodovať. Ak je teda teplota (priemerná rýchlosť ľudí v dave) dostatočne nízka, väčšina rotácií elektrónov bude prebiehať rovnakým smerom a materiálom bude feromagnetický kov.
Kritická teplota supravodivého prechodu, feromagnet-supravodič. Napriek skutočnosti, že spiny jednotlivých elektrónov sú ko-smerné, nie sú pevne fixované v určitom smere. Môžu kmitať, prevracať sa a porušovať prísny poriadok. Ak sa však odchýli od všeobecného smeru, konkrétny spin prinúti susedné elektróny, aby „narušili pokoj“, a oni sa ho zase pokúsia vrátiť do pôvodného stavu. K tomu dochádza v dôsledku skutočnosti, že vo feromagnetiku sú elektróny energeticky priaznivé majú kosmerné spiny, pretože sú vzájomne prepojené energiou výmennej interakcie. Kvôli tomuto energetickému zisku začína pri nízkych teplotách medzi elektrónmi vznikať niečo podobné ako príťažlivosť – spájajú sa do párov. Ale na rozdiel od „fonónového“ supravodiča celkový spin tohto páru nie je nula, ale jedna, pretože rotácie sú spoluriadené. Tento jav sa nazýva trojčatá supravodivosť. A nazývajú sa „problémoví“, ktorí dokážu otáčať a šíriť neporiadok na susedné elektróny Magnons. Práve magnóny pomáhajú spájať elektróny do párov počas supravodivého prechodu.
Príbeh tretí: excitóny
Supravodič: umelé materiály pozostávajúce z niekoľkých usporiadaných vrstiev dielektrika a polovodičov, pričom každá vrstva má hrúbku takmer jeden atóm.
Mechanizmus: Bose-Einsteinova kondenzácia nepriamych excitónov.
články : J. P. Eisenstein, A. H. MacDonald Bose-Einsteinova kondenzácia excitónov v dvojvrstvových elektrónových systémoch / Nature 432, 691-694 (9. december 2004).
M. M. Fogler, L. V. Butov & K. S. Novoselov Vysokoteplotná supratekutina s nepriamymi excitónmi v van der Waalsových heteroštruktúrach / Nature Communications 5, 4555 (2014).
Izbová teplota, žiadna supravodivosť. Zdrojový materiál je umelá „hromada“ monatomických vrstiev dielektrika (materiály, ktoré nevedú prúd) a polovodičov (ktoré vedú prúd, ale horšie ako skutočné vodiče). Aby sa v polovodiči objavil prúd, elektróny musia dostať dostatok energie na to, aby cez ne „preskočili“. zakázaná zóna. Keď elektrón „skočí“ a stane sa vodivým, to, čo zostane na svojom mieste, je diera, alebo, jednoducho povedané, neprítomnosť elektrónu. Elektrón + diera = exciton. Je pravda, že na to, aby z elektrónu a diery vznikol excitón, musia byť navzájom spojené, to znamená, že musia mať o niečo menšiu energiu, ako je celková energia jednotlivých častíc - iba v tomto prípade sa pohybujú materiálom v koordinovaným spôsobom. V opačnom prípade môže napríklad „ľahký“ elektrón jednoducho „odletieť“ a „nemotorná“ diera s ním nebude môcť držať krok.
Teplota je nad kritickou, pod izbovou teplotou, nie je supravodivosť. Ak by v takomto viacvrstvovom materiáli mohli existovať len obyčajné excitóny (šíriace sa vo vnútri polovodičovej vrstvy), nebola by nádej na žiadnu supravodivosť. Ale vrstvy dielektrika a polovodiča sú v ňom umiestnené nenáhodným spôsobom. Predstavujú „hamburger“, v ktorom je kotleta nevodivé dielektrikum a dve vrstvy chleba sú polovodiče s voľnými elektrónmi, dierami a „nevoľnými“ excitónmi. Môže vzniknúť taký „burger“. nepriame excitóny. Na to je potrebné, aby elektrón zo spodného kúska „chleba“ preletel cez „rezeň“, uviazol v hornom kúsku a zostal pripojený k jeho otvoru zo spodného kúska „chleba“. Tak je možné vytvoriť podmienky, pri ktorých sa v jednej vrstve polovodičového chleba zbierajú prevažne elektróny a v druhej vrstve diery. Potom vrstva dielektrických rezňov zabráni návratu elektrónu na pôvodné miesto a vytvorí energetickú bariéru. To znamená, že na to, aby elektrón skočil späť, potrebuje vynaložiť ďalšiu energiu.
Kritická teplota Bose-Einsteinovej kondenzácie, vznik supravodivosti. Excitón má nulový spin, čo znamená, že ide o bozón. Tak môžu excitóny vytvárať Boseho kondenzát, rovnako ako Cooperove páry. Na druhej strane, náboj Cooperovho páru sa rovná dvom nábojom elektrónu, ale náboj excitónu je nulový. Pohyb nulových nábojov nemôže vytvoriť prúd, takže odkiaľ pochádza vodivosť a dokonca aj s predponou super-? Tie isté nepriame excitóny s tým pomôžu. S ich pomocou sa excitónový náboj rozdelí na dve časti a negatívne elektróny budú patriť do jednej vrstvy polovodiča a kladné diery do druhej. Teraz môžete „spájkovať“ vodivé kontakty napríklad na hornú vrstvu polovodičového chleba a priviesť na ne napätie - elektróny hornej vrstvy sa začnú pohybovať a s nimi sa začnú pohybovať aj otvory zo spodnej vrstvy, vytváranie prúdov v opačných smeroch. Ak znížite teplotu natoľko, že excitóny kondenzujú na rovnakej energetickej úrovni, budú sa pohybovať materiálom bez straty energie. Supravodivosť - dierová alebo elektronická - bude pozorovaná v každej vrstve polovodiča.
Pod kritickou teplotou, supravodič. Tento spôsob vytvárania umelej supravodivosti má svoje nevýhody. Napríklad elektróny sa v dôsledku tohto javu budú stále vracať do dier tunelovanie. V tomto prípade excitóny „zmiznú“ (fyzici tento proces nazývajú rekombinácia) a celková vodivosť klesá. Navyše samotná tvorba takýchto excitónov vyžaduje energiu, pretože elektrón musí byť „vrhnutý“ cez bariéru vytvorenú dielektrikom. S klesajúcou teplotou je ťažšie vytvárať nové excitóny, takže ťažko povedať, či takýto umelý „burger“ z polovodičov a dielektrík niekedy dokáže nahradiť skutočný supravodič.
Stojí za zmienku, že okrem umelého „excitónového supravodiča“, o ktorom sme hovorili v predchádzajúcom príbehu, existuje aj pojem „mechanizmus excitónovej supravodivosti“ a tieto javy nie sú úplne rovnaké. Vo vyššie uvedenom príklade v podstate neexistujú žiadne Cooperove páry. Mechanizmus excitónu je podobný fonónovému mechanizmu z teórie BCS, len spojovacím článkom medzi dvoma elektrónmi Cooperovho páru v ňom nie sú fonóny, ale excitóny v stave Boseho kondenzátu. V oboch mechanizmoch takéto spojenie vedie k tomu, že sa zdá, že negatívne nabité elektróny sa navzájom priťahujú (hoci by sa podľa Coulombovho zákona mali odpudzovať). V skutočnosti sú oba elektróny priťahované do oblasti dočasného kladného náboja vytvoreného fonónmi alebo excitónmi. Navyše, keďže sa excitóny ľahšie „vytvárajú“, predpokladá sa, že takýto mechanizmus môže vysvetliť vysoké hodnoty kritickej teploty pre niektoré materiály.
Príbeh štvrtý: kolísanie
Supravodič:
selenid železa FeSe a ďalšie.
Mechanizmus: fluktuácie spinu v zlúčeninách obsahujúcich ióny s nenulovým magnetickým momentom, kombinované s nematickým štruktúrnym fázovým prechodom.
Článok : Qisi Wang a kol. al Silná súhra medzi kolísaním spinu pruhov, nematicitou a supravodivosťou vo FeSe / Nature Materials, 15, 159–163 (2015).
Fa Wang, Steven A. Kivelson & Dung-Hai Lee Nematicita a kvantový paramagnetizmus vo FeSe / Nature Physics 11, 959–963 (2015).
Izbová teplota, paramagnetické. Tento mechanizmus je možný len vtedy, ak materiál obsahuje ióny s nenulovým magnetickým momentom – to znamená, že celk točiť(kvantová charakteristika - vnútorný moment hybnosti) lokalizovaných elektrónov v ióne sa nerovná nule. Takéto materiály patria medzi paramagnety. Magnetické momenty sa môžu navzájom ovplyvňovať a byť usporiadané, čo je dôvod, prečo mnohé materiály vykazujú fero-, antiferomagnetické vlastnosti a ďalšie exotickejšie možnosti. Pri izbovej teplote tepelné vibrácie mriežkových iónov interferujú s usporiadaním magnetických momentov, ktoré vibrujú takmer chaoticky - látka zostáva paramagnetická.
Pod izbovou teplotou, paramagnetické. S poklesom teploty oscilácie slabnú a magnetické interakcie sa naopak začínajú zintenzívňovať. Magnetické momenty teraz oscilujú dôslednejšie, snažiac sa nájsť „priaznivú“ polohu, ale kvôli symetrii kryštálovej mriežky (tetragonálnej, teda pravouhlého rovnobežnostena s a = b ≠ c) neexistuje jediný stav s minimom energie. Na zníženie energie začínajú magnetické momenty umiestnené v štvorcovej mriežke zoradiť do reťaze- ich prevládajúci pohyb nastáva okolo určitého smeru.
Nematický fázový prechod, paramagnetický. Spin výkyvy(vibrácie) teraz významne prispievajú v porovnaní s vibráciami mriežkových iónov. „Pokusy“ rotácií zoradiť sa do reťazca nakoniec začnú ovplyvňovať kryštálovú mriežku, čím sa znižuje jej symetria (teraz a ≠ b ≠ c - ortorombická). Nastáva zmena fázy nematický prechod (takto sa nazýva prechod s podobným poklesom symetrie kryštálovej mriežky). To zase ďalej zvyšuje anizotropiu spinových vibrácií, ktoré sa nakoniec zoradia do reťazcov. Úplne magnetické usporiadanie sa však nevyskytuje, pretože reťazce sa nemôžu „zafixovať“ v žiadnej konkrétnej polohe, pretože takýto stav nie je stabilný.
Nematická fáza, paramagnetická. Fluktuácie rotácie sú „mladší bratia“ magnónov (magnóny sú fluktuácie rotácie v usporiadaných magnetoch). Spravidla „pokusy spinov“ zoradiť sa v určitom smere nakoniec vedú k magnetickému fázovému prechodu a látka sa stáva napríklad antiferomagnetom. V niektorých materiáloch je to však brzdené vibráciami iónov kryštálovej mriežky. Práve tieto materiály sú kandidátmi na supravodiče.
Kritická teplota supravodivého prechodu. Keď sa blíži teplota supravodivého prechodu, energia fluktuácií rotácie sa stáva porovnateľnou s vibráciami mriežky. Magnetický poriadok nikdy nemá čas na vytvorenie, ale konzistentné správanie elektrónov v dôsledku fluktuácií rotácie obmedzuje „zoznam“ možných stavov elektrónov. To vedie k vzniku medzery v elektronickom spektre a magnetický prechod je „nahradený“ supravodivým. Kolísanie spinu spolu s vibráciami kryštálovej mriežky a zmenami jej symetrie teda v konečnom dôsledku vedú k ďalšej ceste pre vznik Cooperových párov.
/ Phys. Rev. Lett. 101, 026406 (2008).
S. V. Borisenko et. al Priame pozorovanie spin-orbitálneho spojenia v supravodičoch na báze železa / Nature Physics, 12, 311–317 (2015).
Od izbovej teploty po kritickú. Interakcia spin-orbita ovplyvňuje elektronické spektrum, čím interferuje s vodivými vlastnosťami. Tento jav – interakcia medzi pohybujúcim sa elektrónom a jeho vlastným spinom – sa najsilnejšie prejavuje pri vysokých rýchlostiach pohybu elektrónov (v kvantovej fyzike používajú pojem hybnosť), čiže ide o relativistický efekt. Ovplyvňuje elektronické vlastnosti všetkých zlúčenín, ale jeho prínos je tým väčší, čím vyššie je atómové číslo v periodickej tabuľke, pretože „rýchlosti“ pohybu elektrónov pri vyšších energetických hladinách sú oveľa vyššie. V LiFeAs a iných supravodivých arzenidoch železa je príspevok interakcie spin-orbita dostatočný na výrazné ovplyvnenie elektronickej štruktúry. Predstavte si, že držíte v rukách plastelínovú guľu. Vplyv interakcie spin-orbita na elektronickú štruktúru si potom možno predstaviť, ako keby ste na tejto guľôčke vytvárali prstami preliačiny a vydutiny, čím by ste narušili jej pôvodný tvar.
Na záver môžeme povedať, že naše príbehy uvádzajú len niekoľko možných procesov, ktoré v konečnom dôsledku vedú k supravodivosti. Všetky, vrátane klasického elektrón-fonónového mechanizmu, je možné kombinovať v jednom materiáli, alebo jeden z nich bude hlavný pre konkrétnu látku. Možno sú všetky tieto početné a zložité mechanizmy len súčasťou nejakého globálneho fyzikálneho zákona, ktorý vedci ešte musia objaviť. Ale môže sa tiež ukázať, že príroda je oveľa zložitejšia a mnohostrannejšia, ako si vieme predstaviť, a jednoducho neexistuje jediný zákon supravodivosti.
Jekaterina Kozľaková
Telesná teplota- ukazovateľ tepelného stavu ľudského tela alebo iného živého organizmu, ktorý odráža vzťah medzi tvorbou tepla rôznych orgánov a tkanív a výmenou tepla medzi nimi a vonkajším prostredím.
Telesná teplota závisí od:
- Vek;
- čas dňa;
— vplyv životného prostredia na telo;
- zdravotný stav;
- tehotenstvo;
— vlastnosti tela;
— ďalšie faktory, ktoré ešte neboli objasnené.
Druhy telesnej teploty
V závislosti od údajov teplomera sa rozlišujú tieto typy telesnej teploty:
— menej ako 35 °C;
— 35 °С — 37 °С;
— Nízka telesná teplota: 37 °C - 38 °C;
— Febrilná telesná teplota: 38 °C - 39 °C;
— Pyretická telesná teplota: 39 ° С - 41 ° С;
— Hyperpyretická telesná teplota: nad 41°C.
Podľa inej klasifikácie sa rozlišujú tieto typy telesnej teploty (stav tela):
— Podchladenie. Telesná teplota klesne pod 35 ° C;
— Normálna teplota. Telesná teplota sa pohybuje od 35°C do 37°C (v závislosti od stavu tela, veku, pohlavia, okamihu merania a iných faktorov);
— Hypertermia. Telesná teplota stúpa nad 37 ° C;
— Horúčka. Zvýšenie telesnej teploty, ktoré na rozdiel od hypotermie nastáva pri zachovaní termoregulačných mechanizmov tela.
Nízka telesná teplota je menej častá ako vysoká alebo vysoká telesná teplota, no napriek tomu je aj dosť nebezpečná pre ľudský život. Ak telesná teplota klesne na 27°C alebo nižšie, existuje šanca, že človek upadne do kómy, aj keď sa vyskytli prípady, kedy ľudia prežili pri teplotách až 16°C.
Teplota sa považuje za nízku pre dospelého zdravého človeka pod 36,0 °C. V ostatných prípadoch by sa mala za nízku teplotu považovať teplota, ktorá je o 0,5 °C – 1,5 °C nižšia ako vaša normálna teplota.
Telesná teplota sa považuje za nízku ktorá je o viac ako 1,5 °C nižšia ako vaša normálna telesná teplota, alebo ak vaša teplota klesne pod 35 °C (podchladenie). V tomto prípade musíte naliehavo zavolať lekára.
Dôvody nízkej teploty:
- slabá imunita;
- ťažká hypotermia;
- dôsledok choroby;
- ochorenie štítnej žľazy;
- lieky;
- znížený hemoglobín;
- hormonálna nerovnováha
- vnútorné krvácanie;
- otrava
- únava atď.
Hlavnými a najčastejšími príznakmi nízkej teploty sú strata pevnosti a.
Normálna telesná teplota, ako poznamenávajú mnohí odborníci, závisí najmä od veku a dennej doby.
Uvažujme hodnoty hornej hranice normálnej telesnej teploty u ľudí rôzneho veku, ak sa meria pod pažou:
— Normálna teplota u novorodencov: 36,8 °C;
— Normálna teplota u 6-mesačných detí: 37,4 °C;
— Normálna teplota u detí vo veku 1 roka: 37,4 °C;
— Normálna teplota u 3-ročných detí: 37,4 °C;
— Normálna teplota u 6-ročných detí: 37,0 °C;
— Normálna teplota u dospelých: 36,8 °C;
— Normálna teplota pre dospelých nad 65 rokov: 36,3 °C;
Ak meriate teplotu mimo podpazušia, hodnoty teplomera (teplomeru) sa budú líšiť:
- v ústach - o 0,3-0,6 ° C viac;
- v ušnej dutine - viac o 0,6-1,2 ° C;
- v konečníku - viac o 0,6-1,2°C.
Stojí za zmienku, že vyššie uvedené údaje sú založené na štúdii 90% pacientov, ale zároveň 10% má telesnú teplotu, ktorá sa líši hore alebo dole, a zároveň sú absolútne zdraví. V takýchto prípadoch je to aj pre nich normou.
Vo všeobecnosti sú výkyvy teploty nahor alebo nadol od normy o viac ako 0,5-1,5 ° C reakciou na akékoľvek poruchy vo fungovaní tela. Inými slovami, je to znak toho, že telo chorobu rozpoznalo a začalo s ňou bojovať.
Ak chcete poznať presný ukazovateľ vašej normálnej teploty, poraďte sa so svojím lekárom. Ak to nie je možné, urobte to sami. Aby ste to dosiahli, musíte vykonať meranie teploty počas niekoľkých dní, keď sa cítite skvele, ráno, popoludní a večer. Zapíšte si hodnoty teplomera do notebooku. Potom samostatne spočítajte všetky ukazovatele ranných, popoludňajších a večerných meraní a vydeľte súčet počtom meraní. Priemerná hodnota bude vaša normálna teplota.
Zvýšená a vysoká telesná teplota je rozdelená do 4 typov:
— Subfebril: 37 °C - 38 °C.
— Horúčka: 38 °C - 39 °C.
— Pyretický: 39 °C - 41 °C.
— Hyperpyretikum: nad 41°C.
Maximálna telesná teplota, ktorá sa považuje za kritickú, t.j. pri ktorej človek zomrie, je 42°C. Je to nebezpečné, pretože metabolizmus v mozgovom tkanive je narušený, čo prakticky zabíja celé telo.
Dôvody vysokej teploty môže určiť iba lekár. Najčastejšími príčinami sú vírusy, baktérie a iné cudzie mikroorganizmy, ktoré vstupujú do tela popáleninami, rozrušením, kvapôčkami vo vzduchu atď.
Príznaky horúčky a horúčky
— Teplota ľudského tela (orálna teplota) bola prvýkrát meraná v Nemecku v roku 1851 pomocou jedného z prvých ortuťových teplomerov, ktoré sa objavili.
- Najnižšia telesná teplota na svete 14,2 °C bola zaznamenaná 23. februára 1994 u 2-ročného kanadského dievčatka, ktoré strávilo 6 hodín v mraze.
- Najvyššiu telesnú teplotu zaznamenali 10. júla 1980 v nemocnici v americkej Atlante u 52-ročného Willieho Jonesa, ktorý utrpel úpal. Jeho teplota vyšla na 46,5 °C. Pacient bol prepustený z nemocnice po 24 dňoch.
