Факультет

Студентам

Посетителям

Получение свехрнизких температур

Для исследовательской практики последних лет характерно все более интенсивное развитие физики низких температур.

В научно-исследовательских институтах, лабораториях, на некоторых фабриках и заводах создаются установки для получения глубокого холода; причем число их и мощность постоянно увеличиваются. В последние годы создано более сотни новых лабораторий, в которых при низких температурах исследуются свойства металлов, полупроводников, магнитные свойства тел, ядерные явления. Что же привлекает исследователей и практиков столь широкого круга специальностей к этим температурам?

Чтобы ответить на этот вопрос, в первую очередь вспомним, что мы связываем с понятием температуры тела. Хорошо известно, что атомы и молекулы, из которых состоят тела, находятся в беспорядочном хаотическом движении. Кинетическая энергия этого движения и определяется температурой тела. Чем выше температура тела, тем больше энергия. Понижая температуру тела, мы уменьшаем хаотическое движение частиц, переходим в область малых энергий теплового движения.

Однако нельзя беспредельно уменьшать внутреннюю энергию тела. Существует состояние тела, соответствующее минимальной внутренней энергии, или, что то же самое, предельно низкой температуре, до которой тело может быть охлаждено. Дальнейшее уменьшение температуры тела (его внутренней энергии) невозможно. Находится этот предел при —273,16° С. Этот предел температур называют абсолютным нулем, как и температуру, отсчитанную от абсолютного нуля, называют «абсолютной»; ее обозначают °К (градус Кельвина). Температуры, лежащие в непосредственной близости от абсолютного нуля, называют низкими.

Таким образом, в области низких температур мы встречаемся с состоянием вещества, в котором кинетическая энергия беспорядочного движения значительно уменьшена. Это уменьшение энергии способствует проявлению новых, подчас неожиданных свойств тела. Дело в том, что между частицами, из которых состоят окружающие нас тела, действуют самые разнообразные по своей природе силы взаимодействия. При высоких температурах, пока энергия теплового движения много больше энергии взаимодействия, их наличие незаметно, как, например, мы обычно не замечаем сил притяжения между молекулами воздуха.

Однако, понижая температуру, можно достигнуть такого состояния, когда уменьшившееся беспорядочное движение уже не сможет препятствовать проявлению сил взаимодействия, не сможет разорвать связи между отдельными частицами. Возникнет новое состояние вещества, например, при 80° К (—193° С) произойдет сжижение воздуха. Возможность получить вещество в новом состоянии, возможность исследовать и использовать возникающие при этом новые свойства тел и привлекает исследователей к области низких температур. При этом чем слабее взаимодействие, вызвавшее появление нового свойства вещества, тем при более низких температурах это свойство лучше может быть обнаружено, исследовано и наконец использовано.

Обратимся для примера к магнитным силам взаимодействия. Атомы некоторых металлов (железа, никеля, кобальта, марганца, хрома и т. п.), в силу особого строения электронной оболочки атома, обладают магнитным моментом; они являются как бы маленькими магнитиками. Между этими магнитиками в веществе тоже действуют силы взаимодействия. Эти силы стремятся установить порядок, регулярность в расположении магнитиков. Однако при высоких температурах беспорядочное тепловое движение разрушает этот порядок и магнитики располагаются хаотически. Вещество с таким расположением магнитиков называют парамагнетиком.

Иначе обстоит дело при низких температурах. Как только при понижении температуры энергия теплового движения настолько уменьшится, что станет меньше энергии взаимодействия, в расположении магнитиков установится порядок (регулярность). При этом ближайшие магнитики повернутся либо в одну сторону, либо в противоположные стороны. В первом случае в веществе возникнет суммарный магнитный момент — эти вещества называют ферромагнитиками. Во втором, хотя все магнитики и располагаются регулярным образом, — суммарный магнитный момент не появится; такие вещества называют антиферромагнитиками. Температура, при которой происходит этот переход в упорядоченное состояние, находится в прямой зависимости от сил взаимодействия между этими магнитиками. Чем больше силы взаимодействия, тем она выше.

Температура перехода изменяется в очень широких пределах: от тысячи градусов до нескольких тысячных долей градуса Кельвина. Это вызвано зависимостью величины силы от расстояния между магнитиками, от величины самих магнетиков. Чем расстояние больше, тем взаимодействие слабее. Поэтому температура перехода в упорядоченное состояние у веществ, состоящих только из магнитных атомов, например, у железа, кобальта, никеля, в сотни, тысячи раз выше, чем температура перехода у сложных веществ, состоящих как из магнитных, так и немагнитных атомов. При этом чем больше в составе вещества немагнитных атомов, тем температура перехода ниже.

Магнитным моментом могут обладать не только атомы, но- и их ядра. Момент ядер очень мал (в тысячи раз меньше момента атомов). Соответственно очень слабы и силы взаимодействия между ними — более чем в миллион раз слабее сил взаимодействия моментов атомов. Поэтому упорядочение ядерных магнитных моментов — ядерный ферро- или антиферромагнетизм должен наступать лишь при очень низких температурах порядка 10-5оК. Эти явления до настоящего времени еще не изучены; это одна из задач завтрашнего дня. Было бы ошибкой полагать, что силы взаимодействия однозначно определяются величиной элементарных магнитиков, расстоянием между ними. Дело в том, что элементарные магнитики нельзя рассматривать независимо от свойств вещества, в которое они входят. Так, во взаимодействии магнетиков в сложном веществе очень большую роль играют немагнитные атомы, через которые как бы «передается» взаимодействие магнитиков; в явлениях, связанных с ядерным магнетизмом, в случае металлов велика роль электронов проводимости и т. д. Из-за этого взаимодействия магнитиков, а реальных веществах оказываются существенно более сложными, чем это кажется на первый взгляд. Их удается понять только путем привлечения квантовых законов.

Уменьшение в области низких температур энергии беспорядочного теплового движения облегчает задачу изменения внешним воздействием расположения движения частиц тела, его свойств. Для примера обратимся вновь к магнитным веществам. Все мы неоднократно наблюдали, как магнитная стрелка поворачивается по направлению магнитного поля Земли. Так же и магнитики парамагнитною вещества стремятся установиться по направлению внешнего магнитного поля. Однако тепловое движение препятствует такому расположению, стремится установить магнитики беспорядочным образом. Результатом борьбы этих двух процессов и определится окончательное распределение магнитиков.

Если энергия магнитиков в поле больше тепловой энергии, то большинство магнитиков будет располагаться по направлению поля; при большей тепловой энергии в расположении магнитиков будет преобладать хаотическое распределение. Какое же магнитное поле необходимо для того, чтобы преодолеть тепловую энергию и, следовательно, повернуть большинство магнитиков в одну сторону? Расчет показывает, что при комнатных температурах эти поля должны достигать миллиона эрстед. Такие поля в настоящее время удается получить лишь в рекордных установках в течение нескольких микросекунд.

Обычно исследователи располагают существенно меньшими полями в десятки килоэрстед. Эти же поля при комнатных температурах могут вызвать лишь ничтожное упорядочение магнитиков. Однако если мы путем понижения температуры до нескольких градусов Кельвина уменьшим энергию теплового движения в сотни раз, то эти поля уже вызовут практически полное упорядочение расположения магнитиков атомов.

Упорядочение расположения магнитных моментов представляет интерес, например, для области физики, изучающей ядерные процессы. Дело в том, что многие процессы в ядрах зависят от их магнитного момента. Успешно исследовать связанные с этим эффекты можно лишь после упорядочения расположения моментов. Магнитный момент ядра в тысячи раз меньше, чем момент атома. Поэтому, если бы мы попытались расположить их регулярным образом при помощи магнитного поля в десяток килоэрстед, нам необходимо было бы охладить вещество в поле до тысячных долей градуса Кельвина. Это очень сложно осуществить практически. Поэтому для решения поставленной задачи используют обходные пути. Между магнитными моментами ядра и атома действуют громадные силы взаимодействия. По величине эти силы соответствуют полям в сотни и тысячи килоэрстед. В магнитных полях такой величины момент ядра устанавливается по полю, если вещество охладить всего лишь до десятых-сотых долей градуса Кельвина. При этих температурах взаимосвязь между моментами ядра и атома уже не может быть разрушена беспорядочным тепловым движением. Момент ядра послушно следует за поворотами момента атома, в который это ядро входит. Это чрезвычайно облегчает задачу ориентации магнитных моментов ядер. Вместо того чтобы устанавливать полем очень маленький момент ядра, оказывается достаточно упорядочить расположение больших моментов атомов. В частности, для этого могут быть использованы и силы взаимодействия между моментами атомов, о которых шла речь выше.

Опыты, проведенные с ориентированными таким способом ядрами, позволили установить ряд новых явлений. Например, при распаде ядер обнаружена асимметрия в вылете квантов, электронов. Исследования этих эффектов подтвердили появившиеся в последнее время указания о необходимости ревизии некоторых представлений о свойствах элементарных частиц.

Открытие в области низких температур новых явлений, новых свойств веществ создает колоссальные возможности при решении чисто практических задач. Так, явление сверхпроводимости используется для создания счетных устройств, различных радиотехнических схем высокой стабильности, тепловых ключей в холодильных установках. Используя ряд свойств полупроводников, удается создать сверхвысокочувствительные приемные устройства, миниатюрнейшие элементы счетного устройства, размеры которых столь малы, что в одном кубическом сантиметре их умещается десятки тысяч.

Низкие температуры используются, конечно, и в крупных промышленных установках. Например, всем известно, насколько важным является интенсификация металлургических процессов путем использования кислородного дутья. Оказывается, что проблема выделения кислорода из воздуха, как и вообще разделение газов, наиболее экономично может быть решена методами низких температур. Подобных примеров можно было бы привести очень много. Низкие температуры все более и более входят в технику.

Все эти новые возможности, новые пути в исследовании свойств природы, в решении технических задач и привлекают исследователей к области низких температур. Можно быть уверенным, что работы в этом направлении приведут к решению еще многих задач первостепенной важности.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: