Alhaisten lämpötilojen fysiikka

Matalan lämpötilan  fysiikka on fysiikan haara, joka tutkii järjestelmien fysikaalisia ominaisuuksia alhaisissa lämpötiloissa. Tämä osio käsittelee erityisesti sellaisia ​​ilmiöitä kuin suprajohtavuus ja superfluiditeetti . Matalan lämpötilan fysiikka tutkii fysikaalisia prosesseja, jotka tapahtuvat erittäin matalissa lämpötiloissa, aina absoluuttiseen nollaan asti, käsittelee materiaalien ominaisuuksien tutkimusta näissä matalissa ja erittäin matalissa lämpötiloissa ja liittyy siten moniin tieteen ja teknologian alueisiin. [yksi]

Menetelmät alhaisten lämpötilojen saavuttamiseksi

Nesteiden haihtuminen

Nesteytettyjä kaasuja käytetään yleisesti alhaisten lämpötilojen saavuttamiseen ja ylläpitämiseen . Dewar - astiassa , joka sisältää ilmakehän paineessa haihtuvaa nesteytettyä kaasua, kylmäaineen normaalin kiehumisen vakiolämpötila säilyy hyvin. Yleisimmin käytetyt kylmäaineet ovat nestemäinen typpi ja nestemäinen helium . Aiemmin käytettyä nesteytettyä vetyä ja happea käytetään nykyään melko harvoin höyryjen lisääntyneen räjähdysherkkyyden vuoksi. Typpi ja helium ovat käytännössä inerttejä, ja ainoa vaara on jyrkkä laajeneminen siirtymisen aikana nestemäisestä tilasta kaasumaiseen.

Alentamalla painetta nesteen vapaan pinnan yläpuolella on mahdollista saavuttaa lämpötila, joka on tämän nesteen normaalin kiehumispisteen alapuolella. Esimerkiksi pumppaamalla ulos typpihöyryä voidaan saavuttaa lämpötiloja jopa 63 K:n kolmoispistelämpötilaan asti, vetyhöyryä pumppaamalla (kiinteän faasin yläpuolella) voidaan saavuttaa 10 K lämpötiloja, heliumhöyryä pumppaamalla lämpötiloja. noin 0,7 K voidaan saavuttaa (erittäin hyvissä koeolosuhteissa).

Kuristus

Virtattaessa putkilinjan kulkukanavan supistuksen - kuristimen tai huokoisen väliseinän läpi, kaasun tai höyryn paine laskee ja sen lämpötila laskee. Kuristusvaikutusta käytetään pääasiassa kaasujen syväjäähdyttämiseen ja nesteyttämiseen.

Joule-Thomson-prosessin seurauksena tapahtuvan pienen paineen muutoksen lämpötilan muutos määräytyy derivaatalla , jota kutsutaan Joule-Thomson-kertoimeksi.

Laajennus ulkopuolisilla töillä

Voit jäähdyttää kaasua paisuntalaitteella - laitteella kaasun lisäjäähdyttämiseen vapauttamalla se paineen alaisena sylinteriin, jossa on mäntä, joka liikkuu voimalla. Kaasu toimii ja jäähtyy. Sitä käytetään nestemäisen heliumin tuotantosyklissä.

Jos käytät turbiinia männän sijasta, saat turbon laajentimen, jonka toimintaperiaate on samanlainen.

Adiabaattinen demagnetointi

Menetelmä perustuu paramagneettisista suoloista vapautuvan lämmön vaikutukseen niiden magnetoinnin aikana ja sitä seuraavaan lämmön absorptioon niiden demagnetoinnin aikana. Tämä mahdollistaa 0,001 K:n lämpötilojen saavuttamisen. Hyvin alhaisiin lämpötiloihin soveltuvat suolat, joissa on alhainen paramagneettisten ionien pitoisuus, eli suolat, joissa viereiset paramagneettiset ionit on erotettu toisistaan ​​ei-magneettisilla atomeilla. .

Peltier-efekti

Peltier-ilmiötä käytetään lämpösähköisissä jäähdytyslaitteissa. Se perustuu puolijohteiden liitoskohtien lämpötilan alentamiseen, kun tasavirta kulkee niiden läpi. Vapautuvan lämmön määrä ja sen etumerkki riippuvat kosketuksissa olevien aineiden tyypistä, virran voimakkuudesta ja virran kulkuajasta, eli vapautuvan lämmön määrä on verrannollinen koskettimen läpi kulkeneeseen varauksen määrään.

Liukenemiskryostaatti

Jäähdytysprosessissa käytetään kahden heliumisotoopin seosta : 3 He ja 4 He . Jäähdytettynä alle 700 mK:n lämpötilaan seoksessa tapahtuu spontaani faasierottuminen , jolloin muodostuu 3 He-rikasta ja 4 He-rikasta faasia. 3 He/ 4 He -seos nesteytetään lauhduttimessa , joka on kytketty kuristimen kautta sekoituskammion 3 He -rikkaaseen alueeseen. Vaiherajan läpi kulkevat 3 He- atomit ottavat energiaa järjestelmästä. Jatkuvan syklin laimennusjääkaappeja käytetään yleisesti matalan lämpötilan fysikaalisissa kokeissa.

Matalien lämpötilojen mittaus

Ensisijainen lämpömittari termodynaamisen lämpötilan mittaamiseen 1 K asti on kaasulämpömittari . Käytetään resistanssilämpömittareita ( platina  - tarkkuusmittauksiin, kupari , hiili ).

Lämpöpareja , puolijohdediodeja voidaan käyttää toissijaisina lämpömittareina  - ne vaativat kuitenkin kalibroinnin. Lämpömetrian analogi kylläisen höyryn paineen suhteen ultramatalien lämpötilojen alueella on lämpötilan mittaus alueella 30–100 mK käyttämällä osmoottista painetta ³He seoksessa ³He- 4 He.

Matalan lämpötilan fysiikan historia

Matalan lämpötilan fysiikan kehityksen päävaiheet liittyivät kaasujen nesteyttämiseen, mikä mahdollisti mittausten suorittamisen kiehumispistettä vastaavassa lämpötilassa.

• Vuonna 1852 James Joule ja William Thomson löysivät Joule-Thomson-ilmiön .
• Vuonna 1883 Sigismund Wroblewski ja Karol Olszewski saivat ensimmäisinä nestemäistä happea ja nestemäistä typpeä mitattavissa määrin.
• Vuonna 1898 James Dewar sai noin 20 cm³ nestemäistä vetyä .
• Vuonna 1908 Heike Kamerling-Onnes onnistui saamaan 60 cm³ nestemäistä heliumia . Heliumkondensaatioon vaadittavat alhaiset lämpötilat saavutettiin adiabaattisesti kuristamalla vetyä.
• Vuonna 1913 Heike Kamerling-Onnes sai Nobelin fysiikan palkinnon nestemäisen heliumin hankkimisesta .
• Vuonna 1925 Albert Einstein ennusti teoreettisesti Bose-Einstein-kondensaatin olemassaolon kvanttimekaniikan lakien seurauksena Shatyendranath Bosen työhön perustuen .
• Vuonna 1926 Willem Hendrik Keesom pystyi saamaan 1 cm³ kiinteää heliumia käyttämällä paitsi matalaa lämpötilaa myös korkeaa painetta.
• Vuonna 1930 [2] Willem Hendrik Keesom havaitsi faasisiirtymän esiintymisen nestemäisessä heliumissa lämpötilassa 2,17 K ja kyllästyshöyryn paineessa 0,005 MPa. Nimeä faasin stabiilin 2,17 K helium-I:n yläpuolella ja faasin stabiilin alle 2,17 K helium-II:n. Hän havaitsee myös niihin liittyviä poikkeavuuksia lämmönjohtavuudessa (hän ​​jopa kutsuu helium-II:ta "supertermiseksi johtavaksi"), lämpökapasiteetissa ja heliumin juoksevuudessa.
• Vuonna 1938 P. L. Kapitsa löysi helium-II:n superfluiditeetin .
• Vuonna 1941 kvanttimekaanisen selityksen superfluiditeetin ilmiölle antoi L. D. Landau .
• Vuonna 1948 helium-3 myös nesteytettiin ensimmäistä kertaa .[ kenelle? ]
• Vuonna 1962 L. D. Landau sai Nobelin fysiikan palkinnon .
• Vuonna 1972 faasisiirtymä supernestetilaan löydettiin myös nesteestä 3 He. Myöhemmin kokeellisesti osoitettiin, että alle 2,6 mK ja paineessa 34 atm , 3 He todella muuttuu supernesteiseksi.
• Vuonna 1978 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin Pjotr ​​Kapitsalle , Arno Allan Penziasille ja Robert Woodrow Wilsonille superfluiditeetin ilmiön löytämisestä .
• Vuonna 1995 Bose-Einstein-kondensaatin hankkivat ensimmäisen kerran Eric Cornell ja Karl Wiman . Tutkijat käyttivät rubidiumatomien kaasua , joka oli jäähdytetty 170 nanokelviniin .
• Vuonna 1996 D. Osherov , R. Richardson ja D. Lee saivat fysiikan Nobelin palkinnon helium-3:n superfluiditeetin löytämisestä .
• Vuonna 2001 Eric Cornell , Karl Wieman ja Wolfgang Ketterle saivat fysiikan Nobel-palkinnon Bose-Einstein-kondensaatin hankkimisesta .
• Vuonna 2003 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin Aleksei Alekseevich Abrikosoville , Vitaly Lazarevitš Ginzburgille ja Anthony Leggettille , muun muassa nestemäisen helium-3:n superfluiditeettiteorian luomisesta.
• Vuonna 2004 ilmoitettiin superfluiditeetin löytämisestä kiinteässä heliumissa. Tämä väite perustui vääntöheilurin hitausmomentin odottamattoman pienenemisen vaikutukseen kiinteän heliumin kanssa. Kuitenkin seuraavina vuosina riippumattomien kokeiden tulokset eivät voineet vahvistaa tätä löytöä. Kiinteän heliumin superfluiditeetin tilanne pysyi epäselvänä vuoteen 2012 asti , jolloin osoitettiin, että tulkinta löydetystä vaikutuksesta kiinteän heliumin siirtymisenä supernestetilaan oli virheellinen.

Erikoisala VAK

"Mataloiden lämpötilojen fysiikka" (erikoisuuskoodi 01.04.09) on perustieteen ala, joka tutkii absoluuttisen nollan lähellä oleville lämpötiloille ominaisia ​​fysikaalisia ilmiöitä ja aineen tiloja . Sisältää teoreettisia ja kokeellisia tutkimuksia kvanttiperustilassa olevan aineen rakenteesta ja ominaisuuksista sekä erilaisten alkuaineviritteiden fysikaalisesta luonteesta ja ominaisuuksista sekä kvanttiyhteistoiminnallisista ilmiöistä, kuten superfluiditeetista , suprajohtavuudesta , Bose-kondensaatiosta , magneettisesta, varauksesta ja muista tilaaminen. [3] Higher Atestation Commissionin "Mataloiden lämpötilojen fysiikka" erikoisalan passissa on seuraavat opinnot:

1. Kvanttinesteet ja -kiteet .
2. Suprajohtavat järjestelmät, mukaan lukien korkean lämpötilan suprajohteet .
3. Kvanttikaasut, Bose-Einstein-kondensaatit.
4. Voimakkaasti korreloivat elektroniset ja fononijärjestelmät.
5. Matalan lämpötilan magnetismi: magneettiset rakenteet, vaihemuutokset, magneettinen resonanssi.
6. Pieniulotteiset kvanttijärjestelmät ja järjestelmät, joissa on häiriö.
7. mesoskooppiset järjestelmät.
8. Aineen mekaanisten, sähköisten, magneettisten, optisten, termisten ja muiden fysikaalisten ominaisuuksien tutkimus alhaisissa lämpötiloissa.
9. Menetelmien kehittäminen matalien ja ultramatalien lämpötilojen saamiseksi ja mittaamiseksi.

Tieteelliset lehdet

• Matalajen lämpötilojen fysiikka, Physical-Technical Institute of Low Temperatures. B. I. Verkina Ukrainan kansallinen tiedeakatemia [4]

Katso myös

• kryogeniikkaa

Muistiinpanot

1. ↑ Matalien lämpötilojen fysiikka. Lyhyt historiallinen katsaus.  (linkki ei saatavilla)
2. ↑ Tiede ja teknologia: fysiikka/SUPERJUOKSUUS . Käyttöpäivä: 30. toukokuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 17. joulukuuta 2009. (määrätön)
3. ↑ Erikoisalan passi VAK . Haettu 30. toukokuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 18. syyskuuta 2010. (määrätön)
4. ↑ Low Temperature Physics Journal . Haettu 30. toukokuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 1. kesäkuuta 2010. (määrätön)