belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 133
Текст из файла (страница 133)
Этот результат является одним из первых убедительных доказательств влияния магнитного поля на человека, которым занимается специальная наука магнитобиология. В последние два десятилетия прогресс в создании сильных магнитных полей был линейным в логарифмическом масштабе: к концу ХЧП1 в.
максимальное поле составляло 10 2 Тл, к концу Х1Х в. 1 Тл, а в конце ХХ в. оно близко к 100 Тл. Поэтому, если быть оптимистом, можно ожидать, что ШЛ. ВБЛИЗИ АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ к концу ХХ1 в. оно достигнет 104 Тл. Если это произойдет, то техника сильных магнитных полей откроет новый удивительный мир, поскольку эти поля близки к пределу так называемой «химической катастрофы», когда радиус орбиты внешнего электрона атома в магнитном поле становится порядка боровского радиуса. 12.9.
Вблизи абсолютного нуля Изучение свойств вещества при температурах, близких к абсолютному нулю, началось с 1908 г. Тогда в лаборатории Камерлинг-Оннеса в Лейдене (Голландия) впервые был получен жидкий гелий, температура конденсации которого при обычном давлении составляет всего лишь 4,2 К. Последующее развитие исследований в области низких температур показало, сколь разнообразны физические явления вблизи абсолютного нуля, которые могут быть объяснены только на основе квантовомеханических представлений.
При низких температурах хаотическое тепловое движение частиц практически прекращается, флуктуации перестают «замазывать» их индивидуальные свойства и режиссером их поведения становится квантовая механика. Из всех необычных состояний материи при низких температурах наиболее замечательными несомненно являются сверхтекучие жидкости, или сверх- жидкости, как их часто называют для краткости.
Они являются, пожалуй, единственными примерами состояний вещества, в которых наиболее ярко в макроскопическом масштабе проявляются квантовые закономерности. Существуют только три сверхжидкости: сверхтекучий Не, электронный газ в сверхпроводниках и сверхтекучий ВНе (правда следует отметить, что существует еще одна экзотическая возможность нейтронная жидкость в недрах нейтронных звезд). Сверхтекучесть жидкого гелия была открыта П.Л. Капицей в 1937 г., а теория этого явления была чуть позже, в 1941 г., разработана Л.Д.
Ландау. Явление сверхтекучести состоит в том, что при температуре 2,2 К вязкость жидкость скачком становится равной нулю, происходит фазовый переход П рода в совершенно новое, сверхтекучее состояние. Жидкий гелий-П (так называется сверхтекучий гелий) свободно вытекает из сосуда через любую щель. Необычное состояние гелия при температурах ниже 2,2 К видно, что называется, невооруженным глазом. Понизить температуру жидкого гелия достаточно просто, для этого путем откачки его паров уменьшают давление над поверхностью. При откачке паров гелия из криостата (сосуда наподобие сосуда Дьюара, в котором хранится жидкий гелий; в повседневной жизни сосуды Дьюара ..
это термосы, долго сохраняющие температуру находящихся в них продуктов, в частности чая, кофе, супа) жидкий гелий бурно кипит за счет проникающего извне тепла, что отчетливо видно через стеклянное окошко. Так продолжается, пока мы не достигнем критической точки, когда вдруг все это бурное кипение неожиданно прекращается и жидкость становится абсолюз по спокойной. Кипение жидкости с пузырьками, образующимися в объеме, происходит из-за больших градиентов температур внутри жидкости.
Полное спокойствие жидкого гелия-П, несмотря на продолжающуюся откачку, это отражение того факта, что температура всей жидкости внезапно становится 490 ГЛ. >2. ЗЛКЛК>ЧЕНИЕ всюду одной и той же. Иными словами, теплопроводность, характеризующая перенос тепла в жидкости, внезапно становится почти бесконечной. Причина перехода жидкого гелия в сверхтекучее состояние образование так называемого бозе-конденсата его атомами. Хотя структурные единицы атома гелия два протона, два нейтрона и два электрона являются фермионами, объединяясь вместе, они образук>т бозон.
Основное свойство бозопов состоит в том, что можно поместить любое их число в одно квантовое состояние. Такой переход и происходит при критической температуре, когда тепловое движение пе может противостоять бозе-конденсации атомов. Как указывалось в гл. 10, посвященной сверхпроводимости, бозе-конденсация электронов возможна потому, что электроны образуют куперовские пары и становятся бозонами. Тем самым в сверхпроводящем состоянии электроны образуют заряженную сверхжидкость.
Сверхпроводимость есть ни что иное, как безвязкостное течение электронов по проводнику, т, е, она является полным аналогом сверхтекучести. Точно так же становится сверхтекучим и легкий изотоп гелия зНе, Атом зПе является фермиопом, так как у него всего один пейтрон, а не два, как у обычного гелия. Процесс спаривания атомов ' Не аналогичен про- 3 .
цессу образования куперовских пар электронов в сверхпроводниках. Атомы попарно объединяются и тем самым превращаются в бозоны. Происходит переход ' Не в сверхтекучее состояние при значительно более низкой темз пературе . при температуре 2 5 мК. Это делает эксперименты с зНе намного более трудными, однако Не обладает нескомпснсировапным спипом ядра, что обеспечивает богатый спектр возбуждения этой квантовой жидкости по сравнению с Не. Эти возбуждения регистрируются при рассеянии холодных нейтронов на ' Не, и получаемая информация вполне оправдывает з приложенные усилия. Исследования в области температур, отстоящих от абсолютного нуля на тысячные и даже миллионные (а иногда и миллиардные) доли градуса, не ограничиваются только изучением сверхтекучих свойств зНе.
Не менее экзотические свойства демонстрируют и твердые вещества, особенно это касается изучения магнитных свойств твердых тел при столь низких температурах. «Обычные» магнетики становятся ферромагнитными или атиферромагпитными (спонтанно намагничиваются) при температурах в несколько десятков или даже сотен градусов. Магнитное упорядочение обязано обменному (чисто квантовому по своей природе) взаимодействию атомных электронов.
Такие вещества иногда называют электронными магнетиками. Однако магнитным моментом обладают и ядра., а их магнитный момент по порядку величины равен ядерному магнетону Бора, т. е. примерно в 2000 раз меньше. Поэтому спонтанное магнитное упорядочение в системе ядерных спинов происходит при значительно более низких температурах в области милликельвинов и ниже. Так ядра меди упорядочиваются антиферромагнитным образом при температуре 58 нК, а ядра родия образуют ферромагнитный порядок при 280 пК. Охлаждение вещества до столь низких температур производится методом адиабатического размагничивания ядер.
Конечно, наблюдение магнитного упорядочения ядер требует экстремальных условий, но система ядерных спинов в металле является очень удобным обьектом для изучения общих вопросов магнетизма. Эта область исследований получила свое название --- ядерный иигнгтиз44.
Существенно, что 12.9. ВБЛИЗИ АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ 491 ядра хорошо локализованы, при низких температурах они изолированы от электронных и решеточных степеней свободы, а взаимодействие между ними может быть рассчитано из первых принципов. Чем современныс теории отличаются от теорий классической физики? Разумеется, они позволили куда точнее, чем раныпе, предсказывать ход многих явлений, а также предсказали и позволили открыть немало явлений, неизвестных ранее. Но классическая физика тоже было всеобьемлющей и хорошо развитой теорией. Она и сейчас сохранила значение как предельный или частный случай новых теорий, которые, когда дело доходит до чисел, нередко дают лишь малые поправки к классике.
Но каждая из современных фундаментальных физических теорий открыла поразительные факты тождественности внутренней природы явлений, которые до этого уму человека представлялись совершенно независимыми и даже несовместимыми по самой своей сути. Казалось бы, все это относится к области «чистой пауки». Но одним из основных итогов ХХ в. явилось то, что называется нау то-техническая револ,юпия. Глубоко11 понимание законов природы привело к бурному проникновению научных достижений в многочисленные области «обычной» человеческой деятельности — в медицину, энергетику, экологию., информатику, электронику, биологию.
В этом процессе трудно переоценить роль физики, которая является фундаментом естествознания. ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 141, 149 Абрикосов А.А., 427 Абсолютно черное тело, 340 Адиабата, 210 Пуассона, 210 Адиабатическая оболочка, 206 Адиабатические столкновения, 311 Адроны, 168 Акустическая ветвь, 376 Акцепторные атомы, 410 Альфа-распад, 132 Ангстрем, 12 Андерсон К., 166 Андерсон Ф., 474 Апизотропия, 252, 356 Античастица., 166 Аристотель, 470 Арцимович Л.А., 162 Аткинсон Р., 163 Атом водорода, 13 водородоподобный, 74 планетарная модель, 17 Атомная единица массы, 119 Атомные дефекты, 371 Атомный радиус, 361 Аттрактор, 326 Аюи Р., 353 База, 417 Бальмер И., 13 Бардин Дж., 427 Барионы, 168 Баркгаузен Г., 455 Барнетт Со 88 Барометрическая формула, 273 Басов Г.Н., 345 Бсднорц И.Г., 428 Беккероль А., 130 Белоусов Б,П., 322 Бепар Х., 316 Бернулли Д., 186 Бета-распад, 135 Бете Г., 164 Биттер Ф., 486 Бозе Дж., 186 Бозе-конденсат, 434 Бозе-частицы, 344 Бозоны, 96 Бойль Р., 186 Больцман Л., 186 Большой изрыв, 481 Бор Н., 11, 17, 19, 46, 72, 94, 123 Бор О., 127 Бора радиус, 18 Борн М., 36 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 493 Боровские орбиты, 18 Браве О., 358 Браге Т., 470 Б|>аун 1'., 299 Брндер, 160 Бройзтьйте) Л., 34 Броуновское движение, 299 Брэгга-Вульфа условие, 36 Брэкет Ф., 14 Бунзен Р., 13 Бэкон Ф,, 186 Вайнберг С., 179 Вайцзеккер Кч 123 Вейль Гч 44 Вейсс П., 459, 464 Векторы трансляции, 356 Великое объединение, 182 Вернадский В.И., 330 Вероятность, 267 термодинамическая, 279, 286 Взаимодействие, 470 дисперсионное, 362 обменное, 111 косвенное, 463 ориентапиоиное, 362 поляризационное, 362 сильное, 121 слабое, 474 фундаментальное, 473 Взрывомагнитные генераторы, 487 Вин М., 334 Вихревая нить, 443 Внутренние симметрии, 475 Водородный цикл, 163 Волна де Бройля, 34., 37, 368 Волновая функция, 40 антисимметричная, 96 радиальная, 81 симметричная, 96 угловая, 81 Волновое число приведенное, 375 Время жизни, 103 Ву Ч.С,, 138 Вуд Р., 380 Вырожденные состояния, 84 Высокотемпературный сверхпроводник, 428, 447 Вязкость, 195, 202 Газ Ван-дер-Ваальса, 241 внутренняя энергия, 244 критическая точка, 243 энтропия, 244 алиабатическое истечение, 212 идеальный, 192 внутренняя энергия, 211 скорость звука, 212 неравновеспый, 308 разреженный.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
