Обновлено: 04.07.2024

Содержание

Сверхпроводимость

Сверхпроводники 1 и 2 рода

Природа сверхпроводимости

Теория БКШ

Сверхпроводящие материалы

Применение

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость, свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры Т_к , характерной для данного материала. Сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, у большого числа сплавов и интерметаллических соединений, а также у некоторых полупроводников. Рекордно высоким значением Т_к (около 23 К) обладает соединение Nb₃ Ge.

Скачкообразное исчезновение сопротивления при понижении температуры впервые наблюдал X. Камерлинг-Оннес (1911) на ртути. Он пришёл к выводу, что ртуть при Т = 4,15 К переходит в новое состояние, которое вследствие его необычных электрических свойств может быть названо сверхпроводящим. Несколько позднее Камерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ртути восстанавливается при включении достаточно сильного магнитного поля (его называют критическим магнитным полем Н_к ). Измерения показали, что падение сопротивления до нуля происходит на протяжении очень узкого, но конечного интервала температур. Ширина этого интервала для чистых образцов составляет 10 -3 — 10 -4 К и возрастает при наличии примесей и других дефектов структуры.

Отсутствие сопротивления в сверхпроводящем состоянии с наибольшей убедительностью демонстрируется опытами, в которых в сверхпроводящем кольце возбуждается ток, практически не затухающий с течением времени. В одном из вариантов опыта используются два кольца из сверхпроводящего металла. Большее из колец неподвижно закрепляется, а меньшее концентрически подвешивается на упругой нити таким образом, что когда нить не закручена, плоскости колец образуют между собой некоторый угол. Кольца охлаждаются в присутствии магнитного поля ниже температуры Т_к , после чего поле выключается. При этом в кольцах возбуждаются токи, взаимодействие между которыми стремится уменьшить первоначальный угол между плоскостями колец. Нить закручивается, а наблюдаемое постоянство угла закручивания показывает, что токи в кольцах являются незатухающими. Опыты такого рода позволили установить, что сопротивление металла в сверхпроводящем состоянии меньше чем 10 -20 омсм (сопротивление чистых образцов меди или серебра составляет около 10 -9 омсм при температуре жидкого гелия). Однако сверхпроводник не является просто идеальным проводником, как это считалось ещё в течение более чем 20 лет после открытия сверхпроводимости. Существование значительно более глубокого различия между нормальным и сверхпроводящим состояниями металла стало очевидным, после того как нем. физики В. Мейснер и Р. Оксенфельд (1933) установили, что слабое магнитное поле не проникает в глубь сверхпроводника. Особенно важно, что это имеет место независимо от того, было ли поле включено до или после перехода металла в сверхпроводящее состояние. В отличие от этого, идеальный проводник (т. е. проводник с исчезающе малым сопротивлением) должен захватывать пронизывающий его магнитный поток. Это различие иллюстрирует рис. 2 (а, б, в), на котором схематически изображено распределение поля вблизи односвязного металлического образца на трёх последовательных этапах опыта: а) образец находится в нормальном состоянии, внешнее поле свободно проникает в глубь металла; б) образец охлаждается ниже Т_к , магнитное поле выталкивается из сверхпроводника (верхний рисунок), тогда как в случае идеального проводника распределение поля оставалось бы неизменным (нижний рисунок); в) внешнее поле выключается, при этом исчезает и намагниченность сверхпроводника. В случае идеального проводника поток магнитной индукции через образец сохранил бы свою величину, и картина поля была бы такой же, как у постоянного магнита.

Выталкивание магнитного поля из сверхпроводящего образца (это явление обычно называют эффектом Мейснера) означает, что в присутствии внешнего магнитного поля такой образец ведёт себя как идеальный диамагнетик той же формы с магнитной восприимчивостью = —1/4. В частности, если образец имеет форму длинного сплошного цилиндра, а внешнее поле Н однородно и параллельно оси цилиндра, то магнитный момент, отнесённый к единице объёма, будет равен М = —Н/4. Это примерно в 10 5 раз больше по абсолютной величине, чем удельная намагниченность диамагнитного металла в нормальном состоянии. Эффект Мейснера связан с тем, что при Н -5 —10 -6 см.

Сверхпроводники 1 и 2 рода

По своему поведению в достаточно сильных полях сверхпроводники подразделяются на две большие группы, т. н. сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники 1-го рода, которыми являются все достаточно чистые сверхпроводящие металлические элементы (за исключением V и Nb), теряют С. при поле Н = Н_к , когда поле скачком проникает в металл и он во всём объёме переходит в нормальное состояние. При этом удельный магнитный момент также скачком уменьшается примерно в 10 5 раз. Критическому полю Н_к можно дать простое термодинамическое истолкование. При температуре Т 2 /8, равную работе намагничивания, и при Н = Н_к сравнивается с F_н (в силу малости магнитного момента в нормальном состоянии F_н практически не изменяется при включении поля). Т. о., поле Н_к определяется из условия равновесия в точке перехода:

Критическое поле Н_к зависит от температуры: оно максимально при Т = 0 и монотонно убывает до нуля по мере приближения к Т_к . Из формулы (1) непосредственно получается (при дифференцировании по температуре) выражение для теплоты фазового перехода в сверхпроводящее состояние:

, (2)

где S — энтропия единицы объёма. Знак Q таков, что теплота поглощается сверхпроводником при переходе в нормальное состояние. Поэтому если разрушение С. магнитным полем производится при адиабатической изоляции образца, то последний будет охлаждаться.

Скачкообразный характер фазового перехода в магнитном поле наблюдается только в случае весьма специальной геометрии опыта: длинный цилиндр в продольном поле. При произвольной форме образца и др. ориентациях поля переход оказывается растянутым по более или менее широкому интервалу значений Н: он начинается при Н 10 ) добротностью, сверхпроводящие элементы для ЭВМ, перспективно применение сверхпроводников в крупных электрических машинах и т. д.

Теория БКШ

Сверхпроводимость — вещь странная и, в некоторой мере, даже противоречащая здравому смыслу. Когда электрический ток течет по обычному проводу, то, в результате наличия у провода электрического сопротивления, ток совершает некую работу, направленную на преодоление этого сопротивления со стороны атомов, в результате чего выделяется тепло. При этом каждое соударение электрона — носителя тока — с атомом тормозит электрон, а сам атом-тормоз при этом разогревается — вот почему спираль электрической плитки становится такой красной и горячей. Всё дело в том, что спираль обладает электрическим сопротивлением, и, вследствие этого, при протекании по ней электрического тока, выделяет тепловую энергию (см. Закон Ома).

В 1911 году нидерландский физик-экспериментатор Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes, 1853–1926) сделал удивительное открытие. Погрузив провод в жидкий гелий, температура которого составляла не более 4° выше абсолютного нуля (который, напомним, составляет –273°С по шкале Цельсия или –460°F по шкале Фаренгейта), он выяснил, что при сверхнизких температурах электрическое сопротивление падает практически до нуля. Почему такое происходит, он, собственно, не мог даже и догадываться, но факт оказался налицо. При сверхнизких температурах электроны практически не испытывали сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла и обеспечивали сверхпроводимость.

С тех пор прошло немало лет, и сверхпроводимость из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник многомиллиардных доходов предприятий электронной индустрии. А дело всё в том, что любой электрический ток возбуждает вокруг себя магнитное поле (см. Закон электромагнитной индукции Фарадея). Поскольку сверхпроводники долгое время проводят ток практически без потерь, если поддерживать их при сверхнизких температурах, они представляют собой идеальный материал для изготовления электромагнитов. И, если вы когда-нибудь подвергались медико-диагностической процедуре, которая называется электронная томография и проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), то вы, сами того, возможно, не подозревая, находились в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.

Современные сверхпроводники сохраняют свои уникальные свойства при нагревании вплоть до температур порядка 20 K (двадцать градусов выше абсолютного нуля). Долгое время это считалось температурным пределом сверхпроводимости. Однако в 1986 году сотрудники швейцарской лаборатории компьютерной фирмы IBM Георг Беднорц (Georg Bednorz, р. 1950) и Александр Мюллер (Alexander Müller, р. 1927) открыли сплав, сверхпроводящие свойства которого сохраняются и при 30K. Сегодня же науке известны материалы, остающиеся сверхпроводниками даже при 160К (то есть чуть ниже –100°C). При этом общепринятой теории, которая объясняла бы этот класс высокотемпературной сверхпроводимости, до сих пор не создано, но совершенно ясно, что в рамках теории БКШ ее объяснить невозможно. Практического применения высокотемпературные сверхпроводники на сегодняшний день не находят по причине их крайней дороговизны и хрупкости, однако разработки в этом направлении продолжаются.

Сверхпроводящие материалы

Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники, как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Следует заметить, Чт о сверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками в нормальных условиях. К ним относятся золото, медь, серебро. Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние. Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие ть терметаллические соединения и сплавы. Общее количество наименований известных в настоящее время сверхпроводников составляет около 2000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия (табл. 3.1). Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешевый хладагент — жидкий водород.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является, абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова 7\._в = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.

Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферро- или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с 1 большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского оттал- 1 кивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция (SrTiO₃ ), относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников удается перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей

В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологическими трудностями. Они обусловлены плохими механическими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теплопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно большой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами, этому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обычно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллидов особенно перспективен бронзовый метод (или метод твердофазной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких нитей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово из бронзы диффундирует в ниобий, образуя на его поверхности тонкую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb₃ Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми.

Применение

Керамические сверхпроводники весьма перспективны в плане крупномасштабных применений, главным образом по той причине, что их можно изучать и использовать при охлаждении сравнительно недорогим жидким азотом.

Первым промышленным применением сверхпроводимости было создание сверхпроводящих магнитов с высокими критическими полями. Доступные сверхпроводящие магниты позволили получить к середине 1960-х годов магнитные поля выше 100 кГс даже в небольших лабораториях. Ранее создание таких полей с помощью обычных электромагнитов требовало очень больших количеств электроэнергии для поддержания электрического тока в обмотках и огромного количества воды для их охлаждения.

Следующее практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Экспериментальные образцы приборов с контактом Джозефсона могут обнаруживать напряжения порядка 10 –15 Вт. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10 –9 Гс, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских магнитокардиографах. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики.

Техника сверхпроводимости и особенно контакты Джозефсона оказывают все большее влияние на метрологию. С помощью джозефсоновских контактов создан стандарт 1 В. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных (постоянных) точек температуры. Новая техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях, таких, как измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности.

Сверхпроводимость будет широко использоваться в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Разрабатываются опытные образцы тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотни логических элементов и элементов памяти.

Наиболее интересные возможные промышленные применения сверхпроводимости связаны с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них. Стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников должна компенсироваться эффективностью передачи энергии. С появлением керамических сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, передача электроэнергии с применением сверхпроводников становится экономически очень привлекательной.

Еще одно возможное применение сверхпроводников – в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины. Опытные образцы давно уже созданы, а керамические сверхпроводники могли бы сделать такие машины достаточно экономичными. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии, в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большие скорости. Экспериментальные поезда на магнитной подвеске в Японии и Германии достигли скоростей, близких к 300 км/ч.

Проживая практически в одних и тех же условиях на протяжении своей жизни, человек порой считает свои знания об окружающем мире достаточно полными. Однако, за пределами привычной зоны обитания, в действительности, можно обнаружить довольно неожиданные и захватывающие явления. Одно из таких явлений — сверхтекучесть, которая возникает при очень низких температурах, около абсолютного нуля.

Ранние эксперименты с жидким гелием

Хейке Камерлинг-Оннес (справа) с помощником Герритом Флимом (слева)

В 1922-м году Камерлинг-Оннес зафиксировал еще одно необычное явление. Он поместил открытый дьюаровский сосуд с жидким гелием в другой такой сосуд, также заполненный жидким гелием, в результате чего ожидал, что гелий из внешнего сосуда будет испаряться быстрее, чем гелий из внутреннего. Это вытекает из привычных для нас законов, однако ученый обнаружил одновременное испарение гелия из обеих емкостей. Примечательно было и то, что если перелить гелий из одной емкости в другую, то спустя короткое время уровни жидкости в обоих сосудах выровняются. Данный поразительный эффект был назван эффектом Камерлинга-Оннеса, хотя он был объяснен несколько позже. Как оказалось, гелий образовывал тонкую пленку поверх каждой из емкостей, в результате чего перетекал по этой пленки из одного сосуда в другой.

Пример движение тонкой пленки сверхтекучей жидкости на стенках твердых тел

Гелий II и фазовые переходы второго рода

В 1927-м году датский физик Вильям Кеезом и польский физик Мечислав Вольфке измерили диэлектрическую проницаемость жидкого гелия – физическую характеристику среды, которая определяет отношение напряженности электрического поля к электрической индукции. Ученые подтвердили, что эта характеристика действительно делает заметный прыжок около критической температуры. Проведя также измерение теплопроводности и теплоемкости, они сделали вывод, что в этом состоянии происходит фазовый переход гелия.

Материалы по теме

Примечательно, что в отличие от других фазовых переходов (например, из жидкого в газообразное состояние) веществу требуется сколько-нибудь энергии, в то время как такой фазовый переход гелия не требовал энергии вовсе. Также отсутствовала какая-то четкая граница между этими двумя состояниями гелия.

Лямбда-переход в жидком гелии: поведение удельной теплоёмкости при низких температурах

Вильям Кеезом считал главной особенностью гелия II – сверхвысокую теплопроводность, что превышала теплопроводность меди при той же температуре в десятки раз.

Открытие сверхтекучести

Петр Леонидович Капица, 1930-е годы

Однако непонятным остался тот факт, что вязкость гелия II, измеренная методом колеблющегося диска (в этом методе диск, что колеблется, погружается в жидкость, и исследуются затухания его движения) оказалась ненулевой.

Двухжидкостная модель гелия-II

В 1941-м году советский физик Лев Ландау предложил теорию сверхтекучести, согласно которой гелий II есть смесью двух компонент – обычной и сверхтекучей. При этом сверхтекучая компонента имеет температуру абсолютного нуля, и ее число уменьшается с нагреванием.

Материалы по теме

Переход из основного в возбужденное состояние Ландау связывал с квазичастицами ротонами и фононами, спектр которых должен был иметь особенную форму. Напомним, что квазичастицы представляют собой возбуждения в кристаллах с некоторой волновой функцией. Двухжидкостная модель отлично описывала поведение гелия II и объясняла некоторые особенности вещества.

Зависимость состояния гелия от давления (ось ординат) и температуры (ось абсцисс)

Сверхтекучесть гелия-3

В 1947-м году американские исследователи в области криогеники показали, что гелий-3, присутствующий в обычном гелии в небольших концентрациях, не участвует в сверхтекучем движении, что было подтверждением теории о значении конденсата Бозе-Эйнштейна в этом процессе. Дело в том, что обычный гелий является бозе-жидкостью, то есть состоит из бозонов и способен достигать состояния конденсата Бозе-Эйнштейна. В то же время гелий-3 является ферми-жидкостью, то есть состоит из фермионов – неспособных переходить в упомянутое состояние. Напомним, что основным отличием бозонов от фермионов является значение спина – целое и полуцелое – соответственно. В 1949-м году был получен гелий-3 и предсказания об отсутствии у него сверхтекучести подтвердились.

В 1956-м году американский физик Леон Купер предложил механизм сверхпроводимости, согласно которому электроны в проводнике образовывали связанные состояния. Такие пары уже имели целый спин, и конденсация Бозе-Эйнштейна для них работала. По теоретическим предсказаниям, температура гелия-3, способного достичь сверхтекучести, составляла всего несколько микрокельвинов (1/1 000 000 К).

Только в 1972-м году криогеника развилась достаточно, чтоб подтвердить, что при температуре 2,6 мК и давлении в 34 атмосферы – гелий-3 переходит в сверхтекучее состояние. За это открытие в 1996-м году американские физики Дуглас Ошеров, Роберт Ричардсон и Дэвид Ли получили Нобелевскую премию по физике. Также были открыты еще три сверхпроводные фазы гелия-3.

Основные факты о сверхтекучести

Главной особенностью систем, которые находятся в состоянии сверхтекучести – есть перенос массы без потери энергии. Объяснение этого явления скрывается глубоко в квантовой механике.

Материалы по теме

Энтропия в веществе в сверхтекучем состоянии равна нулю и не возрастает.

Демонстрация фонтанного эффекта

Фонтанный эффект. Если погрузить колбочку с жидким гелием и нагревателем в ней, в большую емкость гелия, то при работе нагревателя, с колбочки начнет бить фонтан гелия, при том, что количество гелия в колбе не будет уменьшаться. Это явление возникает из-за того, что гелий ІІ легко попадает в колбу, поднимаясь по стенкам, однако нагревшись в ней – вылиться, назад не может. Таким образом, возникает поток гелия в колбу, который компенсируется фонтанированием гелия из нее.

Разная вязкость гелия. Существуют два класса методов измерения вязкости: пропускания через щели и капилляры и измерение действия жидкости на объекты, которые движутся в ней. Для большинства жидкостей эти методы дают похожие численные результаты, в то время как для сверхтекучего гелия ситуация иная. Первый метод дает значения меньшие за погрешность эксперимента (близкое к нулю), а второй – небольшие, но определенные значения. Эта разница может быть объяснена двухжидкостной теорией Ландау: жидкий гелий есть смесь двух компонентов, один из которых имеет нулевую температуру и находится в сверхтекучем состоянии, в то время как другой – нет. Так через щели, в первую очередь, проходит сверхжидкий компонент, тогда как объект, который движется в гелии, наоборот, взаимодействует со вторым компонентом.

Квантовые вихри. Если объект движется в сверхтекучей жидкости (или жидкость быстро течет), то в ней могут образовываться замкнутые контуры потока, которые называют квантовыми вихрями. От обычных вихрей они отличаются тем, что не пропадают со временем.

Сверхтекучесть в иных системах

В 1919-м году тот самый Камерлинг-Оннес открыл квантовое явление протекания электрического тока в твердом теле без потерь, то есть при нулевом электрическом сопротивлении тела, за что получил нобелевскую премию.

В 1995-м году исследователям удалось провести эксперимент, в результате которого разреженный газ при низких температурах перешел в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна. Этот газ вел себя точно также как и сверхтекучая жидкость. Дальнейшие эксперименты показали, что тела, движущиеся(с ограниченным диапазоном скоростей) сквозь конденсат не испытывали какое-либо изменение в значении энергии, то есть обмен энергии отсутствовал.

Материалы по теме

В 2000-м году американский ученый Ян Петер Тоэнниэс добился сверхтекучего состояния для водорода (при температуре 0,15 К). В 2005-м году была обнаружена сверхтекучесть в разреженном фермионом газе при низких температурах.

Высокотемпературная сверхтекучесть

Помимо сверхтекучего электрического тока, твердого тела или газа, в 2017-м году была также открыта и экспериментально подтверждена более экзотическая система — фотонное сверхтекучее вещество. Исследователи с CNR NANOTEC в Лечче, Италия, и канадского Политехнического университета Монреаля смогли создать фотонное сверхтекучее вещество при комнатной температуре.

Профессор канадского Политехнического университета Монреаля, Стефан Кена-Кохкен

Применение явления сверхтекучести

Как и с любыми фундаментальными открытиями, сверхтекучесть не имеет какого-либо определенного и популярного применения. На сегодня – это лишь интересное и плохо изученное явление, которое находит применение в очень специфических областях. Так, сверхтекучий гелий используется для охлаждения нагревающихся систем. В перспективе, такой охладитель будет применен для охлаждения сложнейших конструкций, в силу своих способностей – проникать в мельчайшие щели и самостоятельно двигаться в сторону источника тепла.

Дальнейшее изучение сверхтекучести даст более подробное описание этого явления, позволит лучше понять его природу, и тогда появится возможность управлять им и использовать его в бытовых целях.

Ровно 110 лет назад в нидерландском городе Лейден появилась самая холодная точка на земле. В тот день, 10 июля 1908 года, профессор Лейденского университета Хейке Камерлинг-Оннес впервые получил небольшую порцию жидкого гелия, охладив его до температуры в четыре кельвина (минус 269 градусов Цельсия). Это достижение помогло открыть два важнейших для современной квантовой физики явления — сверхпроводимость и сверхтекучесть. За их открытие и теоретическое объяснение в XX веке были присуждены несколько Нобелевских премий — в том числе самому Камерлингу-Оннесу и нашему соотечественнику Петру Капице. Об истории, которая началась с получения жидкого гелия, мы попросили рассказать научного сотрудника Института теоретической физики (ИТФ) РАН Якова Фоминова.

Строго говоря, как таковое явление сверхтекучести открыл выдающийся российский физик Петр Капица в 1938 году, за что ему присудили Нобелевскую премию по физике 1978 года. Произошло это при довольно необычных обстоятельствах.

Капица, учившийся в Петербургском политехническом институте, в 1921 году по протекции своего учителя Абрама Иоффе уехал в Кембридж для стажировки в Кавендишской лаборатории под руководством Эрнеста Резерфорда. Там Капица стал заниматься сверхсильными магнитными полями, приобрел известность и вскоре создал собственную лабораторию, названную Мондовской.

В этой лаборатории российский ученый разработал установку по промышленному сжижению гелия — она была необходима, чтобы исследовать сильные магнитные поля. По производительности установка в несколько раз превосходила все существовавшие в то время аналоги: выход жидкого гелия достигал 18 литров в час.

Руководству СССР не нравились активные контакты, которые Капица установил между английскими и советскими физиками, и в 1934 году, когда физик в очередной раз приехал на родину увидеться с родными, ему запретили покидать страну. В качестве компенсации в Москве был создан Институт физических проблем (ИФП), а Капицу назначили его директором.

В ответ Капица потребовал, чтобы в Москву привезли приборы, стоявшие в Мондовской лаборатории. Советское руководство не сразу, но выделило необходимые средства, так что в конце 1930-х годов в ИФП заработал собственный агрегат по сжижению газа.

И уже в 1938 году в журнале Nature вышла статья Петра Капицы, в которой он описал удивительный феномен: если гелий охладить до так называемой критической температуры (в опытах Капицы она составляла 2,17 кельвина, или минус 270,98 градусов Цельсия при давлении 0,05 атмосферы), у него полностью пропадает трение, или, точнее, вязкость.

В том же номере журнала вышла статья бывших коллег Капицы из Мондовской лаборатории, которые описали аналогичный эксперимент. Несмотря на возникшие споры о приоритете, Нобелевский комитет спустя 40 лет присудит премию за открытие сверхтекучести именно Капице.

Сверхтекучесть

Теоретическое объяснение странному поведению гелия дал в 1941 году еще один выдающийся советский физик, на тот момент коллега Капицы по ИФП Лев Ландау. Главным образом именно за эту работу он в 1962 году удостоился Нобелевской премии — на 16 лет раньше Капицы.

В результате получается конденсат атомов гелия, в котором все они неотличимы друг от друга: частицы находятся на одном энергетическом уровне, и их скорость равна нулю — а других отличий между атомами нет. Кроме того, все частицы очень тесно связаны между собой — это означает, что изменение состояния одной тут же отражается на состоянии остальных. В итоге нельзя изменить состояние отдельного атома — только всех вместе. То есть бозе-эйнштейновский конденсат ведет себя как гигантская квазичастица, позволяя наблюдать квантовые эффекты на макроуровне.

Установка, на которой Хейке Камерлинг-Оннес в 1908 году получил первую порцию жидкого гелия

Сверхпроводимость

Это противоречило существовавшим тогда теориям, которые предсказывали, что при понижении температуры сопротивление будет постепенно уменьшаться, но затем опять возрастет, так как электроны внутри вещества почти перестанут двигаться и проводить ток. Как оказалось позже, в тот же день Камерлинг-Оннес обнаружил и сверхпроводимость гелия, охладив его до лямбда-точки, но не обратил внимания на этот результат.

Первыми непонятный скачок электропроводности при понижении температуры объяснили в 1935 году братья Фриц и Хайнц Лондоны, немецкие физики, перебравшиеся из нацистской Германии в Оксфорд. В 1950 году более общую теорию сверхпроводимости, разрешавшую некоторые противоречия теории Лондонов, вывели Лев Ландау и Виталий Гинзбург.

Объяснить сверхпроводимость на микроскопическом уровне — то есть с детальным описанием механизма — удалось только в 1957 году, после того как американский физик Леон Купер описал особый тип взаимодействия электронов, названный позже куперовскими парами.

Бозоны и фермионы

Все элементарные частицы во Вселенной делятся на две группы: бозоны и фермионы. Эти два класса частиц радикально отличаются по своим свойствам, и определяющим параметром, позволяющим причислить частицу к бозонам или фермионам, является спин. Этим термином обозначают собственный момент импульса частицы, но это квантовое явление, и полноценного классического описания у него нет. Однако спин можно представить как ось вращения крошечных волчков — элементарных частиц.

При низких температурах множество подобных пар будут переходить в состояние бозе-эйнштейновского конденсата и вести себя как сверхтекучая жидкость — только течь будут электроны, а значит, в веществах с такими свойствами будет беспрепятственно проходить ток. Микроскопическая теория сверхпроводимости, основанная на существовании куперовских пар, получила название теории Бардина — Купера — Шриффера, или сокращенно БКШ (еще одна Нобелевская премия, за 1972 год).

Высокотемпературная сверхпроводимость

Долгое время все вещества, у которых обнаруживали сверхпроводящие свойства, теряли электрическое сопротивление при очень низких температурах. Для ртути это 4,2 кельвина (минус 268,95 градуса Цельсия), для алюминия 1,18 кельвина (минус 271,97 градуса Цельсия), для олова — 3,69 кельвина (минус 269,46 градуса Цельсия), для ниобия — 9,2 кельвина (минус 263,95 градуса Цельсия). Столь радикально охладить что-то можно только в лаборатории при помощи сложного и дорогого оборудования. Использовать такие сверхпроводники на практике вне стен научных институтов не получится.

Однако еще до появления микроскопической теории сверхпроводимости исследователи предполагали, что можно создавать вещества, теряющие сопротивление при более высоких температурах — например, при температуре кипения азота (минус 195,8 градуса Цельсия). Жидкий азот — дешевая охлаждающая жидкость, и его повсеместно используют в промышленности. И принципиальных запретов на высокотемпературную сверхпроводимость нет.

В 1986 году швейцарец Карл Мюллер и немец Йоханес Беднорц обнаружили, что керамическое вещество со сложной формулой La_2-xBa_xCuO₄ (оксид лантана-бария-меди) становится сверхпроводником при 35 кельвинах (минус 238,15 градуса Цельсия). Это все еще на 42 градуса ниже температуры кипения азота, и тем не менее исследователям немедленно вручили Нобелевскую премию (1987 год).

Сегодня ученые синтезировали множество веществ, которые становятся сверхпроводниками при относительно приемлемых для промышленного использования температурах. Рекордсменом среди широко применяемых сверхпроводников является оксид иттрия-бария-меди, который переходит в сверхпроводящее состояние уже при 93 кельвинах (минус 180,15 градуса Цельсия). А если использовать большие давления, критическая температура для многих веществ оказывается еще выше. Например, HgBa₂Ca₂Cu₃O₈, сжатый до 165 атмосфер, переходит в сверхпроводящее состояние уже при 134 кельвинах (минус 139,15 градуса Цельсия).

Перспективы

Гелий как самая холодная жидкость в природе. История открытия сверхтекучести гелия. Эксперимент П.Л. Капицы с вытекающей струей жидкого гелия. Уникальность физических свойств жидкого гелия. Способность вещества к передаче громадного количества тепла.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	14.05.2014
Размер файла	22,3 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Нижегородский государственный технический университет им. Алексеева

По дисциплине: Физика

Тема: Сверхтекучесть жидкого гелия

Выполнил: студент 1 курса группы 13-НТ

Буковский Максим Вадимович

Старший преподаватель кафедры физики

Федотов Александр Борисович

Содержание

Введение
• Сверхтекучесть жидкого гелия
• Заключение
• Список литературы

Введение

Гелий - самая холодная жидкость в природе и единственное, которое не затвердевает при абсолютном нуле. В твердое состояние он может быть превращен только под давлением в несколько десятков атмосфер. Наиболее важной особенностью жидкого гелия является существование двух его модификаций, переходящих одна в другую при 2,186 К. Эти две модификации называются Не I и Не II. Точка перехода Не I - Не II называется л-точкой. Этот переход называется фазовым переходом II рода, характерным признаком которого является скачок теплоемкости.

Гелий II обладает поразительным свойством - сверхтекучестью, открытой в 1938 г. П.Л. Капицей и объясненной Л.Д. Ландау. Сверхтекучий гелий не обладает вязкостью, он без трения протекает через очень узкие капилляры и щели.

Сверхтекучесть жидкого гелия

Жидкий гелий I обладает малой вязкостью по сравнению с другими жидкостями. Но эта вязкость еще вполне нормальна и измерима. Она в 500 раз меньше вязкости воды. Петр Леонидович Капица произвел очень простой и необычайно важный эксперимент. Он наблюдал протекание гелия через очень тонкие щели. Щели эти были настолько тонкие, что даже такая с обычной точки зрения невязкая жидкость, как вода, вытекала бы через эти щели в течение многих-многих суток. Оказалось, что жидкий гелий II протекает через щели в течение нескольких секунд. Петру Леонидовичу Капице удалось показать, что вязкость гелия отличается от вязкости воды не менее чем в миллиард раз. Это только верхний предел, связанный с точностью экспериментов, тот предел вязкости, который наблюдал Петр Леонидович Капица. Вязкость гелия II оказалась столь маленькой, что вообще не могла быть измерена. Можно утверждать, что жидкий гелий II просто лишен всякой вязкости.

Это явление получило название сверхтекучести. Поэтому гелий II называют сверхтекучей жидкостью.

С открытием сверхтекучести гелия, открылись многие другие явления, оказавшиеся еще более непонятными. Прежде всего оказалось, что когда гелий течет через щель, то происходит странное явление с теплом. Если гелий протекает из одного сосуда в другой через очень тонкую щель, то оказывается, что при этом гелий в том сосуде, куда он вытекает, охлаждается, а в том сосуде, из которого он вытекает, нагревается. Это явление получило название термомеханического эффекта и само по себе представлялось крайне удивительным.

Капице удалось сделать ещё ряд экспериментов, кажущихся еще более удивительными.

В частности один из экспериментов заключается в следующем. В большой сосуд с гелием была погружена бульбочка с идущей от нее трубочкой, открытой и наполненной гелием. В этой бульбочке гелий слегка подогревался. Что произошло бы с какой-нибудь жидкостью? Жидкость нагревалась бы, тепло выходило бы в окружающую жидкость, и можно было бы обнаружить, что разные места жидкости обладают разной температурой.

Петр Леонидович Капица поместил напротив отверстия капилляра легкое крылышко и, двигая этим крылышком, показал, что из отверстия капилляра бьет струя гелия. Обстоятельство, удивительное во всех отношениях. Удивителен не столько сам факт, что при нагревании ни с того ни с сего бьет струя гелия. Еще более удивительным является то обстоятельство, что сосуд при этом не пустеет. Если из сосуда систематически вырывается струя жидкости, то через короткое время в сосуде не должно ничего остаться. В данном случае никаких изменений не происходит. Сосуд остается наполненным гелием, как вначале.

Это обстоятельство является одним из многочисленных примеров (некоторые из которых я уже упомянул) парадоксальности свойств жидкого гелия. Получается ощущение, что вообще такого не может быть.

Само собою разумеется, что никаких логических противоречий здесь, как и в других областях физики, быть не может. Это показывает только на то, что причины этих свойств лежат в очень необычных вещах, очень чуждых нашему представлению. И действительно, существует теория, которая объяснила некоторые существенные свойства жидкого гелия. Она основана на одном из величайших достижений физики двадцатого века, так называемой квантовой механике.

Оказывается, что чисто теоретически квантовая механика наделила жидкость, находящуюся при низких температурах, близких к абсолютному нулю, при которых находится жидкий гелий, изложенной особенностью. Для того чтобы объяснить эту особенность, есть одна старая история о некоторой теории, которая в свое время фигурировала в физике. В свое время в физике фигурировала такая, разумеется никогда не существовавшая, жидкость, как теплород. Считалось, что наряду с обыкновенной жидкостью существует еще тепловая жидкость и что если тело является теплым, то это значит, что в нем больше теплорода. Если же меньше теплорода, значит, оно соответственно становится более холодным. Теплород - жидкость, специально придуманная для объяснения этих явлений.

Эксперименты доказали, что никакой тепловой жидкости не существует, а тепло есть движение частиц жидкости. Оказывается, что в гелии сохранилось кое-что от теплорода, кое-что, конечно, в очень своеобразном смысле. Именно в обыкновенной жидкости тепло непосредственно связано со всей жидкостью, точнее говоря, со всей массой жидкости.

Иначе обстоит дело в жидком гелии. Там оказывается, что тепло связано не со всей массой жидкости, а только с ее частью, причем меньшей частью, то есть если говорить как бы о тепловой жидкости, то в обыкновенных жидкостях тепловая жидкость - это вся жидкость, в жидком же гелии тепловая жидкость - это часть жидкости. Чем меньшая часть, тем ниже температура.

Эта часть получила название нормальной массы гелия. При температуре 2,19 градуса Кельвина происходит переход от гелия II к гелию I. Выше этой температуры вся масса гелия - это нормальная масса. Ниже этой температуры - часть гелия, которая не связана с теплом. И чем ниже температура, тем меньшая часть гелия связана с теплом. При абсолютном нуле весь гелий никак с теплом не связан.

Из существования таких двух масс гелия - массы нормальной и остальной массы, которая получила название массы сверхтекучести, следует другое, не менее на первый взгляд чудовищное утверждение, что гелий способен одновременно к двум движениям. Имея две массы, хотя в одном и том же месте, в одном и том же объеме, гелий может совершать одновременно два различных движения одновременно в одной точке жидкости. В то время как обычная жидкость в одной точке имеет одну определенную скорость, гелий в одной точке имеет две скорости, совершенно различные. Одна из скоростей называется скоростью нормального движения, другая - скоростью сверхтекучего движения.

Теория показывает, что оба эти движения должны обладать существенно различными свойствами. Нормальное движение, связанное с теплом, является нормальным во всех смыслах. Именно оно обладает всеми свойствами всякого нормального движения, в частности оно связано с вязкостью. Наоборот, сверхтекучее движение не связано с теплом, не связано ни с какой вязкостью.

На первый взгляд такая концепция имеет характер почти абсурда. Может показаться, что это довольно бессмысленное рассуждение, которое если и объясняет что-нибудь, то чисто словесным образом, без всякого реального результата. Однако это не так. Теория не только объяснила те явления, о которых говорилось выше, но и предсказала ряд явлений, которые в дальнейшем были обнаружены экспериментами. Больше того, те два движения, о которых сказано выше и существование которых производит такое смешанное впечатление, может быть непосредственно наблюдено на экспериментах.

Представьте себе, что цилиндрический сосуд с гелием начинает вращаться, причем вращаться очень медленно, настолько медленно, что жидкость должна увлекаться при своем движении стенками сосуда. Так как жидкий гелий способен к двум движениям и его масса состоит из двух масс, то увлекаться будет только одна из них, именно нормальная масса гелия. Сверхтекучее движение, не будучи связано пи с какой вязкостью, не будет ни в каком взаимодействии со стенками сосуда и увлекаться не будет. При вращении гелия будет вращаться часть гелия, между тем как при вращении любой другой жидкости будет вращаться вся жидкость.

Эти замечательные результаты были обнаружены докторантом Элевтером Андроникашвили, который непосредственно проделал, я бы не сказал, эти, но аналогичные опыты, отличающиеся от изложенного опыта только деталями. При этом эксперименте оказалось, что выше 2,19 градуса гелий увлекается весь, ниже этой температуры гелий увлекается тем меньшим количеством, чем ниже температура. Таким образом, Андроникашвили имел возможность непосредственно измерить, какая часть массы гелия является нормальной и какая часть массы гелия является сверхтекучей. Сверхтекучее движение не есть теоретическая функция, а это есть вообще реально наблюдающееся при эксперименте явление. Количественно полученные результаты тоже оказались в прекрасном согласии с теорией. Таким образом, эксперимент Андроникашвили наглядно показал, что заложенная в теории жидкого гелия основа, несмотря на свою странность, отвечает реальной действительности. Легко также видеть, что с помощью этих теоретических представлений действительно объясняются те кажущиеся противоречивыми явления, которые наблюдаются в жидком гелии.

Возьмем этот удивительный эксперимент Капицы с вытекающей струей жидкого гелия. С точки зрения теории сверхтекучести ясно, в чем тут дело. Нагревание жидкого гелия происходит необычным образом. Обычным образом тепло переходит от молекулы к молекуле, без всего движения в целом. В жидком гелии под влиянием нагревания возникают одновременно два движения: тепло скапливается слева, потом движется слева направо вместе с нормальным движением. Сверхтекучее же движение, наоборот, движется в противоположную сторону, так что полное количество гелия в бульбочке, естественно, установилось неизменно.

В жидком гелии, в котором распространяется тепло, имеется два встречных потока: поток нормальный и поток сверхтекучий, движущийся в противоположную сторону. Сверхтекучий поток благодаря отсутствию вязкости никак не действует на погруженные в пего предметы. Нормальный поток вследствие вязкости действует па погруженные предметы. Поэтому крылышко, погруженное в гелий, чувствуя струю вытекающего гелия, колеблется, по оно совершенно не чувствует струи втекающего гелия.

Этим же обстоятельством объясняется и грандиозная теплопроводность гелия - способность к передаче громадного количества тепла. В обыкновенной жидкости, где тепло передается молекулярным движением - от молекулы к молекуле, тепло передается медленно. В жидком гелии тепло буквально течет слева направо. Таким образом может быть передано огромное количество тепла.

Кроме этих явлений теорией было предсказано еще одно явление, также в дальнейшем открытое в эксперименте. Именно в жидком гелии, в отличие от обыкновенной жидкости, могут распространяться два разных звука. Звук - это колебание плотности жидкости. В вязкой жидкости могут происходить такие колебания, которые распространяются с определенной скоростью. Такие колебания могут распространяться в гелии I со скоростью 150 метров в секунду. С такой же скоростью звук может распространяться в гелии II.

Теория показала, что наряду с таким звуком в гелии может распространяться звук особого рода, связанный с возможностью двух движений. В гелии возможен еще один звук, когда в целом масса не перемещается, а колебание нормальной и сверхтекучей части происходит друг относительно друга. Содержащая тепло часть гелия колеблется относительно остального гелия.

Этот звук получил название второго звука и был открыт Пешковым, который обнаружил распространение этого звука в гелии II. Распространение второго звука легко отличить от распространения обыкновенного звука, потому что его скорость не имеет ничего общего со скоростью обыкновенного звука: вместо 250 метров в секунду составляет 20 метров в секунду. Пешкову удалось обнаружить, что в гелии действительно распространяется особого вида звук. Он вызывается колебанием тепла.

Если производить колебания температуры в обыкновенной жидкости, эти колебания быстро затухают. Никакого второго звука здесь не получается. Если колебать температуру в жидком гелии, то это колебание распространяется как звук с определенной скоростью, которая составляет около 20 метров в секунду.

сверхтекучесть жидкий гелий тепло

Заключение

Гелий есть уникальное вещество. Оно имеет ряд свойств, которые кажутся нам не логичными, странными и просто не понятными. Сверхтекучесть, является одним из таких свойств. На основе знаний о сверхтекучести гелия мы наблюдаем ещё ряд интересных особенностей гелия, например то что жидкий гелий состоит из двух масс, нормальной и сверхтекучей, или к примеру возникновение второго звука в сверхтекучем гелии.

Все эти свойства покажутся простому человеку нереальными, но всё это имеет научное объяснение, и объясняется квантовой физикой.

Уникальность жидкого гелия подтолкнула нас на некоторые интересные открытия, и подстегнула развитие квантовой физики и физики в целом.

Список литературы

Подобные документы

Физика низких температур. Низкотемпературные проблемы и возможности сжижения газов. Интенсивность тепловых движений. Свойства газов и жидкостей при низких температурах. Получение низких температур. Сверхтекучесть и другие свойства жидкого гелия.

курсовая работа [988,1 K], добавлен 16.08.2012

Спектральный анализ, его достоинства и применение. Распределение энергии в спектре. Анализ общей структуры спектра атома гелия на основе принципа Паули. Определение собственных значений энергии системы из двух электронов, движущихся в поле атомного ядра.

контрольная работа [39,9 K], добавлен 30.07.2011

Возможность формирования различных структур в стандартных пластинах монокристаллического кремния с использованием дефектов, создаваемых имплантацией водорода или гелия. Поперечная проводимость сформированных структур. Системы нанотрубок в кремнии.

реферат [6,4 M], добавлен 25.06.2010

Истории открытия, исследования и применения гелия, принципы его накопления в земной коре, физико-технические, электрические и химические свойства, а также анализ его места во Вселенной. Общая характеристика гелиевого воздуха, его достоинства и недостатки.

реферат [33,4 K], добавлен 13.11.2010

Разработка плазменных генераторов и ускорителей для технологии обработки поверхности изделий машиностроения. Магнетронная цилиндрическая система. Тенденция в промышленной разработке плазмы. Реактивный поток в атмосфере гелия, мультиреактивный источник.

В новой области низких температур, близких к абсолютному нулю, шум и суета, связанные с тепловым движением частиц, почти исчезают; создается возможность познать глубинные свойства материи.
Г. Камерлинг-Оннес

Ожижение гелия Камерлинг-Оннесом в 1908 г. открыло путь в область температур, при которых с веществом, в первую очередь с самим гелием, стали происходить новые, совершенно неожиданные вещи.

До этого все газы, в том числе и "постоянные", вели себя как и полагалось любому законопослушному веществу. Ниже своей критической температуры они исправно ожижались, а при дальнейшем охлаждении, достигнув температуры тройной точки, затвердевали. Естественно было ожидать, что и гелий после того, как его ожижили, будет вести себя так же. Однако оказалось, что гелий упорно отказывается затвердевать. Камер. инг-Оннес, думая, что дело просто в недостаточном понижении температуры, охладил его откачкой пара сначала до 2,5K, понизив давление над ним приблизительно до 10-3 МПа. В 1909 г. он откачал пар до давления 267 Па, при этом температура гелия понизилась до 1,38K, но никаких признаков затвердевания не появилось. Г. Камерлинг-Оннес решил, что тройная точка гелия находится еще ниже. Он применил самые мощные вакуумные насосы, которые могла создать техника того времени, и понизил еще температуру, доведя давление пара над гелием до 26,7 Па. Но и при этом, всего на расстоянии от абсолютного нуля немного большем, чем 1° (1,04K), гелий упорно оставался жидким!

Г. Камерлинг-Оннесу не суждено было узнать разгадку этого непонятного поведения гелия; она раскрылась уже после его смерти. Забегая несколько вперед (об этом подробнее будет сказано ниже), можно сказать, что секрет заключался в невероятном факте: у гелия вообще не существует тройной точки!

Дальше вниз по температурной шкале в эти годы пойти не удалось. Вакуумная техника того времени не позволяла еще существенно уменьшить давление пара над жидким гелием и тем самым понизить его температуру. Другие же способы получения "таких "ультранизких" температур тогда еще не были известны.

Внимание исследователей было привлечено и другим, не менее загадочным явлением. Было известно, что электрическое сопротивление металлов падает с понижением температуры. Однако, как оно будет вести себя при гелиевых температурах (ниже 4,2K), было неясно.

Существовали теории, основанные на том предположении, что электроны, несущие ток, при абсолютном нуле будут плотно связаны с атомами, не смогут переходить от одного к другому, и поэтому электропроводимость тоже снизится до нуля. Были и сторонники противоположного взгляда, утверждавшие, что электроны будут совершенно свободны при абсолютном нуле температуры и сопротивление полностью исчезнет.

Чтобы внести ясность в этот вопрос, нужно было экспериментировать с очень чистыми металлами; даже самые малые примеси сильно влияли на их электропроводимость. Металлом, который наиболее удобно было очистить, была ртуть. Очистка проводилась путем ее перегонки - испарением и конденсацией. Самые первые опыты в апреле 1911 г. с проводником из ртути показали, что электрическое сопротивление при температуре ниже 4,2K исчезало. Однако по какому закону это происходило - оставалось неясным. Камерлинг-Оннес считал (и даже вывел соответствующую формулу), что это происходит постепенно, по мере понижения температуры. Однако следующая серия опытов, проведенных через месяц, дала совершенно неожиданный результат: электрическое сопротивление ртути при понижении температуры до 4,15K исчезало скачком, сразу (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Характер изменения удельного электрического сопротивления для нормального металла (1, 2) и сверхпроводника Pb (3) при понижении температуры

Рис. 7.2. Соленоид из сверхпроводника с "вечно" циркулирующим током

Такое "чудо" до открытия сверхпроводимости даже представить себе никто не мог. Что же касается объяснения, то его не могли дать еще долго. Вообще дальнейшее изучение сверхпроводимости, которое продолжается и до сих пор, открыло еще много новых эффектов.

3а комплекс работ в области криогеники Камерлинг-Оннес получил в 1913 г. Нобелевскую премию по физике. В традиционной лекции, прочитанной им при получении этой премии, он пророчески сказал о том, что исследования в новой области низких температур, где шум и суета, связанные с тепловыми колебаниями, почти исчезают, приоткрывают завесу, и создается возможность познать глубинные свойства материи.

Первые шаги в эту новую область сделал он сам. В дальнейшем работы группы Камерлинг-Оннеса должны были продолжиться. Однако через год, в 1914 г. началась первая мировая война, открывшая целую полосу революционных катаклизмов и радикальных изменений в жизни всех народов не только в Европе, но и в других районах мира. Естественно, что все эти события оказали значительное влияние на развитие как науки так и техники. Не была исключением и низкотемпературная область. Война и последующие события в частности сказались на почти полном прекращении международных научных связей в Европе с 1914 по 1920 г. Лаборатория Камерлинг-Оннеса тоже оказалась на это время в изоляции и без средств. Работы в ней почти замерли.

Криофизика, развитие которой почти прекратилось, начала оживать только в 20-е годы. Оживление происходило очень быстро; в последующие десятилетия открытия в этой области пошли одно за другим. Достаточно сказать, что за работы по физике низких температур после Камерлинг-Оннеса Нобелевские премии были присуждены еще 4 раза (1920 г. - В. Нернсту, 1949 г. - У. Джиоку (интересно, что Нернст и Джиок получили премии не по физике, а по химии), 1962 г. - Л. Ландау, 1978 г. - П. Капице). Эти четыре фамилии будут ниже в соответствующих местах неоднократно упоминаться наряду с другими, обладатели которых тоже сделали крупные вклады в низкотемпературную науку, но не удостоились столь высоких наград (В. Кеезом, П. Дeбай, В. де Хаас, Л. В. Шубников, Э. Андроникашвили, В. Мейснер, В. П. Пешков и др.).

Г. Камерлинг-Оннес не знал, какая из этих возможностей будет реализована (впоследствии оказалось, что обе), но не сомневался в успехе: "Мы должны быть уверены, что препятствие, появившееся на нашем пути, будет преодолено, и главное, что требуется - длительное и терпеливое исследование свойств вещества при самых низких температурах, которые только можно получить". Именно на этом пути найдены были и новые способы дальнейшего понижения температуры, и еще более "холодное" вещество, чем обычный гелий.

Читайте также:

  
• Теория предпринимательства шумпетера реферат
  
• Реферат на тему путешествие гулливера
  
• Питание как фактор повышения работоспособности реферат
  
• Социальная психология личности реферат
  
• Психология творческих кризисов реферат