Tselsiy bo'yicha mutlaq nol harorat. Mutlaq nol
Shuningdek o'qing
Harorat qanchalik past bo'lishi mumkinligi haqida hech o'ylab ko'rganmisiz? Mutlaq nol nima? Insoniyat qachondir bunga erisha oladimi va bunday kashfiyotdan keyin qanday imkoniyatlar ochiladi? Bu va boshqa shunga o'xshash savollar uzoq vaqtdan beri ko'plab fiziklar va shunchaki qiziquvchan odamlarning ongida.
Mutlaq nol nima
Agar siz bolaligingizdan fizikani yoqtirmasangiz ham, ehtimol siz harorat tushunchasi bilan tanishsiz. Molekulyar kinetik nazariya tufayli biz endi u bilan molekulalar va atomlarning harakati o'rtasida ma'lum bir statik bog'liqlik mavjudligini bilamiz: nima? yuqori harorat har qanday jismoniy jismning atomlari tezroq harakat qiladi va aksincha. Savol tug'iladi: “Bunday pastki chegara bormi? elementar zarralar joyida qotib qoldimi?" Olimlar bu nazariy jihatdan mumkin, deb hisoblashadi, termometr -273,15 daraja Selsiyda bo'ladi; Bu qiymat mutlaq nol deb ataladi. Boshqacha qilib aytganda, bu sovutish mumkin bo'lgan minimal chegaradir jismoniy tana. Hatto mutlaq harorat shkalasi (Kelvin shkalasi) mavjud bo'lib, unda mutlaq nol mos yozuvlar nuqtasidir va shkalaning bir bo'linishi bir darajaga teng. Butun dunyo olimlari ushbu qadriyatga erishish yo'lida ishlashdan to'xtamaydilar, chunki bu insoniyat uchun ulkan istiqbollarni va'da qiladi.
Nima uchun bu juda muhim
Juda past va o'ta yuqori haroratlar o'ta suyuqlik va o'ta o'tkazuvchanlik tushunchalari bilan chambarchas bog'liq. Supero'tkazuvchilarda elektr qarshiligining yo'qolishi tasavvur qilib bo'lmaydigan samaradorlik ko'rsatkichlariga erishish va har qanday energiya yo'qotishlarini bartaraf etish imkonini beradi. Agar biz "mutlaq nol" qiymatiga erkin erishishga imkon beradigan yo'lni topsak, insoniyatning ko'plab muammolari hal qilingan bo'lar edi. Reylar ustida harakatlanuvchi poyezdlar, engilroq va kichikroq dvigatellar, transformatorlar va generatorlar, yuqori aniqlikdagi magnitoensefalografiya, yuqori aniqlikdagi soatlar – bular o‘ta o‘tkazuvchanlik hayotimizga nima olib kelishi mumkinligiga bir necha misoldir.
Eng so'nggi ilmiy yutuqlar
2003 yil sentyabr oyida MIT va NASA tadqiqotchilari natriy gazini rekord darajada sovutishga muvaffaq bo'lishdi. Tajriba davomida ular tugatish belgisidan (mutlaq nol) faqat yarim milliarddan bir daraja kam edi. Sinovlar paytida natriy doimiy ravishda magnit maydonda bo'lib, uni idishning devorlariga tegizishdan saqladi. Agar harorat to'sig'ini yengib o'tish mumkin bo'lsa, gazdagi molekulyar harakat butunlay to'xtagan bo'lar edi, chunki bunday sovutish natriydan barcha energiyani ajratib oladi. Tadqiqotchilar muallifi (Volfgang Ketterle) 2001 yilda olgan texnikadan foydalanganlar Nobel mukofoti fizikada. Asosiy nuqta o'tkazilgan sinovlarda edi gaz jarayonlari Bose-Eynshteyn kondensatsiyasi. Shu bilan birga, hali hech kim termodinamikaning uchinchi qonunini bekor qilmagan, unga ko'ra mutlaq nol nafaqat engib bo'lmas, balki erishib bo'lmaydigan qiymatdir. Bundan tashqari, Heisenberg noaniqlik printsipi qo'llaniladi va atomlar o'z yo'lida to'xtab qololmaydi. Shunday qilib, hozircha mutlaq nol harorat fan uchun erishib bo'lmaydigan bo'lib qolmoqda, garchi olimlar unga ahamiyatsiz masofaga yaqinlasha olishgan.
"Harorat" atamasi fiziklar issiq jismlar quyidagilardan iborat deb o'ylagan paytda paydo bo'lgan Ko'proq o'ziga xos modda - kaloriya - bir xil jismlarga qaraganda, lekin sovuq. Va harorat tanadagi kaloriya miqdoriga mos keladigan qiymat sifatida talqin qilindi. O'shandan beri har qanday jismning harorati darajalarda o'lchanadi. Ammo aslida bu o'lchovdir kinetik energiya harakatlanuvchi molekulalar va shunga asoslanib, uni C birliklar tizimiga muvofiq Joul bilan o'lchash kerak.
"Mutlaq nol harorat" tushunchasi termodinamikaning ikkinchi qonunidan kelib chiqadi. Unga ko'ra, issiqlikni sovuq jismdan issiqqa o'tkazish jarayoni mumkin emas. Bu tushunchani ingliz fizigi V.Tomson kiritgan. Fizikadagi yutuqlari uchun unga "Lord" zodagonlik unvoni va "Baron Kelvin" unvoni berildi. 1848 yilda V. Tomson (Kelvin) harorat shkalasidan foydalanishni taklif qildi, unda u haddan tashqari sovuqqa mos keladigan mutlaq nol haroratni boshlang'ich nuqta sifatida oldi va bo'linish qiymati sifatida Selsiy gradusini oldi. Kelvin birligi suvning uchlik nuqtasi haroratining 1/27316 ga teng (taxminan 0 daraja C), ya'ni. qaysi haroratda Toza suv U darhol uchta shaklda topiladi: muz, suyuq suv va bug '. harorat - molekulalarning harakati to'xtaydigan minimal mumkin bo'lgan past harorat va endi moddadan ajratib olish mumkin emas. issiqlik energiyasi. O'shandan beri o'lchov mutlaq haroratlar nomi bilan atala boshlandi.
Harorat turli shkalalarda o'lchanadi
Eng ko'p ishlatiladigan harorat shkalasi Selsiy shkalasi deb ataladi. U ikki nuqtada qurilgan: suvning suyuqlikdan bug'ga va suvning muzga fazali o'tish harorati. A. Tselsiy 1742 yilda mos yozuvlar nuqtalari orasidagi masofani 100 oraliqga bo'lish va muzlash nuqtasi 100 daraja bo'lgan suvni nol sifatida olishni taklif qildi. Ammo shved K. Linnaeus buning aksini qilishni taklif qildi. O'shandan beri suv A. Selsiy bo'yicha nol darajada muzlab qoldi. Garchi u Selsiy bo'yicha aniq qaynashi kerak. Mutlaq nol Selsiy bo'yicha minus 273,16 daraja Selsiyga to'g'ri keladi.
Yana bir nechta harorat shkalasi mavjud: Farengeyt, Reaumur, Rankin, Nyuton, Roemer. Ular har xil bo'linma narxlariga ega. Misol uchun, Reaumur shkalasi ham suvni qaynatish va muzlatishning mos yozuvlar nuqtalarida qurilgan, ammo u 80 ta bo'limga ega. 1724 yilda paydo bo'lgan Farengeyt shkalasi kundalik hayotda faqat dunyoning ayrim mamlakatlarida, shu jumladan AQShda qo'llaniladi; biri suv muzi va ammiak aralashmasining harorati, ikkinchisi esa inson tanasi. O'lchov yuzta bo'linmaga bo'lingan. Nol Selsiy 32 ga to'g'ri keladi Farangeytga darajalarni o'zgartirish formuladan foydalanib amalga oshirilishi mumkin: F = 1,8 C + 32. Teskari konvertatsiya: C = (F - 32) / 1,8, bu erda: F - Farengeyt darajasi, C - Tselsiy darajasi. Agar siz hisoblash uchun juda dangasa bo'lsangiz, Selsiyni Farengeytga aylantirish uchun onlayn xizmatga o'ting. Qutida Selsiy bo'yicha darajalar sonini kiriting, "Hisoblash" tugmasini bosing, "Farengeyt" ni tanlang va "Boshlash" tugmasini bosing. Natija darhol paydo bo'ladi.
Kelvinning zamondoshi va texnik termodinamika yaratuvchilardan biri bo'lgan ingliz (aniqrog'i shotland) fizigi Uilyam J. Rankin nomi bilan atalgan. Uning shkalasida uchta muhim nuqta bor: boshlanishi mutlaq nol, suvning muzlash nuqtasi Rankine 491,67 daraja va suvning qaynash nuqtasi 671,67 daraja. Renkin va Farengeyt uchun suvning muzlashi va qaynashi o'rtasidagi bo'linishlar soni 180 ni tashkil qiladi.
Ushbu o'lchovlarning aksariyati faqat fiziklar tomonidan qo'llaniladi. Bugun so‘rovda qatnashgan amerikalik o‘rta maktab o‘quvchilarining 40 foizi mutlaq nol harorat nima ekanligini bilmasligini aytdi.
Ob-havo ma'lumotlari nolga yaqin haroratni bashorat qilganda, siz konkida uchmaslik kerak: muz eriydi. Muzning erish harorati Selsiy bo'yicha nol daraja sifatida qabul qilinadi, bu eng keng tarqalgan harorat shkalasi.
Bizga Tselsiy bo'yicha salbiy darajalar - darajalar yaxshi tanish<ниже
нуля>, sovuq darajalari. Yerdagi eng past harorat Antarktidada qayd etilgan: -88,3°C. Yerdan tashqarida ham pastroq haroratlar mumkin: Oy yuzasida yarim tunda -160 ° C ga yetishi mumkin.
Ammo o'zboshimchalik bilan past haroratlar hech qanday joyda bo'lishi mumkin emas. Haddan tashqari past harorat - mutlaq nol - Selsiy shkalasi bo'yicha - 273,16 ° ga to'g'ri keladi.
Mutlaq harorat shkalasi, Kelvin shkalasi mutlaq noldan kelib chiqadi. Muz 273,16 ° Kelvin da eriydi va suv 373,16 ° K da qaynaydi. Shunday qilib, K daraja C darajaga teng. Ammo Kelvin shkalasida barcha haroratlar ijobiydir.
Nima uchun 0°K sovuq chegara hisoblanadi?
Issiqlik - bu moddaning atomlari va molekulalarining xaotik harakati. Moddani sovutganda, undan issiqlik energiyasi chiqariladi va zarrachalarning tasodifiy harakati zaiflashadi. Oxir-oqibat, kuchli sovutish bilan, termal<пляска>zarralar deyarli butunlay to'xtaydi. Mutlaq nol deb qabul qilingan haroratda atomlar va molekulalar butunlay muzlashadi. Prinsiplarga ko'ra kvant mexanikasi, mutlaq nolda u aniq to'xtaydi termal harakat zarralar, lekin zarralarning o'zlari muzlamaydilar, chunki ular butunlay tinchlana olmaydi. Shunday qilib, mutlaq nolda zarralar qandaydir harakatni saqlab turishi kerak, bu nol harakat deb ataladi.
Biroq, moddani mutlaq noldan past haroratgacha sovutish, aytaylik, niyat kabi ma'nosiz fikrdir<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Bundan tashqari, hatto aniq mutlaq nolga erishish deyarli mumkin emas. Siz faqat unga yaqinlasha olasiz. Chunki moddaning barcha issiqlik energiyasini mutlaqo olib tashlashning hech qanday usuli yo'q. Issiqlik energiyasining bir qismi eng chuqur sovutishda qoladi.
Ultra past haroratlarga qanday erishasiz?
Moddani muzlatish uni isitishdan ko'ra qiyinroq. Buni hatto pechka va muzlatgich dizaynini taqqoslashdan ham ko'rish mumkin.
Ko'pgina maishiy va sanoat muzlatgichlarida issiqlik maxsus suyuqlik - freonning bug'lanishi tufayli chiqariladi, u metall quvurlar orqali aylanadi. Buning siri shundaki, freon suyuq holatda faqat etarlicha past haroratda qolishi mumkin. IN sovutish kamerasi Kameraning issiqligi tufayli u qiziydi va qaynaydi, bug'ga aylanadi. Ammo bug 'kompressor tomonidan siqiladi, suyultiriladi va bug'langan freonning yo'qolishini to'ldirib, evaporatatorga kiradi. Kompressorni ishlatish uchun energiya sarflanadi.
Chuqur sovutish qurilmalarida sovuq tashuvchi ultra sovuq suyuqlik - suyuq geliydir. Rangsiz, engil (suvdan 8 marta engil), ostida qaynaydi atmosfera bosimi 4,2°K da, vakuumda esa 0,7°K da. Bundan ham pastroq harorat geliyning engil izotopi tomonidan beriladi: 0,3 ° K.
Doimiy geliyli muzlatgichni o'rnatish juda qiyin. Tadqiqot oddiygina suyuq geliyli vannalarda amalga oshiriladi. Va bu gazni suyultirish uchun fiziklar turli usullardan foydalanadilar. Masalan, oldindan sovutilgan va siqilgan geliy kengaytiriladi, yupqa teshik orqali vakuum kamerasiga chiqariladi. Shu bilan birga, harorat yanada pasayadi va gazning bir qismi suyuqlikka aylanadi. Sovutilgan gazni kengaytirish emas, balki uni ishni bajarishga majburlash ham samaraliroq - pistonni harakatga keltiring.
Olingan suyuq geliy maxsus termoslarda - Dyuar kolbalarida saqlanadi. Bu juda sovuq suyuqlikning narxi (mutlaq nol darajasida muzlamaydigan yagona suyuqlik) ancha yuqori bo'lib chiqadi. Shunga qaramay, suyuq geliy hozirgi kunlarda nafaqat fanda, balki turli xil texnik qurilmalarda ham kengroq qo'llaniladi.
Eng past haroratlarga boshqa yo'l bilan erishildi. Ma'lum bo'lishicha, ba'zi tuzlarning molekulalari, masalan, kaliy xrom alumi, kuch bo'ylab aylanishi mumkin. magnit chiziqlar. Bu tuz suyuq geliy bilan 1°K ga oldindan sovutiladi va kuchli magnit maydonga joylashtiriladi. Bunday holda, molekulalar bo'ylab aylanadi elektr uzatish liniyalari, va chiqarilgan issiqlik suyuq geliy tomonidan olinadi. Keyin magnit maydon keskin o'chiriladi, molekulalar yana aylanadi turli tomonlar, va sarfladi
Bu ish tuzning yanada sovishiga olib keladi. Shunday qilib, biz 0,001 ° K haroratni oldik. Shunga o'xshash usulni printsipial jihatdan ishlatib, boshqa moddalardan foydalangan holda, biz undan ham pastroq haroratni olishimiz mumkin.
Yerda hozirgacha olingan eng past harorat 0,00001° K.
Suyuq geliyli vannalarda juda past haroratgacha muzlatilgan modda sezilarli darajada o'zgaradi. Kauchuk mo'rt bo'ladi, qo'rg'oshin po'lat va elastik kabi qattiq bo'ladi, ko'plab qotishmalar kuchini oshiradi.
Suyuq geliyning o'zi o'ziga xos tarzda harakat qiladi. 2,2 ° K dan past haroratlarda u oddiy suyuqliklar uchun misli ko'rilmagan xususiyatga ega bo'ladi - o'ta suyuqlik: uning bir qismi yopishqoqlikni butunlay yo'qotadi va hech qanday ishqalanishsiz eng tor yoriqlar orqali oqadi.
Bu hodisani 1937 yilda sovet fizigi akademik P. JI. Kapitsa, keyin akademik JI tomonidan tushuntirildi. D. Landau.
Ma'lum bo'lishicha, ultra past haroratlarda ular sezilarli ta'sir ko'rsata boshlaydi kvant qonunlari moddaning xatti-harakati. Ushbu qonunlardan biri talab qilganidek, energiya tanadan tanaga faqat aniq belgilangan qismlarda - kvantlarda o'tkazilishi mumkin. Suyuq geliyda issiqlik kvantlari shunchalik kamki, ular hamma atomlar uchun yetarli emas. Suyuqlikning issiqlik kvantlaridan mahrum bo'lgan qismi go'yo mutlaq nol haroratda bo'lib qoladi, uning atomlari tasodifiy termal harakatda umuman qatnashmaydi va idishning devorlari bilan hech qanday ta'sir qilmaydi. Bu qism (u geliy-H deb nomlangan) ortiqcha suyuqlikka ega. Haroratning pasayishi bilan geliy-P tobora ko'payib boradi va mutlaq nolga teng bo'lganda, barcha geliy geliy-H ga aylanadi.
Superfluidity hozirda juda batafsil o'rganildi va hatto foydali deb topildi amaliy foydalanish: uning yordami bilan geliy izotoplarini ajratish mumkin.
Mutlaq nolga yaqin, ba'zi materiallarning elektr xususiyatlarida juda qiziqarli o'zgarishlar ro'y beradi.
1911 yilda golland fizigi Kamerlingh Onnes yaratdi kutilmagan kashfiyot: ma'lum bo'ldiki, simobda 4,12 ° K haroratda u butunlay yo'qoladi elektr qarshilik. Merkuriy supero'tkazgichga aylanadi. Supero'tkazuvchi halqada paydo bo'lgan elektr toki so'nmaydi va deyarli abadiy oqishi mumkin.
Bunday halqaning tepasida o'ta o'tkazuvchan to'p havoda suzib yuradi va ertak kabi tushmaydi.<гроб Магомета>, chunki uning tortishish kuchi halqa va to'p orasidagi magnit itarilish bilan qoplanadi. Axir, halqadagi uzluksiz oqim magnit maydon hosil qiladi va u o'z navbatida to'pda elektr tokini va u bilan teskari yo'naltirilgan magnit maydonni keltirib chiqaradi.
Simobdan tashqari qalay, qo'rg'oshin, rux va alyuminiy mutlaq nolga yaqin o'ta o'tkazuvchanlikka ega. Bu xususiyat 23 ta elementda va yuzdan ortiq elementda topilgan turli qotishmalar va boshqa kimyoviy birikmalar.
Supero'tkazuvchanlik paydo bo'ladigan haroratlar (kritik haroratlar) juda keng diapazonni qamrab oladi - 0,35 ° K (gafniy) dan 18 ° K (niobiy qalay qotishmasi).
Supero'tkazuvchanlik fenomeni, xuddi super-
suyuqligi batafsil o‘rganilgan. Bog'liqliklar topildi kritik haroratlar materiallarning ichki tuzilishi va tashqi magnit maydonidan. O'ta o'tkazuvchanlikning chuqur nazariyasi ishlab chiqilgan (muhim hissa sovet olimi akademik N. N. Bogolyubov qo'shgan).
Ushbu paradoksal hodisaning mohiyati yana sof kvantdir. Juda past haroratlarda elektronlar ichkariga kiradi
o'ta o'tkazgichlar kristall panjaraga energiya bera olmaydigan yoki uni isitish uchun chiqindi energiya kvantlari bo'lmagan juft-juft bog'langan zarralar tizimini hosil qiladi. Elektron juftlari xuddi shunday harakat qiladi<танцуя>, orasida<прутьями решетки>- ionlar va ularni to'qnashuvsiz va energiya o'tkazmasdan chetlab o'tish.
Supero'tkazuvchanlik texnologiyada tobora ko'proq foydalanilmoqda.
Masalan, o'ta o'tkazuvchan solenoidlar amalda qo'llaniladi - suyuq geliyga botirilgan supero'tkazgichning sariqlari. Bir marta induksiyalangan oqim va natijada magnit maydon ularda istalgancha saqlanishi mumkin. U ulkan hajmga yetishi mumkin - 100 000 dan ortiq. Kelajakda, shubhasiz, kuchli sanoat supero'tkazuvchi qurilmalar paydo bo'ladi - elektr motorlar, elektromagnitlar va boshqalar.
Radioelektronikada, ayniqsa suyuq geliyli vannalarda yaxshi ishlaydigan ultra sezgir kuchaytirgichlar va elektromagnit to'lqinlar generatorlari muhim rol o'ynay boshlaydi - bu erda ichki<шумы>uskunalar. Elektron hisoblash texnologiyasida kam quvvatli o'ta o'tkazgichli kalitlar - kryotronlar uchun porloq kelajak va'da qilinadi (2-moddaga qarang).<Пути электроники>).
Bunday qurilmalarning ishlashini yuqoriroq, qulayroq haroratlar mintaqasiga oshirish qanchalik jozibali bo'lishini tasavvur qilish qiyin emas. Yaqinda polimer plyonkali supero'tkazgichlarni yaratish umidi kashf qilindi. Bunday materiallardagi elektr o'tkazuvchanligining o'ziga xos xususiyati hatto o'ta o'tkazuvchanlikni saqlab qolish uchun ajoyib imkoniyatni va'da qiladi. xona harorati. Olimlar bu umidni ro'yobga chiqarish yo'llarini izlamoqdalar.
Endi keling, dunyodagi eng issiq narsa - yulduzlar qa'riga qaraylik. Harorat millionlab darajaga yetadigan joyda.
Yulduzlardagi tasodifiy issiqlik harakati shunchalik kuchliki, u erda butun atomlar mavjud bo'lolmaydi: ular son-sanoqsiz to'qnashuvlarda yo'q qilinadi.
Shuning uchun juda issiq bo'lgan modda na qattiq, na suyuq, na gazsimon bo'lishi mumkin. U plazma holatida, ya'ni elektr zaryadlangan aralashmasidir<осколков>atomlar - atom yadrolari va elektronlar.
Plazma materiyaning o'ziga xos holatidir. Uning zarralari elektr zaryadlanganligi sababli ular elektr va magnit kuchlarga sezgir. Shuning uchun ikkita atom yadrosining yaqinligi (ular musbat zaryadga ega) kam uchraydigan hodisadir. Faqat qachon yuqori zichliklar va juda katta haroratlarda bir-biri bilan to'qnashgan atom yadrolari bir-biriga yaqinlasha oladi. Keyin termoyadro reaktsiyalari sodir bo'ladi - yulduzlar uchun energiya manbai.
Bizga eng yaqin yulduz Quyosh, asosan, vodorod plazmasidan iborat bo'lib, u yulduzning ichaklarida 10 million darajagacha isitiladi. Bunday sharoitda tez vodorod yadrolari - protonlarning, kamdan-kam bo'lsa-da, yaqindan uchrashishi sodir bo'ladi. Ba'zida yaqin keladigan protonlar o'zaro ta'sir qiladi: elektr itarishni engib, ular gigant kuchiga tushadilar. yadro kuchlari diqqatni jalb qilish, tezda<падают>bir-birining ustiga qo'ying va birlashtiring. Bu erda bir lahzali qayta qurish sodir bo'ladi: ikkita proton o'rniga deytron (og'ir vodorod izotopining yadrosi), pozitron va neytrino paydo bo'ladi. Chiqarilgan energiya 0,46 million elektron volt (MeV) ni tashkil qiladi.
Har bir alohida quyosh protoni o'rtacha 14 milliard yilda bir marta bunday reaktsiyaga kirishishi mumkin. Ammo yorug'lik ichaklarida protonlar shunchalik ko'pki, u erda va u erda bunday kutilmagan hodisa sodir bo'ladi - va bizning yulduzimiz o'zining tekis, ko'zni qamashtiruvchi alangasi bilan yonadi.
Deytronlarning sintezi quyosh termoyadroviy o'zgarishlarining faqat birinchi bosqichidir. Yangi tug'ilgan deytron juda tez orada (o'rtacha 5,7 soniyadan keyin) boshqa proton bilan birlashadi. Yengil geliy yadrosi va gamma nurlari paydo bo'ladi elektromagnit nurlanish. 5,48 MeV energiya ajralib chiqadi.
Nihoyat, o'rtacha har million yilda bir marta ikkita engil geliy yadrolari birlashishi va birlashishi mumkin. Keyin oddiy geliy yadrosi (alfa zarrasi) hosil bo'ladi va ikkita proton bo'linadi. 12,85 MeV energiya ajralib chiqadi.
Bu uch bosqichli<конвейер>termoyadro reaksiyalari yagona emas. Yadroviy o'zgarishlarning yana bir zanjiri bor, ular tezroq. Unda uglerod va azotning atom yadrolari (iste'mol qilinmasdan) ishtirok etadi. Ammo ikkala variantda ham alfa zarralari vodorod yadrolaridan sintezlanadi. Majoziy qilib aytganda, Quyoshning vodorod plazmasi<сгорает>, aylanadi<золу>- geliy plazmasi. Va geliy plazmasining har bir grammini sintez qilish jarayonida 175 ming kVt / soat energiya chiqariladi. Katta soni!
Quyosh har soniyada 41033 erg energiya chiqaradi va 41012 g (4 million tonna) materiyani yo'qotadi. Ammo Quyoshning umumiy massasi 21027 tonnani tashkil etadi, bu million yil ichida radiatsiya tufayli Quyosh<худеет>uning massasining atigi o'n milliondan bir qismi. Bu raqamlar termoyadro reaktsiyalarining samaradorligini va quyosh energiyasining ulkan kalorifik qiymatini yorqin tarzda ko'rsatadi.<горючего>- vodorod.
Ko'rinib turibdiki, termoyadro termoyadroviy sintezi barcha yulduzlar uchun asosiy energiya manbai hisoblanadi. Yulduzlarning ichki qismidagi har xil harorat va zichliklarda har xil turdagi reaksiyalar yuzaga keladi. Xususan, quyosh<зола>-geliy yadrolari - 100 million daraja haroratda uning o'zi termoyadroga aylanadi<горючим>. Shunda alfa zarralaridan yanada og'irroq atom yadrolari - uglerod va hatto kislorod ham sintezlanishi mumkin.
Ko'pgina olimlarning fikriga ko'ra, bizning butun metagalaktikamiz ham mevadir termoyadro sintezi, bu milliard daraja haroratda sodir bo'ldi (qarang.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Termoyadroning favqulodda kalorifik qiymati<горючего>olimlarni yadroviy sintez reaktsiyalarini sun'iy amalga oshirishga undadi.
<Горючего>- Sayyoramizda juda ko'p vodorod izotoplari mavjud. Masalan, o'ta og'ir vodorod tritiyni yadroviy reaktorlarda metall lityumdan ishlab chiqarish mumkin. Va og'ir vodorod - deyteriy tarkibga kiritilgan og'ir suv, bu oddiy suvdan olinishi mumkin.
Ikki stakan oddiy suvdan olingan og'ir vodorod beradi termoyadroviy reaktor bir barrel premium benzinni yoqish qancha energiya ishlab chiqaradi.
Qiyinchilik oldindan qizdirishdir<горючее>kuchli termoyadro olovi bilan yonishi mumkin bo'lgan haroratgacha.
Bu muammo birinchi marta vodorod bombasida hal qilindi. U yerdagi vodorod izotoplari portlash natijasida alangalanadi atom bombasi, bu moddaning ko'p o'n million darajagacha qizdirilishi bilan birga keladi. Vodorod bombasining bir versiyasida termoyadro yoqilg'isi mavjud kimyoviy birikma engil litiy bilan og'ir vodorod - engil lityum deuterid. Bu osh tuziga o'xshash oq kukun,<воспламеняясь>dan<спички>, bu atom bombasi bir zumda portlaydi va yuzlab million daraja haroratni yaratadi.
Tinch termoyadro reaktsiyasini boshlash uchun avvalo vodorod izotoplarining etarlicha zich plazmasining kichik dozalarini atom bombasi xizmatisiz yuzlab million daraja haroratgacha qizdirishni o'rganish kerak. Bu muammo zamonaviy amaliy fizikada eng qiyin masalalardan biridir. Butun dunyo olimlari uning ustida ko'p yillar davomida ishlamoqda.
Aytganimizdek, zarrachalarning xaotik harakati jismlarning isishi va ularning tasodifiy harakatining o'rtacha energiyasi haroratga mos keladi. Sovuq tanani isitish, bu buzuqlikni har qanday tarzda yaratishni anglatadi.
Tasavvur qiling-a, ikki guruh yuguruvchilar bir-birlariga shoshilishadi. Shunday qilib, ular to'qnashdilar, aralashdilar, siqilish va tartibsizlik boshlandi. Ajoyib tartibsizlik!
Xuddi shu tarzda, fiziklar dastlab yuqori haroratni - gaz oqimlarini to'qnashtirish orqali olishga harakat qilishdi. Yuqori bosim. Gaz 10 ming darajagacha qiziydi. Bir vaqtlar bu rekord edi: harorat Quyosh yuzasidagidan yuqori edi.
Ammo bu usul bilan gazni yanada sekin, portlamaydigan isitish mumkin emas, chunki termal buzilish bir zumda barcha yo'nalishlarda tarqalib, eksperimental kameraning devorlarini va atrof-muhitni isitadi. Olingan issiqlik tezda tizimni tark etadi va uni izolyatsiya qilish mumkin emas.
Agar gaz oqimlari plazma oqimlari bilan almashtirilsa, issiqlik izolyatsiyasi muammosi juda qiyin bo'lib qolmoqda, ammo uni hal qilish uchun ham umid bor.
To'g'ri, plazma hatto eng o'tga chidamli moddadan yasalgan idishlar tomonidan issiqlik yo'qotilishidan himoyalana olmaydi. Qattiq devorlar bilan aloqa qilganda, issiq plazma darhol soviydi. Ammo siz plazmani vakuumda to'planishini yaratib, uni ushlab turishga va isitishga harakat qilishingiz mumkin, shunda u kameraning devorlariga tegmaydi, lekin hech narsaga tegmasdan bo'shliqda osiladi. Bu erda biz plazma zarralari gaz atomlari kabi neytral emas, balki elektr zaryadlanganligidan foydalanishimiz kerak. Shuning uchun, harakatlanayotganda, ular magnit kuchlarga ta'sir qiladi. Vazifa tug'iladi: issiq plazma go'yo ko'rinmas devorlari bo'lgan sumkada osilib turadigan maxsus konfiguratsiyaning magnit maydonini yaratish.
Eng oddiy shakl Ushbu turdagi energiya plazma orqali kuchli impulslar o'tkazilganda avtomatik ravishda hosil bo'ladi elektr toki. Bunday holda plazma shnuri atrofida magnit kuchlar paydo bo'ladi, ular shnurni siqib chiqarishga moyil bo'ladi. Plazma chiqarish trubasining devorlaridan ajralib turadi va zarrachalar ezilishida shnurning o'qida harorat 2 million darajaga ko'tariladi.
Mamlakatimizda bunday tajribalar hali 1950 yilda akademiklar J.I. A. Artsimovich va M. A. Leontovich.
Tajribalarning yana bir yo'nalishi - 1952 yilda sovet fizigi G.I. Budker tomonidan taklif qilingan magnit shishadan foydalanish. Magnit shisha qo'ziqorin kamerasiga - tashqi o'rash bilan jihozlangan silindrsimon vakuum kamerasiga joylashtiriladi, u kameraning uchlarida kondensatsiyalanadi. O'rash orqali o'tadigan oqim kamerada magnit maydon hosil qiladi. Uning o'rta qismidagi maydon chiziqlari silindrning generatorlariga parallel ravishda joylashgan va uchlarida ular siqilib, magnit vilkalar hosil qiladi. Magnit shishaga AOK qilingan plazma zarralari maydon chiziqlari atrofida burishadi va vilkalardan aks etadi. Natijada, plazma bir muddat shisha ichida saqlanadi. Agar shishaga kiritilgan plazma zarralarining energiyasi etarlicha yuqori bo'lsa va ular etarli bo'lsa, ular murakkab o'zaro ta'sirga kirishadi, ularning dastlab tartiblangan harakati aralashadi, tartibsiz bo'ladi - vodorod yadrolarining harorati o'n millionlab darajagacha ko'tariladi. daraja.
Qo'shimcha isitish elektromagnit yordamida amalga oshiriladi<ударами>plazma orqali, magnit maydonning siqilishi va hokazo. Endi og'ir vodorod yadrolarining plazmasi yuzlab million darajagacha qizdiriladi. To'g'ri, bu qisqa vaqt ichida ham, past plazma zichligida ham amalga oshirilishi mumkin.
O'z-o'zidan davom etadigan reaktsiyani boshlash uchun plazmaning harorati va zichligini yanada oshirish kerak. Bunga erishish qiyin. Biroq, olimlarning fikriga ko'ra, muammo shubhasiz hal qilinadi.
G.B. Anfilov
Fotosuratlarni joylashtirish va veb-saytimizdagi maqolalarni boshqa manbalarga havola va fotosuratlar bilan ta'minlash sharti bilan ruxsat etiladi.
Mutlaq nol -273,15 ° S haroratga to'g'ri keladi.
Mutlaq nolga amalda erishib bo'lmaydi, deb ishoniladi. Uning mavjudligi va harorat shkalasidagi joylashuvi kuzatilgan fizik hodisalarni ekstrapolyatsiya qilishdan kelib chiqadi va bunday ekstrapolyatsiya shuni ko'rsatadiki, mutlaq nolda modda molekulalari va atomlarining issiqlik harakati energiyasi nolga teng bo'lishi kerak, ya'ni zarrachalarning xaotik harakati. to'xtaydi va ular kristall panjaraning tugunlarida aniq pozitsiyani egallagan tartibli tuzilmani hosil qiladi. Biroq, aslida, mutlaq nol haroratda ham materiyani tashkil etuvchi zarrachalarning muntazam harakatlari saqlanib qoladi. Qolgan tebranishlar, masalan, nol tebranishlar tufayli kvant xossalari zarralar va ularni o'rab turgan jismoniy vakuum.
Hozirgi vaqtda fizik laboratoriyalarda mutlaq noldan atigi bir necha milliondan bir daraja oshib ketadigan haroratni olish mumkin edi; termodinamika qonunlariga ko'ra, bunga o'zi erishish mumkin emas.
Eslatmalar
Adabiyot
- G. Burmin. Mutlaq nolga hujum. - M.: "Bolalar adabiyoti", 1983 yil.
Shuningdek qarang
Wikimedia fondi. 2010 yil.
Boshqa lug'atlarda "Mutlaq nol" nima ekanligini ko'ring:
ABSOLUTE NOL, tizimning barcha komponentlari KVANT MEXANIKASI qonunlari tomonidan ruxsat etilgan eng kam energiya miqdoriga ega bo'lgan harorat; Kelvin harorat shkalasi bo'yicha nolga teng yoki 273,15 ° S (459,67 ° Farengeyt). Bu haroratda ... Ilmiy-texnik entsiklopedik lug'at
Harorat - bu jismoniy tana ega bo'lishi mumkin bo'lgan haroratning minimal chegarasi. Mutlaq nol Kelvin shkalasi kabi mutlaq harorat shkalasi uchun boshlang'ich nuqta bo'lib xizmat qiladi. Selsiy shkalasi bo'yicha mutlaq nol -273 ... Vikipediya haroratiga to'g'ri keladi.
MUTLAK NO HARORAT- termodinamik harorat shkalasining boshlanishi; 273,16 K (Kelvin) da joylashgan (qarang) suv ostida, ya'ni. 273,16 ° S (Selsiy) ga teng. Mutlaq nol - bu tabiatdagi eng past harorat va amalda erishib bo'lmaydi... Katta politexnika entsiklopediyasi
Bu jismoniy tanaga ega bo'lishi mumkin bo'lgan minimal harorat chegarasi. Mutlaq nol Kelvin shkalasi kabi mutlaq harorat shkalasi uchun boshlang'ich nuqta bo'lib xizmat qiladi. Selsiy shkalasida mutlaq nol -273,15 °C haroratga to'g'ri keladi.... ... Vikipediya
Mutlaq nol harorat - bu jismoniy tana ega bo'lishi mumkin bo'lgan minimal harorat chegarasi. Mutlaq nol Kelvin shkalasi kabi mutlaq harorat shkalasi uchun boshlang'ich nuqta bo'lib xizmat qiladi. Selsiy shkalasi bo'yicha mutlaq nolga to'g'ri keladi... ... Vikipediya
Razg. E'tiborsizlik Arzimas, ahamiyatsiz odam. FSRY, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 ...
nol- mutlaq nol ... Rus iboralari lug'ati
Nol va nol ot, m., ishlatilgan. solishtiring tez-tez Morfologiya: (yo'q) nima? nol va nol, nega? nol va nol, (qarang) nima? nol va nol, nima? nol va nol, nima haqida? taxminan nol, nol; pl. Nima? nollar va nollar, (yo'q) nima? nollar va nollar, nega? nollar va nollar, (ko'ryapman)…… Izohli lug'at Dmitrieva
Mutlaq nol (nol). Razg. E'tiborsizlik Arzimas, ahamiyatsiz odam. FSRY, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 V nol. 1. Jarg. ular aytishdi Hazil. temir. Qattiq intoksikatsiya haqida. Yuganovlar, 471; Vaxitov 2003, 22. 2. Zharg. musiqa Aynan, to'liq mos ravishda...... Katta lug'at Rus so'zlari
mutlaq- mutlaq absurdlik, mutlaq hokimiyat, mutlaq benuqsonlik, mutlaq tartibsizlik, mutlaq fantastika, mutlaq immunitet, mutlaq rahbar, mutlaq minimum, mutlaq monarx, mutlaq axloq, mutlaq nol ... ... Rus iboralari lug'ati
Kitoblar
- Mutlaq nol, mutlaq Pavel. Nes irqining aqldan ozgan olimining barcha ijodlarining umri juda qisqa. Ammo keyingi tajriba mavjud bo'lish imkoniyatiga ega. Uni oldinda nima kutmoqda?...
Mutlaq nol (odatda nol) nima? Bu harorat haqiqatan ham koinotning biron bir joyida mavjudmi? Biz hech narsani mutlaq nolga sovuta olamizmi? haqiqiy hayot? Agar siz sovuq to'lqinni engib o'tish mumkinmi, deb qiziqsangiz, keling, sovuq haroratning eng uzoq nuqtalarini o'rganamiz...
Mutlaq nol (odatda nol) nima? Bu harorat haqiqatan ham koinotning biron bir joyida mavjudmi? Haqiqiy hayotda biror narsani mutlaq nolga sovuta olamizmi? Agar siz sovuq to'lqinni engib o'tish mumkinmi, deb qiziqsangiz, keling, sovuq haroratning eng uzoq nuqtalarini o'rganamiz...
Agar siz fizik bo'lmasangiz ham, harorat tushunchasi bilan tanish bo'lgandirsiz. Harorat - bu materialning ichki tasodifiy energiyasi miqdorining o'lchovidir. "Ichki" so'zi juda muhim. Qor to'pini tashlang va asosiy harakat juda tez bo'lishiga qaramay, qor to'pi juda sovuq bo'lib qoladi. Boshqa tomondan, agar siz xona atrofida uchayotgan havo molekulalariga qarasangiz, oddiy kislorod molekulasi soatiga minglab kilometr tezlikda qovuriladi.
Biz odatda gap kelganda sukut saqlaymiz texnik tafsilotlar, shuning uchun, ayniqsa, mutaxassislar uchun harorat biroz yuqoriroq ekanligini ta'kidlaymiz murakkab narsa aytganimizdan ham. Haqiqiy ta'rif harorat har bir entropiya birligi uchun qancha energiya sarflash kerakligini anglatadi (agar siz ko'proq xohlasangiz tartibsizlik). tushunarli so'z). Biroq, keling, nozik narsalarni chetlab o'tamiz va faqat muzdagi tasodifiy havo yoki suv molekulalari harorat pasayganda sekinroq va sekinroq harakatlanadi yoki tebranadi.
Mutlaq nol harorat -273,15 daraja Selsiy, -459,67 Farengeyt va oddiygina 0 Kelvin. Bu termal harakat butunlay to'xtaydigan nuqta.
Hammasi to'xtadimi?
Muammoni klassik ko'rib chiqishda hamma narsa mutlaq nolda to'xtaydi, ammo aynan shu daqiqada burchakdan kvant mexanikasining dahshatli yuzi ko'rinadi. Bir nechta fiziklarning qonini buzgan kvant mexanikasining bashoratlaridan biri shundaki, siz hech qachon zarrachaning aniq pozitsiyasini yoki momentumini to'liq aniqlik bilan o'lchay olmaysiz. Bu Heisenberg noaniqlik printsipi sifatida tanilgan.
Agar siz muhrlangan xonani mutlaq nolga sovutib qo'ysangiz, g'alati narsalar sodir bo'lardi (bu haqda keyinroq). Havo bosimi deyarli nolga tushadi va havo bosimi odatda tortishish kuchiga qarshi bo'lganligi sababli, havo juda qulab tushadi. yupqa qatlam Polning ustida.
Ammo shunga qaramay, agar siz alohida molekulalarni o'lchashingiz mumkin bo'lsa, siz qiziqarli narsani topasiz: ular tebranadi va aylanadi, faqat bir oz - kvant noaniqligi ishda. i ni nuqta qo'yish uchun: agar siz molekulalarning aylanishini o'lchasangiz karbonat angidrid Mutlaq nolga teng bo'lsa, kislorod atomlari uglerod atrofida soatiga bir necha kilometr tezlikda uchayotganini topasiz - bu siz o'ylagandan ham tezroq.
Suhbat boshi berk ko'chaga yetib boradi. Kvant dunyosi haqida gapirganda, harakat o'z ma'nosini yo'qotadi. Bu masshtablarda hamma narsa noaniqlik bilan belgilanadi, shuning uchun zarrachalar harakatsiz emas, shunchaki ularni hech qachon harakatsiz turgandek o‘lchay olmaysiz.
Qanchalik pastga tushishingiz mumkin?
Mutlaq nolga intilish yorug'lik tezligiga intilish bilan bir xil muammolarga duch keladi. Yorug'lik tezligiga erishish uchun cheksiz energiya talab qilinadi va mutlaq nolga erishish uchun cheksiz miqdordagi issiqlikni olish kerak. Bu ikkala jarayon ham mumkin emas, agar biror narsa bo'lsa.
Haqiqiy mutlaq nolga erishmagan bo'lsak ham, biz bunga juda yaqinmiz (garchi bu holatda "juda" juda bo'sh tushunchadir; bolalar qofiyasi kabi: ikki, uch, to'rt, to'rt va bir yarmi, to'rtta ipda, to'rtta soch kengligida, beshta). Yer yuzida qayd etilgan eng sovuq harorat 1983 yilda Antarktidada qayd etilgan, ya'ni -89,15 daraja Selsiy (184K).
Albatta, agar siz bolalarcha salqinlashni istasangiz, kosmosning chuqurligiga sho'ng'ishingiz kerak. Butun koinot radiatsiya qoldiqlari bilan to'lib toshgan Katta portlash, koinotning eng bo'sh hududlarida - 2,73 daraja Kelvin, bu biz bir asr oldin Yerda olishimiz mumkin bo'lgan suyuq geliyning haroratidan bir oz sovuqroq.
Ammo past haroratli fiziklar texnologiyani keyingi bosqichga olib chiqish uchun muzlash nurlaridan foydalanmoqda. yangi daraja. Muzlatish nurlari lazer shaklida bo'lishini bilish sizni ajablantirishi mumkin. Lekin qanday? Lazerlar yonishi kerak.
Hammasi to'g'ri, lekin lazerlarning bitta xususiyati bor - hatto aytish mumkinki, yakuniy narsa: barcha yorug'lik bir chastotada chiqariladi. Oddiy neytral atomlar, agar chastota aniq sozlanmagan bo'lsa, yorug'lik bilan umuman o'zaro ta'sir qilmaydi. Agar atom yorug'lik manbai tomon uchsa, yorug'lik Doppler siljishini oladi va yuqori chastotaga etadi. Atom mumkin bo'lganidan kamroq foton energiyasini yutadi. Shunday qilib, agar siz lazerni pastroq sozlasangiz, tez harakatlanuvchi atomlar yorug'likni o'zlashtiradi va fotonni tasodifiy yo'nalishda chiqarish orqali ular o'rtacha bir oz energiya yo'qotadi. Jarayonni takrorlasangiz, gazni bir nanoKelvindan pastroq haroratgacha sovutishingiz mumkin, ya'ni darajaning milliarddan bir qismi.
Hamma narsa ekstremalroq tus oladi. Eng past harorat bo'yicha jahon rekordi mutlaq noldan yuqori bo'lgan milliard darajaning o'ndan biridan kamroqdir. Bunga erishadigan qurilmalar atomlarni tuzoqqa tushiradi magnit maydonlar. "Harorat" atomlarning o'ziga emas, balki atom yadrolarining spiniga bog'liq.
Endi adolatni tiklash uchun biroz ijodkorlik bilan shug‘ullanishimiz kerak. Biz odatda darajaning milliarddan biriga qadar muzlatilgan narsani tasavvur qilsak, ehtimol siz hatto havo molekulalarining ham joyida muzlashi tasvirini olasiz. Hatto atomlarning orqa qismini muzlatib qo'yadigan halokatli apokaliptik qurilmani tasavvur qilish mumkin.
Oxir-oqibat, agar siz haqiqatan ham past haroratni boshdan kechirishni istasangiz, faqat kutishingiz kerak. Taxminan 17 milliard yildan keyin fon radiatsiyasi koinotda 1K gacha soviydi. 95 milliard yil ichida harorat taxminan 0,01K bo'ladi. 400 milliard yil ichida chuqur fazo eng sovuq kabi sovuq bo'ladi sovuq tajriba er yuzida va undan keyin - undan ham sovuqroq.
Agar siz koinot nega tez sovib ketayotganiga qiziqsangiz, eski do'stlarimizga rahmat: entropiya va qorong'u energiya. Koinot tezlashuv rejimida, abadiy davom etadigan eksponensial o'sish davriga kirmoqda. Ishlar juda tez muzlaydi.
Bizga nima qiziq?
Bularning barchasi, albatta, ajoyib va rekordlarni yangilash ham yoqimli. Lekin buning nima keragi bor? Xo'sh, g'olib sifatida emas, balki past haroratni tushunish uchun juda ko'p yaxshi sabablar bor.
Masalan, NISTdagi yaxshi odamlar buni qilishni xohlashadi ajoyib soat. Vaqt standartlari seziy atomining chastotasi kabi narsalarga asoslanadi. Agar seziy atomi juda ko'p harakat qilsa, u o'lchovlarda noaniqlikni keltirib chiqaradi, bu esa oxir-oqibat soatning noto'g'ri ishlashiga olib keladi.
Ammo eng muhimi, ayniqsa ilmiy nuqtai nazardan, materiallar juda past haroratlarda aqldan ozadi. Misol uchun, xuddi lazer bir-biri bilan sinxronlashtirilgan fotonlardan yaratilgani kabi - bir xil chastota va fazada - Bose-Eynshteyn kondensati deb nomlanuvchi material yaratilishi mumkin. Unda barcha atomlar bir xil holatda bo'ladi. Yoki amalgamani tasavvur qiling, unda har bir atom o'zining individualligini yo'qotadi va butun massa bitta null-super atom sifatida reaksiyaga kirishadi.
Juda past haroratlarda ko'plab materiallar o'ta suyuqlikka aylanadi, ya'ni ular umuman yopishqoqlikka ega bo'lmaydilar, ultra yupqa qatlamlarda to'planadi va minimal energiyaga erishish uchun hatto tortishish kuchiga qarshi tura olmaydi. Bundan tashqari, past haroratlarda ko'plab materiallar o'ta o'tkazuvchanlikka aylanadi, ya'ni elektr qarshiligi yo'q.
Supero'tkazuvchilar tashqi magnit maydonlarga ularni metall ichida butunlay bekor qiladigan tarzda javob berishga qodir. Natijada siz birlashtira olasiz sovuq harorat va magnit va levitatsiya kabi narsalarni oling.
Nima uchun mutlaq nol bor, lekin mutlaq maksimal emas?
Keling, boshqa ekstremalni ko'rib chiqaylik. Agar harorat shunchaki energiya o'lchovi bo'lsa, biz atomlarning yorug'lik tezligiga tobora yaqinlashayotganini tasavvur qilishimiz mumkin. Bu abadiy davom eta olmaydi, shunday emasmi?
Qisqa javob: biz bilmaymiz. Cheksiz harorat degan narsa tom ma'noda mavjud bo'lishi mumkin, ammo mutlaq chegara mavjud bo'lsa, yosh koinot uning nima ekanligi haqida juda qiziqarli maslahatlar beradi. Eng yuqori harorat hech bo'lmaganda (hech bo'lmaganda bizning koinotimizda), ehtimol "Plank vaqti" deb ataladigan davrda sodir bo'lgan.
Katta portlashdan 10^-43 soniya o'tgach, kvant mexanikasi va fizikadan ajralgan tortishish hozirgidek bo'ldi. O'sha paytdagi harorat taxminan 10^32 K edi. Bu bizning Quyoshimizning ichki qismidan septillion marta issiqroq.
Shunga qaramay, biz bu eng ko'pmi yoki yo'qligini aniq bilmaymiz issiq harorat bo'lishi mumkin bo'lgan hamma narsadan. Plank davrida bizda koinotning katta modeli yo'qligi sababli, biz koinotning bunday holatga qaynaganiga amin emasmiz. Har holda, biz mutlaq issiqlikdan ko'ra mutlaq nolga ko'p marta yaqinmiz.