 |
История физики низких температур
|
|
|
|
Содержание
Введение
История физики низких температур
Методы получения низких температур
Измерение низких температур
Значение и применение исследований физики низких температур
Влияние низких температур на живой организм и неживую материю
Заключение
Литература
Введение
Физика низких температур - раздел физики, занимающийся изучением физических свойств систем, находящихся при низких температурах. В частности, этот раздел рассматривает такие явления, как сверхпроводимость <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> и сверхтекучесть <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D1%82%D0%B5%D0%BA%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C>.
Физика низких температур изучает физические процессы, протекающие при очень низких температурах, вплоть до абсолютного нуля, занимается изучением свойств материалов при этих низких и сверхнизких температурах, и таким образом связана со многими областями науки и техники.
Температура определяется интенсивностью теплового движения молекул и атомов. Когда вещество охлаждается, тепловое движение его частиц затухает. Если же тепловое движение совсем прекратится, дальнейшее понижение температуры станет невозможным. Такую наинизшую температуру называют абсолютным нулем и принимают ее за начало отсчета в абсолютной температурной шкале, носящей имя английского физика Кельвина.
Обыватели привыкли к тому, что температура измеряется в градусах Цельсия. Согласно Международной системе единиц температура измеряется в Кельвинах. Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Для удобства практики взята близкая к ней точка таяния льда 273,15 К, соответствующая 0°С шкалы Цельсия. Поэтому температура в кельвинах (Т) связана с температурой в градусах Цельсия (t) соотношением:
|
|
|
Т = 273,15 K + t.
Так, температура кипения жидкого кислорода по шкале Цельсия составляет -183°С (минус сто восемьдесят три градуса Цельсия), а по шкале Кельвина 90К (девяносто Кельвин), температура кипения жидкого азота -196°С или 77К, температура кипения жидкого водорода -253°С или 20К. Абсолютному нулю 0К, по шкале Цельсия соответствует температура минус 273°С. Ниже этой температуры не бывает во всей вселенной.
Техника, с помощью которой получают столь низкие температуры, называется криогенной техникой. «Крио» в переводе на русский язык означает «холод», а «гениум» - «рождение», таким образом, криогенная техника - это техника порождающая, или вырабатывающая холод.
История физики низких температур
В 1908 году в Лейденской лаборатории голландскому ученому Камерлингу-Оннесу впервые в мире удалось получить сжиженный гелий - самый трудно-сжижаемый газ. А в 1911 году он же начал изучать физические свойства чистых металлов при низких температурах.
В те годы самыми чистыми металлами были самородное червонное золото и ртуть, которую умели получать несколькими способами. Используя полученные технические возможности, связанные со сжижением гелия, Камерлинг-Оннес внимательно изучал изменение электрического сопротивления этих двух суперчистых металлов с понижением температуры. И оказалось, что ведут они себя совершенно по-разному. Красивое, очень чистое самородное золото понижает свое сопротивление с понижением температуры, но оно остается конечным, сколь бы низкой ни была температура.
А вот ртуть ведет себя совершенно неожиданно. При какой-то очень низкой температуре ее электрическое сопротивление исчезает, становится практически равным нулю.
Вот таким образом Камерлинг-Оннес совершил величайшее открытие. Он обнаружил явление сверхпроводимости металлов. Теоретически это явление обосновано спустя полвека советским ученым Н.Н. Боголюбовым и, независимо от него, американскими учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером и Л. Купером. Этим ученым принадлежит приоритет в разработке теории сверхпроводимости металлов.
|
|
|
Со времени открытия явления сверхпроводимости до начала 40-х годов 20 века область физики низких температур развивалась довольно медленно. Во всем мире в области криогеники работало не более 500-600 человек. Область была трудной, дорогой потому, что само вещество, с помощью которого получали низкие температуры, было дорогим.
Располагая уникальными возможностями проведения исследований вблизи абсолютного нуля, ученые пытались изучить все, что только было можно. Они исследовали металлы, диэлектрики, живую материю, живые существа. Это были годы, когда пытались выяснить даже вопрос о том, влияют ли низкие температуры на период полураспада радиоактивных элементов.
В этот период было открыто, что жидкий гелий обладает теплопроводностью, которая конкурирует с теплопроводностью самых лучших металлов. Жидкий гелий - вещество, которое сжижается и остается жидким при самой низкой температуре, вплоть до абсолютного нуля, затвердевает только в том случае, если его поместить в сосуд и поднять там давление до 25 атмосфер.
При исследовании свойств жидкого гелия П.Л. Капица обнаружил, что эта удивительная жидкость обладает не только сверхтеплопроводностью, но и обладает еще одним уникальным свойством, свойством сверхтекучести, свойством, которое характеризуется тем, что эта жидкость может протекать сквозь самые тончайшие капилляры и поры без всякой вязкости, без всякого сопротивления.
В годы Великой Отечественной войны обострился интерес к криогенике. Это было вызвано созданием нового вида оружия, новой военной техники, которая представляет собой ракетную технику.
В послевоенные годы бурное развитие металлургической и химической промышленности (например, кислородное дутье в мартеновских печах, выработка аммиака, мочевины и др. продуктов) потребовало колоссального количества кислорода и азота. Получать эти газы с помощью обычных химических реакций можно, но только в пробирке. А обеспечение азотом и кислородом заводов и фабрик в промышленных масштабах можно осуществить только с помощью глубокого охлаждения.
|
|
|
Установки, с помощью которых разделяют воздух на составные элементы - это грандиозные сооружения, работающие продолжительное время по непрерывному циклу.
С разработки, изготовления и запуска таких установок и началось развитие отрасли криогенного машиностроения, что в свою очередь вызвало бурное развитие разных областей науки.
Несмотря на то, что в настоящее время существует развитая теория сверхпроводимости проводников, сверхтеплопроводности и сверхтекучести жидкого гелия, теория осцилляционных явлений, ученые продолжают исследования свойств веществ в экстремальных условиях. Оказывается, когда исследуется вещество в экстремальных, то есть в необычных условиях, то можно многое понять о его поведении в обычных условиях.
Область сверхнизких температур дает в этом смысле неограниченные возможности. По мере освоения передовых технологий производства различных генераторов холода, увеличился интерес к использованию этого холода в различных областях науки и техники. В результате этого в мире сложилась такая ситуация: кто бы ни был исследователь - физик чистый; физик, работающий в области физики металлов, полупроводников, диэлектриков; химик, занимающийся изучением химических реакций, строения химических веществ; биолог, занимающийся изучением свойств клетки, внеклеточных структур; пищевик, заботящийся о длительном хранении пищевых продуктов; исследователи многих других специальностей сосредотачивают свое внимание на современных достижениях криогеники.
|
|
|
