ОГЛАВЛЕНИЕ

Вместо введения 3
Кванты и квазичастицы 7
Сверхтекучесть и энергетический спектр квазичастиц 10
Сверхпроводимость 14
Получение низких температур 19

Для исследовательской практики последних лет характерно все более интенсивное развитие физики низких температур. В научно-исследовательских институтах, лабораториях, на некоторых фабриках и заводах создаются установки для получения глубокого холода; причем число их и мощность постоянно увеличиваются. В последние годы создано более сотни новых лабораторий, в которых при низких температурах исследуются свойства металлов, полупроводников, магнитные свойства тел, ядерные явления. Что же привлекает исследователей и практиков столь широкого круга специальностей к этим температурам?
Чтобы ответить на этот вопрос, в первую очередь вспомним, что мы связываем с понятием температуры тела. Хорошо известно, что атомы и молекулы, из которых состоят тела, находятся в беспорядочном хаотическом движении. Кинетическая энергия этого движения и определяется температурой тела. Чем выше температура тела, тем больше энергия. Понижая температуру тела, мы уменьшаем хаотическое движение частиц, переходим в область малых энергий теплового движения.
Однако нельзя беспредельно уменьшать внутреннюю энергию тела. Существует состояние тела, соответствующее минимальной внутренней энергии, или, что то же самое, предельно низкой температуре, до которой тело может быть охлаждено. Дальнейшее уменьшение температуры тела (его внутренней энергии) невозможно. Находится этот предел при - 273,16° С. Этот предел температур называют абсолютным нулем, как и температуру, отсчитанную от абсолютного нуля, называют «абсолютной»; ее обозначают °К (градус Кельвина). Температуры, лежащие в непосредственной близости от абсолютного нуля, называют низкими.
Таким образом, в области низких температур мы встречаемся с состоянием вещества, в котором кинетическая энергия беспорядочного движения значительно уменьшена. Это уменьшение энергии способствует проявлению новых, подчас неожиданных свойств тела. Дело в том, что между частицами, из которых состоят окружающие нас тела, действуют самые разнообразные по своей природе силы взаимодействия. При высоких температурах, пока энергия теплового движения много больше энергии взаимодействия, их наличие незаметно, как, например, мы обычно не замечаем сил притяжения между молекулами воздуха.
Однако, понижая температуру, можно достигнуть такого состояния, когда уменьшившееся беспорядочное движение уже не сможет препятствовать проявлению сил взаимодействия, не сможет разорвать связи между отдельными частицами. Возникнет новое состояние вещества, например, при 80° К (- 193° С) произойдет сжижение воздуха. Возможность получить вещество в новом состоянии, возможность исследовать и использовать возникающие при этом новые свойства тел и привлекает исследователей к области низких температур. При этом чем слабее взаимодействие, вызвавшее появление нового свойства вещества, тем при более низких температурах это свойство лучше может быть обнаружено, исследовано и наконец использовано.
Обратимся для примера к магнитным силам взаимодействия. Атомы некоторых металлов (железа, никеля, кобальта, марганца, хрома и т. п.), в силу особого строения электронной оболочки атома, обладают магнитным моментом; они являются как бы маленькими магнитиками. Между этими магнитиками в веществе тоже действуют силы взаимодействия. Эти силы стремятся установить порядок, регулярность в расположении магнитиков. Однако при высоких температурах беспорядочное тепловое движение разрушает этот порядок и магнитики располагаются хаотически (рис. 1). Вещество с таким расположением магнитиков называют парамагнетиком.
Иначе обстоит дело при низких температурах. Как только при понижении температуры энергия теплового движения настолько уменьшится, что станет меньше энергии взаимодействия, в расположении магнитиков установится порядок (регулярность). При этом ближайшие магнитики повернутся либо в одну сторону, либо в противоположные стороны. В первом случае в веществе возникнет суммарный магнитный момент - эти вещества называют ферромагнитиками. Во втором, хотя все магнитики и располагаются регулярным образом, - суммарный магнитный момент не появится; такие вещества называют антиферромагнитиками. Температура, при которой происходит этот переход в упорядоченное состояние, находится в прямой зависимости от сил взаимодействия между этими магнитиками. Чем больше силы взаимодействия, тем она выше.
Температура перехода изменяется в очень широких пределах: от тысячи градусов до нескольких тысячных долей градуса Кельвина. Это вызвано зависимостью величины силы от расстояния между магнитиками, от величины самих магни-
гиков. Чем расстояние больше, тем взаимодействие слабее Поэтому температура перехода в упорядоченное состояние у веществ, состоящих только из магнитных атомов, например у железа, кобальта, никеля, в сотни, тысячи раз выше, чем температура перехода у сложных веществ, состоящих как из магнитных, так и немагнитных атомов. При этом чем больше з составе вещества немагнитных атомов, тем температура перехода ниже.
Рис. 1. Различное расположение магнитиков в веществе.
Магнитным моментом могут обладать не только атомы, но-и их ядра. Момент ядер очень мал (з тысячи раз меньше мо мента атомов). Соответственно очень слабы и силы взаимодействия между ними - более чем в миллион раз слабее сил взаимодействия моментов атомов- Поэтому упорядочение ядерных магнитных моментов - ядерный ферро- или антиферромагнетизм должен наступать лишь при очень низких температурах порядка 10~50 К. Эти явления до настоящего времени еще не изучены; это одна из задач завтрашнего дня Было бы ошибкой полагать, что силы взаимодействия однозначно определяются величиной элементарных магнитиков, расстоянием между ними. Дело в том, что элементарные магнитики нельзя рассматривать независимо от свойств вещества, в которое они входят. Так, во взаимодействии магни тиков в сложном веществе очень большую роль играют не магнитные атомы, через которые как бы «передается» взаимодействие магнитиков; в явлениях, связанных с ядерным магнетизмом, в случае металлов велика роль электронов проводимости и т. д. Из-за этого взаимодействия магнитиков в реальных веществах оказываются существенно более сложными, чем это кажется на первый взгляд. Их удается понять только путем привлечения квантовых законов.
Уменьшение в области низких температур энергии беспорядочного теплового движения облегчает задачу изменения внешним воздействием расположения движения частиц тела, его свойств. Для примера обратимся вновь к магнитным веществам. Все мы неоднократно наблюдали, как магнитная стрелка поворачивается по направлению магнитного поля Земли. Так же и магнитики парамагнитного вещества стремятся установиться по направлению внешнего магнитного поля. Однако тепловое движение препятствует такому расположению, стремится установить магнитики беспорядочным образом. Результатом борьбы этих двух процессов и определится окончательное распределение магнитиков.
Если энергия магнитиков в поле больше тепловой энергии, то большинство магнитиков будет располагаться по направлению поля; при большей тепловой энергии в расположении магнитиков будет преобладать хаотическое распределение. Какое же магнитное поле необходимо для того, чтобы преодолеть тепловую энергию и, следовательно, повернуть большинство магнитиков в одну сторону? Расчет показывает, что при комнатных температурах эти поля должны достигать миллиона эрстед. Такие поля в настоящее время удается получить лишь в рекордных установках в течение нескольких микросекунд.
Обычно исследователи располагают существенно меньшими полями в десятки килоэрстед. Эти же поля при комнатных температурах могут вызвать лишь ничтожное упорядочение магнитиков. Однако если мы путем понижения температуры до нескольких градусов Кельвина уменьшим энергию теплового движения в сотни раз, то эти поля уже вызовут практически полное упорядочение расположения магнитиков атомов.
Упорядочение расположения магнитных моментов представляет интерес, например, для области физики, изучающей ядерные процессы. Дело в том, что многие процессы в ядрах зависят от их магнитного момента. Успешно исследовать связанные с этим эффекты можно лишь после упорядочения расположения моментов. Магнитный момент ядра в тысячи раз меньше, чем момент атома. Поэтому, если бы мы попытались расположить их регулярным образом при помощи магнитного ноля в десяток килоэрстед, нам необходимо было бы охладить вещество в поле до тысячных долей градуса Кельвина. Это очень сложно осуществить практически. Поэтому для решения поставленной задачи используют обходные пути. Между магнитными моментами ядра и атома действуют громадные силы взаимодействия. По величине эти силы соответствуют полям в сотни и тысячи килоэрстед, В магнитных полях такой величины момент ядра устанавливается по нолю, если вещество охладить всего лишь до десятых-сотых долей градуса Кельвина. При этих температурах взаимосвязь между моментами ядра и атома уже не может быть разрушена беспорядочным тепловым движением. Момент ядра послушно следует за поворотами момента атома, в который это ядро входит. Это чрезвычайно облегчает задачу ориентации магнитных моментов ядер. Вместо того чтобы устанавливать полем очень маленький момент ядра, оказывается достаточно упорядочить расположение больших моментов атомов. В частности, для этого могут быть использованы и силы взаимодействия между моментами атомов, о которых шла речь выше.
Опыты, проведенные с ориентированными таким способом ядрами, позволили установить ряд новых явлений. Например, при распаде ядер обнаружена асимметрия в вылете квантов, электронов. Исследования этих эффектов подтвердили появившиеся в последнее время указания о необходимости ревизии некоторых представлений о свойствах элементарных частиц.

КВАНТЫ И КВАЗИЧАСТИЦЫ
Пример с ядерной физикой показателен. Аналогичные явления происходят и в других областях, науки. Продвижение в область низких температур приводило к открытию новых явлений в окружающей нас природе, требовало пересмотра многих ранее установившихся представлений, например представлений о характере изменения энергии вблизи абсолютного куля.
До тех пор, пока исследователи сталкивались лишь со свойствами тел при комнатных или более высоких температурах, их вполне удовлетворяли законы классической физики. Согласно этим законам, энергия теплового движения в теле могла изменяться непрерывным образом, могла изменяться любыми сколь угодно малыми порциями. Согласно этим представлениям, по мере понижения температуры энергия движения частиц тела должна была бы все более и более уменьшаться. Наконец, при абсолютном нуле следовало ожидать некоего гипотетического состояния, в котором энергия движения становилась равной нулю,в котором полностью прекращалось движение частиц.
Первые же исследования, проведенные при низких температурах, показали ошибочность этих представлений. Пришлось подвергнуть ревизии как представления о состоянии тела при абсолютном нуле, так и о характере изменения энергии тела. Оказалось, что v частиц тела нельзя отнять всей энергии их движения. Всегда, даже при абсолютном нуле, у частиц тела остается некоторая энергия, называемая «нулевой энергией». Всегда, даже при абсолютном нуле, частицы
тела сохраняют некоторое движение. В природе не существует состояния, в котором бы полностью прекратилось движение. Абсолютный нуль в значительной степени потерял свое выделенное положение. Это новое представление о состояния вещества при абсолютном нуле возникло лишь после привлечения к рассмотрению явлений при низких температурах квантовой физики.
Проявление нулевой энергии обнаруживается в самых разнообразных свойствах вещества. Так, связанное с ней движение вызывает дополнительное расширение линий рентгенограмм кристаллической решетки, снятых в области низких температур; уменьшает теплоту испарения газов, кипящих вблизи абсолютного нуля (водород, гелий); проявляется в спектрах двухатомных молекул и т. д. Значение нулевой энергии в свойствах веществ, находящихся в области низких температур, очень велико, - ведь это преобладающая энергия вблизи абсолютного нуля. Так, у жидкого гелия нулевая энергия при 4,2° К составляет около 80% от полной энергии.
Не менее существенные изменения претерпели и представления о характере изменения тепловой энергии. Оказалось, что ее изменение происходит в действительности лишь дискретными порциями - квантами. В области высоких температур эта прерывность энергии незаметна - уж очень это маленькие порции энергии в твердом теле. Так, например, наибольший квант у кристаллической решетки свинца соответствует тепловой энергии, приходящейся на одну степень свобо» ды при 100° К. Это равно около 10“14 эрг.
Кванты тепловой энергии в твердом теле можно представить себе следующим образом. Хаотическое тепловое движение частиц тела является как бы совокупностью громадного числа колебаний атомов его решетки. Эти колебания могу? быть самыми разнообразными. В одних из них происходят относительные колебания двух соседних атомов, другие соответствуют длинноволновым звуковым колебаниям, распространяющимся в твердом теле. Энергия каждого из этих типов колебаний и изменяется дискретным образом, определенными порциями - квантами.
Чем короче звуковая волна, тем больше соответствующие этому типу колебаний кванты. Так, наибольшие кванты имею? звуковые колебания, длина волны которых совпадает с расстоянием между атомами.
Прерывность энергии неощутима до тех пор, пока на каждый тип колебаний приходится несколько квантов энергии. В этом случае, при охлаждении тела, происходит уменьшение энергии всех типов колебаний. Однако такое изменение энергии будет происходить лишь пока тепловая энергия, приходящаяся на какой-нибудь тип колебаний, не сравняется с величиной соответствующего кванта. Дальнейшее
уменьшение энергии прекращается; у рассматриваемого типа колебаний остается лишь нулевая энергия. Так, по мере понижения температуры, прекращает изменяться энергия все новых и новых колебаний.
Подобный характер изменения с температурой энергии твердого тела наиболее отчетливо проявляется в его теплоемкости, которая прямо пропорциональна изменению энергии на градус. В области высоких температур, пока изменяется энергия всех типов колебаний, теплоемкость не зависит от температуры и одинакова для всех твердых тел, если ее отнести к равному числу частиц тела. До появления квантовых представлений и исследований в области низких температур повсеместно было распространено мнение, что подобный закон должен иметь место до самого абсолютного нуля. Этот закон даже имел свое имя: закон Дюлонга и Пти.
Однако дальнейшие опыты показали, что закон Дюлонга «5 Пти в действительности справедлив лишь при высоких температурах. При понижении же температуры теплоемкость тел, вместо того чтобы оставаться постоянной, начинает резко уменьшаться. Температура, с которой начинается это уменьшение теплоемкости, определяется величиной самого большого кванта в твердом теле.
Квантовый характер изменения энергии тел потребовал яспользования совершенно новых представлений для описания свойств тел вблизи абсолютного нуля. Как уже отмечалось, при абсолютном нуле в теле остается лишь нулевая энергия. Это как бы фон, определяющий основные свойства тел вблизи этой температуры. Если мы, исследуя тело, каким-то образом воздействуем на него, то это, в конечном итоге, приведет к увеличению энергии тела, к появлению квантов энергии у какого-нибудь типа движения. Эта энергия будет, конечно, передаваться по телу, переходить от одного типа движения к другому. Законами появления квантов энергии, их перемещения по телу, перехода от одного типа движения к другому и будут определяться все свойства тела.
Этими законами и интересуются в первую очередь исследователи. Очень часто кванты энергии называют «квазичастицами». Нужно сразу отметить, что в отличие от обычных частиц квазичастицы неотделимы от среды, в которой они появляются и распространяются. Законы, по которым происходит рождение квазичастиц, законы, по которым происходит их движение, точнее связь между их энергией и импульсом - «энергетический спектр квазичастиц», как обычно говорят, определяется силами взаимодействия в теле. Эти законы очень своеобразны и часто совершенно непохожи на привычные нам по классической физике.
С некоторыми из квазичастиц мы уже встречались. Такими квазичастицами являются, например, кванты колебаний
кристаллической решетки твердого тела. Называют их фо-нонами. Энергетический спектр у фонона - связь его энергии и импульса - резко отличается от спектра обычных частиц. Как известно, у обычных частиц энергия пропорциональна квадрату импульса (скорости) частицы. У фонона же имеет место прямая пропорциональность между импульсом и энергией.

СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР КВАЗИЧАСТИЦ
Своеобразие связи энергии и импульса у квазичастиц приводит к появлению самых неожиданных явлений в области низких температур, наиболее необычными из которых, по-видимому, являются явления сверхтекучести гелия и сверхпроводимости металлов.
Известны два стабильных изотопа гелия: тяжелый изотоп - гелий-4 и легкий изотоп - гелий-3. Гелий-4 переходит в жидкое состояние при атмосферном давлении лишь при температуре 4,2°К. Уже в точке перехода его тепловая энергия составляет лишь небольшую долю по сравнению с нулевой энергией. Поэтому, в свойствах гелия наиболее отчетливо проявляются квантовые эффекты. В этом смысле о гелии можно говорить как о «квантовой жидкости». С этим, в частности, связан тот факт, что гелий не затвердевает до самого абсолютного нуля. Для того чтобы перевести его в твердое состояние, необходимо давление больше 25 атмосфер.
Однако самые удивительные свойства гелий приобретает ниже 2,18°К. Это изменение свойств происходит скачком, легко наблюдаемым визуально. Так, если выше 2,18°К гелий кипит по всему объему, весь заполнен маленькими пузырьками, то ниже 2,18° К жидкость стоит в сосуде, как мертвая. Изменение характера кипения жидкости сопровождается изменением величины теплопроводности и вязкости гелия. Изучение этих эффектов, проводившееся академиком П. Л. Капицей, привело к открытию у гелия целого ряда «таинственных» свойств. Первый сюрприз ожидал исследователя уже при сопоставлении характера изменения вязкости и теплопроводности.
Между явлением теплопроводности и вязкости жидкости имеется много общего. Оба явления фактически сводятся к передаче вдоль жидкости в первом случае энергии, во втором - импульса. Поэтому обычно если в жидкости происходит уменьшение теплопроводности, то одновременно уменьшается и ее вязкость. В гелии же ниже 2,18° К наблюдалась противоположная этому картина. Происходило одновременно колоссальное увеличение теплопроводности и уменьшение вязкости жидкости. Как показали измерения, проведенные в тонких слоях гелия, вязкость уменьшается более чем в несколько тысяч раз. Этот результат необъясним с точки зрения обычной теории вязкости и теплопроводности жидкости.
Единственным выходом из создавшегося положения являлось предположение, что передача энергии осуществляется каким-то иным механизмом, например путем переноса энергии потоками жидкости. Если такие потоки действительно существуют, их можно было бы попытаться обнаружить. Для этого П. Л. Капица создал специальный прибор. В гелий помещалась маленькая стеклянная бульбочка с тонким носиком. Внутри бульбочки находился нагреватель. К носику бульбочки подводилось крылышко, подвешенное на тонкой нити.
Если из бульбочки вырывается поток гелия, переносящий тепло, то он должен вызывать отклонение крылышка. Действительно, стоило включить нагреватель, как крылышко заметно отклонялось. Поток жидкости, вырывавшийся из бульбочки, можно было отчетливо наблюдать. Здесь, однако, вновь начались «чудеса». Хотя при помощи крылышка удавалось проследить струю, выходящую из носика, количество гелия в бульбочке не уменьшалось. Создавалось впечатление, что гелий каким-то образом проникал обратно в бульбочку, хотя обратного потока нельзя было обнаружить самыми хитроумными способами.
Наиболее наглядно это необычное свойство гелия П. Л. Капица продемонстрировал в опыте с так называемым «паучком». В сосуде с гелием на острой иголке располагался стеклянный паучок (рис. 2).
Внутренняя поверхность паучка была зачернена, что позволяло, «включая свет, подогревать находящийся в нем гелий.
Как только включалось это освещение, паучок приходил в быстрое вращение.
С точки зрения привычных, классических представлений, результаты всех этих опытов были необъяснимы. Гелий обладал совершенно новым свойством, которое было названо сверхтекучестью. Открытие этого явления произошло около 20 лет тому назад. В то время понятия о квазичастицах, их энергетическом спектре лишь начинали входить в жизнь.
Академик Л. Д. Ландау предложил для объяснения всех этих загадочных свойств гелия определенный вид энергетического спектра у квазичастиц жидкости. Отличительной особенностью этого спектра является пропорциональность между энергией и импульсом квазичастицы в начальной части спектра. Оказывается, что при подобном спектре течение жидкости происходит без трения, - жидкость обладает сверхтекучестью. Это свойство у жидкости, однако, имеет место лишь пока скорость ее течения невелика. Начиная с некоторой критической скорости, явление сверхтекучести пропадает. Свойст-зом сверхтекучести жидкость обладает лишь в низшем нулевом состоянии. Квазичастицам это свойство уже не присуще,
С точки зрения новых представлений, таким образом истолковывался, например, результат опыта со струей гелия из бульбочки. При включении нагревателя в бульбочке за счет выделяемой мощности происходило рождение квазичастиц, Их плотность внутри бульбочки становилась больше, чем в окружающем гелии. Так же как из сосуда, в котором повышено давление, квазичастицы начинали вырываться из бульбоч хи, из носика начинал «дуть» ветер. Давление этого ветра хвазичастиц и обнаруживалось по отклонению крылышка.
Теория сверхтекучести не только объяснила опытные факты, известные к моменту ее создания. Она предсказала также ряд новых, ранее неизвестных свойств гелия, например нали-чие в гелии особого звука, связанного с колебаниями плотности квазичастиц. В теории был предложен также ряд способов обнаружения квазичастиц, исследования зависимости чх плотности от температуры и т. д. Все опыты, проведенные? в дальнейшем с целью проверки этих предсказаний, полно стью подтвердили выводы теории.
Таким образом, представления о квазичастицах с опре деленным энергетическим спектром позволили не только объяснить известные экспериментальные факты, но и предска зать ряд новых явлений. Представляло большой интерес непосредственно измерить спектр квазичастиц, прямо проверить предположение теории. Успешные опыты в этом направлении удалось провести лишь в последние годы. Идея этих опытов такова. Предположим, что на жидкий гелий, находящийся при температуре, близкой к абсолютному нулю, падает пучок частиц. При столкновении с гелием частицы будут передавать ему энергию, вызывать рождение квазичастиц. В каждом акте столкновения имеет место закон сохранения энергии и закон сохранения импульса. Это позволяет, измерив энергию и импульс падающей частицы до столкновения и после него, рассчитать энергию и импульс квазичастииы, появившейся во время этого акта. Так, например, энергия квазичастицы равна изменению энергии частицы в результат® столкновения.
Простой в принципе опыт требовал для своего осуществления преодоления целого ряда трудностей. Столкновение частиц с гелием происходит очень редко, поэтому, чтобы получить достаточное количество рассеянных частиц, надо был®
создать интенсивнейший пучок падающих частиц. В этом пучке необходимо было как-то отметить частицы с определенным импульсом, определенной энергией, за изменением энергии которых в ходе опыта и будет проводиться наблюдение. Помимо этого, в ходе опыта требовалось точно знать направление падающих и отраженных частиц. Наконец, необходимо было иметь прибор, позволяющий точно измерять энергию, импульс частицы.
Уже одно перечисление всех этих трудностей показывает, почему с момента возникновения идеи об определенной связи между энергией и импульсом у квазичастиц гелия до их экспериментального измерения прошло почти 20 лет. Осуществить эти измерения удалось лишь после развития физики ядра. В этом опыте оказалось наиболее целесообразным использовать пучок нейтронов из атомного реактора. На пути пучка был помещен кусок бериллия. Проходя через него, нейтроны отражались от атомных плоскостей его кристаллической решетки. Это отражение было особенно велико для нейтронов, импульс которых был больше некоторой критической величины, определяющейся постоянными кристаллической решетки бериллия. В распределении нейтронов по импульсам как бы отмечается эта критическая величина.
За изменением импульса и энергии нейтронов, имевших до столкновения «отмеченную» величину импульса, и производилось наблюдение.
Геометрические размеры пучка нейтронов как до, так и после рассеяния ограничивались системой экранов. Эти экраны выбирают из пучка нейтронов те, у которых при столкновении направление скорости импульса изменяется на строго определенный угол. После экранов пучок попадает на анализатор импульсов, который позволяет определить, насколько изменился импульс у нейтронов в результате их столкновения.
Проведя измерение углов между пучком падающих и рассеянных нейтронов и измерив изменение в результате столкновения скоростей нейтронов, удается рассчитать энергию и импульс квазичастицы, родившейся в ходе этого столкновения. Проводя подобные измерения при различных углах между потоками нейтронов, падающих на гелий и рассеянных, можно полностью определить весь энергетический спектр квазичастиц в сверхтекучем гелии. Полученный этим способом энергетический спектр оказался в очень хорошем согласии с теоретически предсказанным. Теория Л. Д. Ландау получила прямое экспериментальное подтверждение.
Совершенно очевидно, что метод, использованный для изучения энергетического спектра гелия, может быть применен и к другим объектам, например к изучению энергетического спектра фононов в твердом теле. Можно полагать, что подобные работы получат в ближайшее время самое широкое
развитие, так как энергетический спектр кзазичастиц является основной характеристикой свойств тел при низких температурах.
Как уже отмечалось, в природе существует два стабильных изотопа гелия. У легкого изотопа Не3, хотя его уже исследовали при температуре до 0,05° К, явления сверхтекучести не обнаружено К И вновь это связано с особенностью квазичастиц жидкости. По характеру появления (рождения) квазичастицы можно разделить на два основных типа. Первый из них характеризуется тем, что квазичастицы появляются по одиночке. Так, появляются фононы в твердом теле, квазичастицы в Не4, наконец кванты электромагнитного поля - фотоны. Во втором - квазичастицы появляются всегда парами. При столкновении эти пары могут взаимно уничтожиться (аннигилировать), конечно, при наличии такой третьей частицы, которой передадутся освободившиеся при этом энергия и импульс. К этому типу принадлежит, например, квазичастица в Не3 (электроны в металлах). Жидкость, в которой квазичастицы появляются парами, не обладает свойством сверхтекучести.
Каким образом происходит рождение квазичастиц? Это зависит в значительной степени от сил взаимодействия в твердом теле. Наиболее наглядным примером этого является явление сверхпроводимости ряда металлов.

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
Открытие явления сверхпроводимости произошло на заре физики низких температур. В 1908 году в Лейдене (Голландия) Каммерлинг-Оннесу удалось впервые получить некоторое количество жидкого гелия, бесцветной жидкости последнего, не ожиженного до тех пор газа. Тем самым перед исследователем открылась новая область температур, лежащая в непосредственной близости от абсолютного нуля.
Одной из проблем, которой занимался Каммерлинг-Оняес, было исследование сопротивления металлов. В то время этот вопрос был совершенно неясен, так как на основании имевшихся данных можно было предположить любой характер его изменения вблизи 0° К. Первые опыты, проведенные с платиной и золотом, как будто показали, что в области гелиевых температур ничего особенного не происходит. Сопротивление от 4,2 до 2° К вообще не менялось с температурой. Эта не меняющаяся с температурой часть сопротивления, так называемое остаточное сопротивление, зависела от загрязнений

1 Интересно отметить, что Не3 и Не4 смешиваются друг с другом только при температурах выше 0,8° К. При более низких температурах наблюдается видимое расслоение жидкости. В верхней части сосуда собирается смесь, богатая Не3, в нижней - Не4.

Образца. Чем больше в образце было примесей, тем больше становилось и его сопротивление. Казалось, что интересные результаты если и можно было получить, то только исследуя металл предельной чистоты. В то время лучше всего умели, очищать ртуть. И вот началось исследование этого металла.
Первый же опыт привел к неожиданным результатам. При охлаждении образца ниже 4,2° К его сопротивление внезапно исчезло. Однако исчезновение сопротивления наблюдалось у всех, даже загрязненных примесями образцов. Стало ясно, что это было совершенно новое состояние металла, которое Каммерлинг-Оннес назвал сверхпроводящим.
Сверхпроводимость - свойство не одной ртути. Вслед за ртутью это явление было обнаружено у свинца, олова, таллия и ряда других металлов.
В настоящее время известны 24 чистых металла, способных переходить в это состояние. При этом у двух - висмуга и бериллия - сверхпроводимость наблюдается лишь в кристаллической модификации, неустойчивой при комнатной температуре. У остальных металлов (их около 50) сверхпроводимость до сих пор не обнаружена. Помимо чистых металлов, сверхпроводимость наблюдается у многих сплавов и химических соединений. При этом у химических соединений чаете ни одна из компонентов не является сверхпроводящей, например CtfS, CoSi2.
Каждый из сверхпроводников переходит в сверхпроводящее состояние при своей строго определенной, так называемой критической, температуре. Это не очень высокие температуры, порядка нескольких градусов Кельвина. Максимально высокая температура в настоящее время обнаружена у сплавов VaSi, NbSn3, но и она составляет всего лишь 17 - 18° К.
Явление полного исчезновения сопротивления кажется настолько удивительным и противоречащим всем известным представлениям, что еще долгое время после этого открытия делались попытки обнаружить хотя бы следы сопротивления у сверхпроводников. Для этого были использованы всевозможные методы, наиболее точный из которых так называемый метод сверхпроводящего кольца. Идея этого метода такова. Если изменить магнитный поток, пронизывающий металлическое кольцо, то по законам электромагнитной индукции в нем возбудится ток. В обычных металлах из-за наличия сопротивления этот наведенный ток со временем бы-стро затухает. Например, в колечке диаметром около 1 см из тонкой медной проволоки, охлажденном до гелиевых температур, ток уменьшается в десятки раз за какие-то доли секунды. Когда же подобный опыт был проведен с колечком из сверхпроводника, то исследователи не смогли заметить какого-нибудь уменьшения величины тока, хотя некоторые наблюдения продолжались днями. Пока образец оставался охлажденным до температуры ниже критической, ток в кольце не затухал. Исследователям не удавалось заметить следов сопротивления. Ток тек по сверхпроводнику без выделения тепла.
Отсутствие сопротивления току открывало, как казалось на первый взгляд, заманчивые перспективы применения сверхпроводников. Например, кабель из сверхпроводника, казалось бы, можно использовать для передачи сколь угодно большого по величине тока без потери мощности; свернув из такого кабеля катушку, можно было надеяться получать колоссальные магнитные поля. Однако работы, предпринятые в этом направлении, показали беспочвенность подобных проектов. Оказалось, что сопротивление сверхпроводника равно нулю лишь пока ток, текущий по образцу, не слишком велик или пока магнитное поле, в котором находится образец, меньше некоторой критической величины. Начиная о этой величины тока или магнитного поля, в образце появляется сопротивление, сверхпроводимость исчезает. Исчезновение сверхпроводимости происходит в магнитных полях обычно меньше тысячи эрстед.

Все эти свойства были установлены уже на первом этапе исследования сверхпроводимости. Однако они не привели тогда к появлению теории, способной объяснить это явление, Рождение теории произошло спустя много лет, когда экспе риментальное исследование сверхпроводимости было в основном завершено. Так, было обнаружено, что в сверхпроводнике лишь часть электронов движется по металлу без сопротивления. Количество этих электронов - «сверхпроводящих электронов» изменяется с температурой. Если вблизи абсолютного нуля это практически все электроны, то по мере приближения к критической температуре их становится все меньше и меньше. Остальные электроны - «нормальные электроны» испытывают сопротивление при движении в металле; движение их по решетке сопровождается выделением тепла. Наличие «нормальных электронов», конечно, не проявляется во время измерения сопротивления образцов при помощи постоянного тока.
В ходе этих измерений действие на них электрического поля полностью экранируется электронами, движущимися без сопротивления. Однако их присутствие проявляется, если проводить измерения при помощи тока столь высокой частоты, что движение электронов будет определяться не только их столкновениями с искажениями решетки, но и их инерцией.
В этом случае вместо скачкообразного исчезновения сопротивления при критической температуре наблюдается его постепенное уменьшение по мере понижения температуры. Уменьшение тем более плавное, чем выше частота, на которой проводится измерение сопротивления.
Между явлениями сверхпроводимости электронов и сверхтекучести гелия можно подметить много общего. Как сверхтекучий гелий течет без трения, так и сверхпроводящие электроны движутся через решетку без сопротивления, не обмениваясь с нею энергией. Как появляющиеся в гелии квазичастицы не обладают сверхтекучестью, так и нормальные электроны не обладают сверхпроводимостью. Все это позволяет говорить о сверхпроводимости как о сверхтекучести электронной жидкости, не забывая, конечно, при этом, что эта жидкость «налита» в кристаллической решетке. Естественно ожидать, что и энергетический спектр квазичастиц в сверхпро воднике 1 и в сверхтекучем гелии примерно одинаков. Это, однако, не укладывалось в привычные представления. Дело б том, что по характеру появления возбуждений коллектив электронов в металле должен был бы скорее быть сходным с жидкостью из легкого изотопа гелия Не3, не обладающего сверхтекучестью, чем с сверхтекучей жидкостью из тяжелого изотопа гелия Не4. Для объяснения сверхпроводимости необходимо было предположить наличие какого-то кардинального изменения всех свойств коллектива электронов.
Что это за изменения, почему они имеют место лишь у некоторых металлов - сверхпроводников, какие взаимодействия вызывают эти изменения, - вот основные вопросы, волновавшие исследователей. Уж очень казалось удивительным, что, кроме явлений, непосредственно связанных с наличием «сверхпроводящих электронов», с металлом не происходит решительно никаких изменений. Картина дифракции рентгеновых лучей имела один и тот же вид как выше, так и ниже критической температуры, что указывало на неизменность кристаллической решетки при переходе. Не изменились при переходе поглощение медленных и быстрых электронов, рассеяние нейтронов, фотоэлектрические свойства.
При опытах пытались приготовить из сверхпроводника столь тонкую пленку, чтобы она, сохраняя еще металлический характер проводимости, потеряла бы способность переходить в сверхпроводящее состояние. Но оказалось, что такая пленка, даже если она состоит всего лишь из 3 - 4 атомных слоев, переходит в сверхпроводящее состояние. Правда, было замечено, что критическая температура и критическое магнит-
1 В сверхпроводнике с квазичастицами отождествляются нормальные электроны.
ное поле несколько изменяется при сильном сдавливании сверхпроводников. Но все эти опыты не давали ответа на основной вопрос: достаточно ли для объяснения сверхпроводимости рассматривать взаимодействие электронов друг с другом или в этом явлении существенно взаимодействие электронов с решеткой. В каких же опытах следовало искать ответа на этот вопрос?
Изменение кристаллической модификации - это слишком уж сильное изменение свойств решетки. Можно было еще попытаться сопоставить свойства сверхпроводников, в которых атомы решетки отличаются друг от друга своим весом. Такие измерения были проведены и показали, что критические температуры этих образцов различны. Более того, было обнаружено, что у всех исследованных металлов связь между критической температурой и изотопическим весом образца одинакова. Открытие этого эффекта уже определенно показывало, что решить проблему сверхпроводимости можно только с учетом взаимодействия электронов с решеткой.
Хотя влияние изотопического состава на критическую температуру было обнаружено еще в 1950 году, достаточно законченная теория явления появилась лишь спустя 7 лет. Трудность проблемы заключалась прежде всего в том, что необходимо было объяснить изменение энергии электронных состояний на величину порядка нескольких градусов, тогда как сама эта энергия у электронов соответствует тысячам градусов. Кроме того, требовалось понять, каким образом у частиц, которыми являются электроны, может появиться спектр возбуждений, сходный со спектром Не4. Ведь только при этом типе спектра жидкость может обладать сверхтекучестью или сверхпроводимостью.
Теоретическое решение проблемы сверхпроводимости было найдено советским ученым Н. Н. Боголюбовым с сотрудниками и американскими физиками Дж. Бардиным, Л. Купером и Дж. Р. Шриффером. В основу теории были положены идеи о необходимости учета взаимодействия электронов, возникающего через колебания решетки. Это взаимодействие типично квантового характера и не имеет какого-нибудь аналога в классической физике. В результате этого на электроны металла, помимо кулоновских сил отталкивания, действуют также силы притяжения.
Если силы притяжения преобладают, то электооны, лежащие вблизи граничной энергии, образуют связанные пары. Конечно, этот эффект неразделим со всем «коллективом» электронов и двум отдельно взятым электронам несвойственен, так же как квазичастицы неотделимы от среды, в которой они возникают. Тем самым в этом случае мы имеем дело как бы с совокупностью электронных пар - «коллективом» таких же «частиц», как Не4 , Такой коллектив, как уже отмечалось, может обладать свойством сверхтекучести или сверхпроводимости. Тем самым, согласно этим представлениям, сверхпроводимость имеет место у металлов, у которых притяжение преобладает над эффектом кулоновского отталкивания. Энергия притяжения между электронами не велика - много меньше энергии, соответствующей наибольшему кванту колебаний кристаллической решетки. С этим связана столь низкая критическая температура сверхпроводников.
Таким образом оказалось, что коллектив из одних и тех же частиц - электронов, в зависимости от величины сил взаимодействия может обладать как свойствами жидкости сверхтекучего Не4, так и несверхтекучей жидкости из легкого изотопа - гелия Не3.
После решения основной проблемы о причинах появления сверхпроводимости не представляло особых затруднений и рассмотрение их различных свойств. По теоретической модели были рассчитаны тепловые, высокочастотные, магнитные и другие свойства сверхпроводников. Результаты этого расчета оказывались всегда в удовлетворительном качественном согласии с данными экспериментальных исследований. Полного количественного соответствия здесь было трудно ожидать, так как в теории рассматривалась модель некоторого идеального сверхпроводника, от которой реальные металлы существенно отличаются.
Сверхпроводимость электронов является наглядным примером, как иногда наличие слабых взаимодействий приводит к коренному изменению всех свойств «коллектива» частиц. Важность решения этой проблемы, конечно, не ограничивается объяснением явления сверхпроводимости. Так, высказываются соображения, что структура ядерной материи в какой-то степени подобна электронной структуре сверхпроводящего металла. И возможно, что решение проблемы сверхпроводимости приведет к разрешению проблем строения атомного ядра.

ПОЛУЧЕНИЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Всем хорошо известно, что для того чтобы повысить температуру, к телу достаточно подвести энергию, которая затем уже сама по себе переходит в энергию теплового движения частиц тела. Каким же образом можно понизить температуру тела, как уменьшить энергию беспорядочного, хаотического движения его частиц? Это не просто. Законы, определяющие поведение частиц, из которых состоят тела, очень своеобразны. Так, с точки зрения закона сохранения энергии безразлично, распределены ли молекулы газа равномерно по всему объему, ему предоставленному, или находятся в одной его половине, Однако ни у кого не возникает сомнения в том, что одной половине объема молекулы сами по себе никогда не соберутся. Точно так же, хотя с точки зрения закона сохранения энергии безразлично - находятся ли соприкасающиеся тела при различных температурах или при некоторой средней, мы все прекрасно знаем, что температуры соприкасающихся тел всегда со временем сравниваются.
Все эти примеры показывают, что, кроме закона сохрани ния энергии, в мире частиц господствует еще закон, определяющий направление основных процессов в природе, подавля ющее большинство которых происходит так, что система переходит в состояние, позволяющее частицам разместиться наш большим числом различных способов в состояние, в котором частицы находятся как бы в наибольшем беспорядке, где упорядоченность движения, расположения частиц минимальна.
Стремление многих частиц к такому распределению является одним из основных законов природы. Поэтому для определения степени, порядка в физике введена особая величина - энтропия. В наиболее упорядоченном состоянии тела - при абсолютном нуле - беспорядок в расположении, движении частиц минимален. Энтропия в этом случае равна нулю. С повышением температуры увеличивается беспорядочное тепловое движение - энтропия возрастает. Изменение энтропии может происходить, конечно, и при постоянной температуре тела, например при переходе вещества из жидкой в газообразную фазу, здесь она изменяется скачком.
Если газ при постоянной температуре расширяется в больший объем, упорядоченность в расположении его частиц уменьшается. Энтропия возрастает. Когда кинетическая энергия молота переходит в энергию беспорядочного движения частиц молота и наковальни, энтропия возрастает» Подобных примеров можно привести множество, подавляющее большинство процессов происходит с увеличением энтропии.
Естественно, что охлаждение тела, сопровождающееся уменьшением энтропии, само по себе произойти не может. Для получения низких температур приходится создавать особые машины, которые «отбирают» энергию от охлаждаемого тела и «перекачивают» тепло от низкой к более высокой температуре. В этих машинах используется возможность изменять внешним воздействием упорядоченность энтропии вещества. Например, как уже отмечалось, энтропия газа зависит не только от температуры, но и объема, им занимаемого. Чем больший объем предоставлен газу, тем больше и его энтропия. Это свойство газа используют для его охлаждения. Осуществляется это следующим образом. В первую очередь, сжимая газ, ограничивают беспорядочное, ха этическое движение его частиц. При этом, конечно, приходится совершать некоторую работу против давления газа. Энергия, которая при этом подводится к газу, идет, в частности, на увеличение беспорядочного, хаотического движения его частиц, повышает его температуру.
Осуществив, однако, теплообмен газа с окружающей средой, можно его вновь охладить до начальной температуры. Таким образом, посредством последовательного сжатия и теплообмена удается получить состояние, в котором частицы газа, обладая той же тепловой энергией, могут беспорядочно двигаться лишь в меньшем объеме, обладают меньшей энтропией. Уменьшение энтропии произошло в результате того, что внешним давлением мы как бы «сдерживаем» движение частиц. Если мы теперь начнем уменьшать это «сдерживающее» давление, газ начнет расширяться. При этом за счет избытка давления он даже может совершать работу, например, двигать поршень, вращать турбину. От сжатого газа можно получить некоторую энергию. Однако совершать работу, отдавать энергию, газ может только за «счет изменения своей внутренней энергии, за счет уменьшения беспорядочного движения частиц, за счет охлаждения. Для того чтобы не произошло нагревания газа после охлаждения из-за теплообмена, газ при Расширении теплоизолируют от окружающей среды.
Как же изменялась энтропия в этом цикле? В полной энтропии газа удобно выделить две части: часть энтропии, которая изменяется с температурой, - «температурная часть» и часть, изменяющуюся с объемом, - «объемную часть». Эти две части взаимосвязаны между собой. В начале цикла, при сжатии газа, за счет уменьшения объемной части произошло возрастание температурной части - газ нагрелся. Затем при теплообмене температурная часть вновь уменьшилась до прежнего значения. Наконец, при расширении газа, производившемся при неизменной полной энтропии (адиабатически), за счет возрастания объемной части произошло уменьшение температурной части - охлаждение газа. Характер цикла, используемого для охлаждения газа, является общим для всех холодильных установок. Эти машины могут различаться как своим назначением, так и конструктивным оформлением, не принцип их работы одинаков. Во всех машинах - и в комнатных холодильниках, и в промышленных установках для производства тысяч литров жидкого воздуха или водорода - используется возможность изменять внешним воздействием упорядоченность, энтропию какого-нибудь вещества - «рабочего вещества», как обычно говорят. И во всех установках с этим рабочим веществом совершают никл, подобный только что описанному.
Какие же предельно низкие температуры можно получить в холодильных установках, с чем этот предел связан? Оказывается, что в значительной мере этот предел определяется выбором рабочего вещества.
У каждого рабочего вещества есть предел температур, ниже которого оно становится непригодно. Связан этот предел с проявлением сил взаимодействия между частицами тела. Если в результате действия этих сил установился порядок в расположении, движении частиц, его в дальнейшем становится очень трудно изменить внешним воздействием. С веществом не удается провести основной цикл. Из-за этого, например, методом адиабатического расширения газа удается достичь лишь температуры его сжижения. Для воздуха эго 80° К, для водорода 20,4° К и, наконец, для гелия 4,2° К. Правда, понижая давление над жидкостью, можно еще несколько приблизиться к абсолютному нулю, но таким способом существенного понижения температуры достигнуть не удается. Например, используя Не4, можно опуститься лишь до 0,72° К. Это не удивительно, так как давление паров гелия составляет при этой температуре всего лишь 3 10-2 мм рт. ст. Для дальнейшего продвижения к абсолютному нулю необходимы машины с иным рабочим веществом.
В первую очередь для этой цели могут быть использованы парамагнитные вещества, с которых и началось наше знакомство с низкими температурами. Энтропию магнитного вещества, так же как и газа, можно разбить на две части: связанную с тепловыми колебаниями решетки и с расположением элементарных магнитиков. Первая часть энтропии, изменяясь с температурой, резко уменьшается по мере ее понижения. Вторая, до тех пор пока не сказываются силы взаимодействия между магнитиками, остается постоянной. В результате этого при температуре в 1 - 2 градуса уже практически вся энтропия парамагнитной соли определяется расположением входящих в ее состав магнитиков. Но расположение магнитиков, как мы уже видели, может быть легко изменено магнитным полем. Поле в десятки килоэрстед практически нацело их ориентирует при температуре в 1°К, уменьшая магнитную энтропию до нуля1. Вот этот эффект и используется в холодильных установках, работающих ниже 1° К.
Предельно низкие температуры, которые позволяет получать метод адиабатического размагничивания, так же как и в методе адиабатического расширения газа, определяются силами взаимодействия между частицами рабочего вещества, в данном случае - элементарными магнитиками. Как только температура тела будет настолько понижена, что под действием сил взаимодействия возникнет упорядочение расположения магнитиков, метод адиабатического размагничивания перестанет действовать. Однако у магнитных веществ эта предельная. температура, как мы видеди выше, может быть самой разнообразной, так как вазимодействие магнитиков зависит от расстояния между ними, от их величины. Поэтому обычно удается выбрать вещество с подходящей предельной температурой. Так, например, для работы в области температур до 0,03° К обычно используют хромокалиевые или железо-«аммониевые квасцы, у которых на один магнитный ион хрома или железа приходится 60 немагнитных атомов. Если же и этого оказывается недостаточно, то используют вещества с еще более слабым взаимодействием, еще более удаляя магнитики друг от друга. При этомвыигрывая в предельной температуре, до которой может быть использовано рабочее вещество, мы проигрываем в его удельной холодопроизводительно-сти. Используя такие «разведенные» парамагнитные соли, в настоящее время относительно просто удается достигнуть температуры, отстоящей от абсолютного нуля всего лишь на 0,001е К.
Другой путь в продвижении к абсолютному нулю лежит через использование ядерного магнетизма. В этом случае силы взаимодействия будут проявляться лишь при 10-5° К и до этих температур метод может быть с успехом применен. Однако здесь на пути исследователя возникают те же трудности, что и в прямом методе получения упорядоченного расположения ядер. Ведь в первую очередь для адиабатического размагничивания необходимо изменять внешним полем энтропию - упорядочить расположение моментов ядер. На этом пути уже достигнуты существенные успехи. Так, проведены первые опыты по ядерному размагничиванию системы ядер-ных моментов металлической меди. Бесспорно, что работы в этом направлении будут интенсивно продолжаться.

Наше знакомство с областью низких температур заканчивается. Здесь, вблизи абсолютного нуля, мы встретились с миром, где квантовые законы повсеместно проявляются всвойствах тел, где может происходить «коллективное» движение частиц, где появление дополнительной энергии у тел отождествляется с рождением квазичастиц. Эти законы носят, конечно, общий характер. Они определяют свойстео ядерной материи, движение электронов в атоме и т. д. Примеров их проявления можно привести бесчисленное множество.
Открытие в области низких температур новых явлений, новых свойств веществ создает колоссальные возможности при решении чисто практических задач. Так, явление сверхпроводимости используется для создания счетных устройств, различных радиотехнических схем высокой стабильности, тепловых ключей в холодильных установках. Используя ряд свойств полупроводников, удается создать сверхвысокочувствительные приемные устройства, миниатюрнейшие элементы счетного устройства, размеры которых столь малы, что в одном кубическом сантиметре их умещается десятки тысяч.
Низкие температуры используются, конечно, и в крупных промышленных установках. Например, всем известно, насколько важным является интенсификация металлургических процессов путем использования кислородного дутья. Оказывается, что проблема выделения кислорода из воздуха, как и вообще разделение газов, наиболее экономично может быть решена методами низких температур. Подобных примеров можно было бы привести очень много. Низкие температуры все более и более входят в технику. Это очень большая и серьезная тема, далеко выходящая за рамки настоящей брошюры.
Все эти новые возможности, новые пути в исследовании свойств природы, в решении технических задач и привлекают исследователей к области низких температур. Можно быть уверенным, что работы в этом направлении приведут к решению еще многих задач первостепенной важности.

|||||||||||||||||||||||||||||||||
Распознавание текста книги с изображений (OCR) - творческая студия БК-МТГК.

Так же, как и высокая, низкая температура имеет общее и местное действия. Но большее значение в судебно-медицинской практике имеет общее действие - переохлаждение . Человек без одежды комфортно себя чувствует при температуре воздуха +25°С, но при падении температуры даже на 10°С начинается расстрой­ство здоровья , что иногда приводит даже к смерти . Адаптаци­онные возможности организма велики, но до определенных пре­делов. Начинающееся переохлаждение характеризуется рядом симптомов (дрожь, «гусиная кожа», общая слабость, апатия и др.). Эта клиническая картина впервые описана личным вра­чом Наполеона академиком Ларреем при отступлении француз­ской армии из России зимой 1812 г. Часть этих симптомов пред­назначена, чтобы легче перенести неблагоприятные условия. Например, расслабление и сокращение мускулатуры при дро­жании утраивает тепло. Этому способствует и годами выраба­тываемая у северных народов внутренняя защита к холоду - ускорение обмена веществ и выработка тепла.

Пагубное воздействие на организм, помимо низкой темпера­туры окружающей среды, оказывает комплекс факторов. Из внешних - это повышенная влажность, ветер, нерациональная одежды, пониженная упитанность ; из внутренних - ослаблен­ ный болезнью или ранением организм, детский или старческий возраст, алкогольное опьянение . Вопреки распространенному мнению алкоголь способствует понижению температуры тела, так как, расширяя кровеносные сосуды, увеличивает более чем на 20% теплоотдачу. По сравнению с выработкой тепла он по­нижает чувствительность к низкой температуре, вызывая чув­ство страха, безразличие, апатию, сонливость. Поэтому смерть может наступить при различной температуре, в том числе и плюсовой. Более того, треть всех погибших от переохлаждения находилась при температуре воздуха от 0 до +5°С. Этим объяс­няется то, что в северных регионах, в Сибири и на Дальнем Востоке этот вид смерти незначительно превышает статисти­ческие показатели Северного Кавказа.

Снижение компенсаторных возможностей организма приво­дит к снижению температуры тела до + 27...+ 30°С, падают все жизненные функции организма, интенсивность обмена веществ, наступает угнетение ЦНС, кислородное , истощение организма и смерть при температуре тела +25°С и ниже.

Общее охлаждение - состояние организма, возникшее в результате воздействия холода и снижения температуры тела до 34° и ниже.

Легкая (адинамическая) степень охлажде­ния характеризуется понижением температуры тела до 32-30°, с сохраненным или затуманен­ным сознанием, бледностью или цианотичностью кожных покровов, брадикардией до 60 уд/мин. Больные жалуются на слабость, головокружение, головную боль, говорят тихо и медленно.

При охлаждении средней тяжести (сниже­ние температуры до 29°) отмечается угнетение сознания; если пострадавший отвечает на вопро­сы, то с большим трудом, лицо маскообразное, взгляд тусклый, брадикардия, АД снижено.

При тяжелой степени общего охлаждения (снижение температуры тела до 26°) пострадав­ший находится без сознания, дыхание у него поверхностное и нерегулярное, кожа бледная и холодная (на открытых частях тела - синюш­ная), мышцы напряжены, челюсти сжаты, зрач­ки сужены и не реагируют на свет; пульс слабо­го наполнения, редкий и неритмичный, АД сни­жено. При снижении температуры тела ниже 26° может наступить смерть из-за фибрилляции же­лудочков.

На месте обнаружения трупа обращают внимание на харак­терную позу зябнущего человека с приведенной к туловищу головой и согнутыми в суставах конечностями. Однако она от­сутствует у людей в алкогольном опьянении и при усилении мышечной нагрузки незадолго до наступления смерти. Наблю­дается «гусиная кожа . Трупные пятна приобретают розовый цвет от перенасыщения крови кислородом, проникающим через разрых­ленную кожу. Важным, но редким признаком являются отмо­ рожения . О прижизненном действии низкой температуры сви­детельствуют также иней на ресницах; льдинки в отверстиях рта и носа, углах глаз; одежда, примерзшая к ложу, покрыто­му коркой льда. Отсутствие этих признаков может указывать на то, что труп сюда перенесен.

Смерть от переохлаждения, как правило, является следствием несчастного случая, более половины из погибших перед смер­тью находились в алкогольном опьянении. Однако описаны слу­чаи убийства, особенно новорожденных детей, оставленных без одежды или брошенных в холодную воду. В виде исключения встречаются самоубийства. Один из них исследован судмедэкс­пертом под Ростовом, когда был обнаружен в лесополосе труп человека в одних трусах, лежащий на снегу. Рядом с ним была аккуратно сложенная одежда, пустая бутылка из-под водки, а в кармане пиджака письмо с объяснением причин самоубийства.

Длительное нахождение трупа в условиях низкой темпера­туры приводит к его замерзанию или оледенению . Такие тру­ды технически вскрыть невозможно без предварительного мед­ленного оттаивания. Замерзание приводит к различным по­ вреждениям, которые следует выделять от прижизненных. Сюда можно отнести отделение эпидермиса, разрывы внутренних органов от льдинок, содержащих жидкость. Но особенно важ­но посмертное растрескивание или расхождение по швам кос­тей черепа вследствие расширения жидкостей в полости чере­да. При оттаивании мягкие ткани пропитываются кровью, и все это создает картину черепно-мозговой травмы . В отличие от прижизненных такие переломы всегда безоскольчатые, плос­кость перелома отвесная, нет повреждений компактного слоя кости.

Местное действие низкой температуры (отморожения) наблюдается в местах с резкой разницей в температуре по срав­нению с организмом в целом. При этом также важным являет­ся не только снижение температуры, но целый комплекс фак­торов. Отморожению подвергается чаще всего выступающие и периферические части тела (нос, уши, пальцы рук, стопа), осо­бенно при нарушении кровообращения в этих местах, напри­мер, от тесной обуви.

Отморожение и уточнение его глубины, то есть степени, раз­личают после отогревания тела. Выделяют четыре степени от­морожения, характеристика которых напоминает определение степени термических ожогов .

Первая степень приводит к отеку и багровой окраске кожи, которые исчезают в течение недели у живого человека, полнос­тью заживая в среднем через неделю.

Вторая степень характеризуется кровянистыми пузырями с отеками, наполненными желтоватой жидкостью, синюшной окраски. Заживление достигается через 2-3 недели и чрезвы­чайно болезненно. Обе степени после полного заживления сле­дов не оставляют.

Третья степень определяется по некрозу (омертвению) мяг­ких тканей. Поверхность кожи темно-синюшная, иногда с пу­зырями, резким отеком кожи. Омертвевшие ткани нагнаивают­ся, постепенно отторгаются и в течение 1-2 месяцев излечива­ются с образованием рубца.

Четвертая степень характеризуется некрозом всей толщи тканей, вплоть до костей. Отторжение омертвевших тканей про­ходит месяцами и очень болезненно, иногда с отпадением части тканей.

Отморожения редко являются объектом судебно-медицинской экспертизы, ибо обычно это результат несчастного случая. Поводом для экспертизы является установление процента стойкой утраты трудоспособности и в очень редких случаях в связи с подозрением получения отморожения с целью членовредительства.

К другим видам физического воздействия , помимо редко встречающихся изменений барометрического давления и лучис­ той энергии , относится действие электрического тока .

Сверхпроводи́мость - свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость - квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.

Открытие в 1986-1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило и практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия (4.2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости.

Видео YouTube

История открытия

Основой для открытия явления сверхпроводимости стало развитие технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте (англ.) независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунт Врублевски (англ.) и Кароль Ольшевски (англ.) выполнили сжижение азота. В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород.

В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес. Ему удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой 10 июля 1908 года им был получен жидкий гелий. Позднее ему удалось довести его температуру до 1 градуса Кельвина. Камерлинг-Оннес использовал жидкий гелий для изучения свойств металлов, в частности, для измерения зависимости их электрического сопротивления от температуры. Согласно существовавшим тогда классическим теориям, сопротивление должно было плавно падать с уменьшением температуры, однако существовало также мнение, что при слишком низких температурах электроны практически остановятся и совсем перестанут проводить ток. Эксперименты, проводимые Камерлингом-Оннесем со своими ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом, вначале подтверждали вывод о плавном спадании сопротивления. Однако 8 апреля 1911 года он неожиданно обнаружил, что при 3 градусах Кельвина (около −270 °C) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Следующий эксперимент, проведённый 11 мая, показал, что резкий скачок сопротивления до нуля происходит при температуре около 4,2 К (позднее, более точные измерения показали, что эта температура равна 4,15 К). Этот эффект был совершенно неожиданным и не мог быть объяснён существовавшими тогда теориями.

В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово. В январе 1914 года было показано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем. В 1919 году было установлено, что таллий и уран также являются сверхпроводниками.

Нулевое сопротивление - не единственная отличительная черта сверхпроводимости. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.

Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем (англ.) и Хайнцем Лондоном (англ.). Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Она получила широкое распространение и известна как теория Гинзбурга - Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов.

Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится ртуть) и II типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в 1950-е.

Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока. Так, в 1960 году под руководством Дж. Кюнцлера был открыт материал Nb3Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/см².

В 1962 году английским физиком Брайаном Джозефсоном был открыт эффект, получивший его имя.

В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных. В начале 1987 года было показано, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La-Sr-Cu-O) испытывают скачок проводимости практически до нуля при температуре 36 К. В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода (Y-Ba-Cu-O). По состоянию на 1 января 2006 года рекорд принадлежит керамическому соединению Hg-Ba-Ca-Cu-O(F), открытому в 2003 году, критическая температура для которого равна 138 К. Более того, при давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К.

Видео YouTube

Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина и поэтому имеет смысл определённое значение Тс - температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Эта величина называется критической температурой перехода. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь - от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Тс изменяются в пределах от 0,0005 К у магния (Mg) до 23,2 К у интерметаллида ниобия и германия (Nb3Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния (MgB2) у низкотемпературных сверхпроводников (Тс ниже 77 К, температуры кипения жидкого азота), до примерно 135 К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников. В настоящее время фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg−1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры - 135 К, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, сверхпроводники в своём развитии прошли путь от металлической ртути (4.15 К) к ртутьсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (164 К).

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля при температуре перехода Тc теплота перехода (поглощения или выделения) обращается в нуль, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода. Такая температурная зависимость теплоемкости электронной подсистемы сверхпроводника свидетельствует о наличии энергетической щели в распределении электронов между основным состоянием сверхпроводника и уровнем элементарных возбуждений. Когда же переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется изменением приложенного магнитного поля, то тепло должно поглощаться (например, если образец теплоизолирован, то его температура понижается). А это соответствует фазовому переходу Ι рода. Для сверхпроводников ΙΙ рода переход из сверхпроводящего в нормальное состояние при любых условиях будет фазовым переходом ΙΙ рода.

Эффект Мейснера

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока rotB = 0 . Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположнонаправленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью Нc, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. При уменьшении температуры сверхпроводника величина Нc возрастает. Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением

где Hc0 - критическое поле при нулевой температуре. Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока с плотностью, большей, чем критическая jc, поскольку он создаёт магнитное поле, большее критического.

Момент Лондона

Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно выровненное с осью вращения, возникающий магнитный момент получил название «момент Лондона». Он применялся, в частности, в научном спутнике «Gravity Probe B», где измерялись магнитные поля четырёх сверхпроводящих гироскопов, чтобы определить их оси вращения. Поскольку роторами гироскопов служили практически идеально гладкие сферы, использование момента Лондона было одним из немногих способов определить их ось вращения.

Применение сверхпроводимости

Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa2Cu3Ox, получены вещества, для которых температура Тc перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля Hc2.
Существуют детекторы фотонов на сверхпроводниках. В одних используется наличие критического тока, используют также эффект Джозефсона, андреевское отражение и т. д. Так, существуют сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD) для регистрации единичных фотонов ИК диапазона, имеющие ряд преимуществ перед детекторами аналогичного диапазона (ФЭУ и др.), использующими другие способы регистрации.
Вихри в сверхпроводниках второго рода можно использовать в качестве ячеек памяти. Подобное применение уже нашли некоторые магнитные солитоны. Существуют и более сложные дву- и трёхмерные магнитные солитоны, напоминающие вихри в жидкостях, только роль линий тока в них играют линии, по которым выстраиваются элементарные магнитики (домены).

Электроны в металлах
Открытие изотопического эффекта означало, что сверхпроводимость, вероятно, вызывается взаимодействием между электронами проводимости и атомами кристаллической решетки. Чтобы выяснить, как это приводит к сверхпроводимости, нужно рассмотреть структуру металла. Как и все кристаллические твердые тела, металлы состоят из положительно заряженных атомов, расположенных в пространстве в строгом порядке. Порядок, в котором размещены атомы, можно сравнить с повторяющимся рисунком на обоях, но только рисунок должен повторяться в трех измерениях. Электроны проводимости движутся среди атомов кристалла со скоростями от 0,01 до 0,001 скорости света; их движение и есть электрический ток.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

План:

Введение

1. Термодинамическая температура

2. Холодильник

3. История изобретения холодильных аппаратов и достижений в получении низких температур

4. Современные способы получения низких температур

5. Получение сверхнизких температур

Литература

Введение

О том, что такое теплота, издавна существовали разные мнения. В 1620 году Фрэнсис Бэкон, систематизируя данные об источниках тепла и холода, собирал их в таблицы. В этих таблицах можно было найти молнии и зарницы, пламя и болотные огни. Здесь же были ароматические травы, которые при внутреннем употреблении дают ощущение тепла. Из всего этого Бэкон каким-то образом делает вывод, что теплота есть “расширяющееся движение”. В 1658 году вышли в свет сочинения Пьера Гассенди. По его мнению, теплота и холод - это разные материи. Атомы холода острые, проникая в жидкость, они скрепляют ее.

Наверное, первыми, кому понадобилась сравнительная и притом довольно точная шкала теплоты, были врачи. Великий врач древности Гален - он жил во II веке - учил, что действие лекарств надо оценивать по восьмиградусной шкале: четыре градуса тепла и столько же градусов холода. Лекарства надо было смешивать, чтобы они могли понижать жар или согреть испытывающего озноб. Смешивание в должном отношении по-латыни называется temperatura . Отсюда и происходит термин, прочно вошедший в актив современной науки, - температура. Однако в науке этот термин долго не использовался. Лишь в XVII веке стали говорить о температуре в современном смысле: новое слово понадобилось только тогда, когда научились измерять степень нагретости тела.

Представление кинетической теории тепла трудно проникало в физику. Более понятной казалась теория теплорода, приписывающей теплу свойство жидкости, перетекающей из одного тела в другое. Теплород был сродни флогистону, гипотетической субстанции, связанной с огнем, иногда их даже путали. Теплород, казалось, хорошо объяснял свойства тепла. Химики объясняли горение и окисление выделением теплорода. Теория теплорода завоевала особо широкое признание в последней четверти XVII века. Этому способствовало появление первых законов сохранения. Сохранение теплорода при тепловых процессах казалось столь же естественным, как и сохранение вещества. Теория тепловых машин, построенная Карно, тоже была основана на модели теплорода. И все-таки с моделью теплорода дело не вышло. Если бы тепло было какой-то жидкостью, то она, протекая, сохранялась бы: ее количество не должно было изменяться. Так и считали: сколько тепла забрали от нагревателя, столько получил холодильник. Но часто бывает совсем не так.

О том, что теплота связана с движением, говорили многие естествоиспытатели. Особого упоминания заслуживает английский физик Роберт Гук, правильные идеи высказывал М.В. Ломоносов. Многие философы говорили о теплоте как о движении. Но дальше всех продвинулся Максвелл. Кинетическая теория тепла, созданная Максвеллом, позволила понять тепловые явления на основе классической механики. В 1859 году в работе Максвелла появилась формула для распределения движущихся частиц по скоростям:

p = 1/3nm <v 2>cр,

где р - давление газа, n - количество молекул в 1 см3 (концен-трация газа), m - масса молекулы, <v 2> - среднее арифметическое квадратов скоростей молекул.

Формула позволяла вычислить постоянные, характеризующие свойства тел, - такие, как теплопроводность и вязкость газа и установить их зависимость от температуры. Подобно Ньютону, создавшему небесную механику, Максвелл положил начало статистической физике или, как ее называли в прошлом веке, кинетической теории газов. После некоторых преобразований формулу можно привести к виду:

m(v 2)ср/2 = 3/2kT

Постоянная k носит название постоянной Больцмана (она была введена Планком в 1899 году). Последняя формула показывает, что температура служит мерой кинетической энергии молекул . Если газ одноатомный, то вся его энергия есть энергия поступательного движения (для газа, молекулы которого состоят из нескольких атомов, формулы оказываются немного сложнее).

В современной физике различают физику микрочастиц (электро-нов, протонов, атомов, молекул, фотонов) и физику макроскопических тел, состоящих из огромного числа, которая называется макрофизикой. Можно описать многие свойства макротел, отвлекаясь от их молекулярного строения и учитывая лишь поведение системы в целом. Этим путем следует термодинамика, рассматривающая свойства макротел, обусловленные движениями и взаимодействиями отдельных молекул. Практически вся термодинамика строится на двух постулатах, которые называют началами. Они были сформулированы Клаузиусом и Томсоном.

Первое начало термодинамики - это закон сохранения энергии. Он включает в себя принцип эквивалентности теплоты и механической работы, и его можно сформулировать так: изменение внутренней энергии системы равно сумме подведенного к ней тепла и совершаемой над ней механической работы.

Второе начало термодинамики говорит о том, что невозможно осуществить процесс, в результате которого тепло было бы перенесено от холодного тела к горячему без совершения работы.

1. Термодинамическая температура

Классическая термодинамика подразумевает скрытое движение частиц, выражаемое температурой. Это положение является в термодинамике столь важным, что его иногда называют нулевым началом термодинамики, чтобы подчеркнуть его принципиальное значение как исходной предпосылки, и формулируют в виде аксиомы: все тела при тепловом равновесии обладают температурой.

Температура определяется интенсивностью теплового движения молекул и атомов. Чем быстрее они двигаются в веществе, тем выше его температура. 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. Кельвин (К) - единица термодинамической температуры - одна из основных единиц Международной системы единиц (СИ). 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 .

Бесконечно малое изменение температуры в градусах шкалы Цельсия и Кельвина одно и то же:

dT = dt

Повседневный опыт убеждает нас в том, что при контакте двух тел с разной температурой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому и температуры обоих тел становятся равными. Передача тепла от менее нагретого тела к телу более высокой температуры никогда не происходит самопроизвольно. Чтобы осуществить такую передачу, надо затратить энергию - механическую, электрическую, химическую или какую-нибудь другую.

Передачу тепла от холодного тела в окружающую среду, имеющую более высокую температуру, можно рассматривать как получение холода. Тогда под холодом надо подразумевать количество тепла, которое отнимается от охлаждаемого тела. Количество холода не пропорционально затраченной работе: чем ниже температура охлаждаемого тела, тем больше нужно работы, чтобы получить то же количество холода. Особенно сильно возрастает затрата работы на охлаждение вблизи абсолютного нуля. Например, чтобы получить холод на температурном уровне 3 К (-270° С), нужно затратить в 1000 раз больше работы, чем для получения того же количества холода при температуре 270 К (-3° С). При абсолютном же нуле затрата работы для получения холода должна быть равна бесконечности. Это показывает, что охладить тело точно до 0 К вообще невозможно.

Понижение температуры меняет свойства многих тел. Например, мягкая и упругая резина становится при температуре около 200 К жесткой и от удара молотком раскалывается, как стекло. Так же ведут себя многие металлы, например, сталь, свинец. Если из свинца сделать колокольчик и охладить его в жидком азоте, он будет издавать мелодичный звон: свинец станет твердым. Но есть металлы и сплавы, в которых понижение температуры увеличивает прочность, оставляя им достаточную пластичность. Таковы, например, медь, ее сплавы и алюминий. Именно из этих металлов изготовляют аппараты, которые используются при низких температурах.

2. Холодильник

низкий температура холодильный

Хотя обратимость циклов в тепловой машине использовалась во многих рассуждениях и теориях, очень долго никому не приходило в голову, для чего может понадобиться на практике тепловая машина, которая работала бы в обратном направлении. Идея комнатного холодильника возникла сравнительно недавно. Комнатный холодильник, набитый льдом, появился в квартирах лишь в середине прошлого века, а электрический холодильник, который стоит сейчас в каждой кухне, появился в продаже лишь в первых десятилетиях нашего века.

Если оставить в стороне конструктивные соображения, то холодильник работает по тому же принципу, что и тепловая машина, только все операции проводятся в обратном направлении. При изотермическом расширении на этапе ге количество теплоты DQ2 от холодильника переходит к охлаждающему газу. Дальше газ адиабатически сжимается до давления, отвечающего точке б , в которой газ вступает в контакт с нагревателем (комнатой) и где он в процессе изотермического сжатия до точки а передает нагревателю (в действительности - просто воздуху комнаты) количество теплоты DQ1. На это затрачивается работа. На последнем этапе газ адиабатически расширяется и “возвращается” в точку в . В холодильном цикле на участке вба работает компрессор. Комнатный холодильник охлаждает продукты и нагревает комнату.

Несколько систем холодильников было разработано в России на основе полупроводниковых термобатарей. В них нет ни движущихся жидкостей, ни моторов, ни компрессоров. В заднюю стенку холодильного шкафа вмонтирована небольшая плитка, собранная из полупроводниковых термопар. Она соприкасается с двумя радиаторами: один выходит наружу холодильника, другой расположен внутри него. Полупроводниковый выпрямитель преобразует переменный ток электросети и питает холодильник постоянным током. Холодильник действует совершенно не изнашиваясь. Созданы также холодильники-малютки для научных исследований, для их использования в медицине и т.д.

3. История изобретения холодильных аппаратов и достижений в получении низких температур

Интерес к получению низких температур возник не только из практических соображений. Физиков давно интересовал вопрос, можно ли превратить в жидкость газы - такие, как воздух, кислород, водород. Начало этой истории относится к 1877 году, когда горный инженер из французского города Шатильон Кальете обнаружил капли жидкого ацетилена в лабораторном сосуде, в котором неожиданно открылась течь. Резкое понижение давления вызвало образование тумана.

Почти в те же дни Пикте сообщил из Женевы о последовательном, каскадном сжижении разных газов, завершившемся получением жидкого кислорода при температуре -140°С и давлении 320 атмосфер. Температура в опытах Кальете оценивалась в -200°С.

Техники занялись постройкой холодильных аппаратов. В 1879 году из Австралии в Англию отправился первый рефрижератор, груженый мясом. По-видимому, первый из патентов на холодильные устройства, датированный 1887 годом, был выдан Сименсу.

Уже в 1888 году в Астрахани была построена большая холодильная машина для замораживания рыбы. А двумя годами ранее газета “Петербургский листок” писала: “...дело дошло до поставки на дом холодной температуры. Для этого предлагается устроить резервуары с концентрированным аммиаком, который, испаряясь, произведет весьма заметное понижение температуры”.

Все методы сжижения были основаны на охлаждении газа при расширении с совершением работы (в поршневом или турбинном двигателе) либо при расширении в пустоту, когда работа совершается против сил притяжения молекул внутри самого газа. В 1898 году Дьюар получил жидкий водород, снизив температуру примерно до 20 К. Жидкий воздух был получен Клодом в 1902 году. Наконец, в 1908 году Камерлинг-Оннес в Голландии получил жидкий гелий. Температура, которая была им впоследствии достигнута, только на один градус отличалась от абсолютного нуля. В 1939 году П. Л. Капица доказал большую эффективность ожижительных машин, в которых газ совершает работу с помощью турбины. Турбодетандеры получили с тех пор большое распространение. Он же предложил и конструкцию эффективной установки сжижения гелия.

4. Современные способы получения низких температур

Испаряя жидкий гелий в вакууме, можно получить температуру всего на 0,7 К больше абсолютного нуля. Еще более низкую температуру (до 0,3 К) дает сжиженный изотоп гелия 3Не.

Чтобы охладить какой-либо предмет до нужной температуры, достаточно поместить его в ванну с соответствующим сжиженным газом. Таким образом, основная задача при получении очень низких температур - это сжижение газов. Его можно добиться двумя методами.

Первый метод - дросселирование, то есть расширение сжатого газа в вентиле. При таком расширении молекулы газа преодолевают силу взаимного притяжения, их тепловое движение замедляется, и газ охлаждается. Этот метод применяется в простейших установках для ожижения газов. Газ сжимают компрессором, охлаждают в теплообменнике и расширяют в дроссельном вентиле. При таком расширении часть газа ожижается.

У каждого газа есть определенная температурная точка - инверсионная температура. При дросселировании газа, находящегося выше инверсионной температуры, он уже не охлаждается, а нагревается. Поэтому применять метод дросселирования можно только предварительно охладив газ ниже его инверсионной температуры. Для большинства газов инверсионная температура выше комнатной, но у водорода она равна 193 К (-80° С), а у гелия даже 33 К (-240° С).

При другом способе получения холода сжатый газ заставляют не только расширяться, но и совершать механическую работу в цилиндре с поршнем или в турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или о лопатки турбины, передают им свою энергию; скорость молекул сильно снижается, и газ интенсивно охлаждается. Расширительные машины, применяемые при этом способе, называются детандерами. Они могут быть поршневого или турбинного типа. На рисунке 2 показано, как устроен аппарат для ожижения гелия с поршневым детандером. В аппарат из компрессора поступает гелий, сжатый при комнатной температуре давлением около 20 атмосфер. Сжатый гелий предварительно охлаждается в теплообменнике и в ванне с жидким азотом. Большая часть сжатого гелия расширяется в поршневом детандере, а гелий, оставшийся сжатым, охлаждается холодным газом до 11-12 К и после теплообменника расширяется в дроссельном вентиле. При этом часть газа превращается в жидкость и скапливается в сборнике.

Гелий, оставшийся в газообразном состоянии, подается в теплообменник для охлаждения следующих порций газа, нагревается до комнатной температуры и вновь сжимается компрессором. При этом сжижается примерно 10% подаваемого в аппарат гелия. Для теплоизоляции от окружающей среды, все холодные узлы аппарата помещены в герметичный кожух - своеобразный термос, в котором поддерживается высокий вакуум.

Жидкий гелий представляет собой бесцветную легкую жидкость, плотность которой в 8 раз меньше, чем у воды. Он кипит под атмосферным давлением при температуре около 4 К. Жидкий гелий используется обычно для охлаждения исследуемых веществ до температуры, близкой к абсолютному нулю. Водород, азот и другие газы сжижают примерно теми же методами, но соответственно при более высокой температуре.

Исследование низких температур привело к открытию двух удивительных явлений - сверхпроводимости и сверхтекучести. Оба эти явления весьма отличаются от свойств, которыми обладают вещества при обычных температурах и могут быть объяснены только с помощью квантовой механики.

5. Получение сверхнизких температур

При низких температурах прекращается почти всякое движение атомов - поступательное, вращательное. Однако даже при температурах, меньших 1 К, спины атомов продолжают вести себя как атомы идеального газа - они обмениваются энергией (хотя и слабо), и их положение в пространстве может изменяться почти свободно. В таких элементах, как редкоземельные, электроны заполняют внутренние оболочки атомов, и их спины почти не чувствуют других электронов. Следовательно, и магнитные моменты ведут себя, как свободные.

На этом свойстве электронов основан метод получения сверхнизких температур - магнитное охлаждение. Он был предложен в 1926 году Джиоком в США и независимо (даже несколькими неделями раньше) Дебаем в Германии. Этим методом были достигнуты температуры примерно 0,003 К. Более низких температур получить таким способом не удается, так как спины перестают двигаться свободно, их упорядоченность, возникающая из за взаимодействия между ними, не разрушается слабым тепловым движением атомов.

Можно спуститься по температурной шкале еще ниже, если использовать большие магнитные поля - в несколько тесла. В таких полях можно ориентировать магнитные моменты ядер и повторять все описанные операции уже не с электронами, а с ядрами. В 1956 году Симон достиг таким способом температуру в 0,000016 К. К сожалению, этот рекорд не вполне реален, так как здесь охлаждается не кусок вещества, а иллюзорная система спинов.

Всем известно, что растворение соли понижает температуру раствора. Этот простой эффект помог физикам. Оказалось, что если растворять газ гелий с атомной массой 3 в обычном жидком гелии, то температура раствора понижается. Так получают температуру до 0,001 К.

Есть еще более хитроумный способ, придуманный И.Я. Померанчуком. Способ этот тоже связан с 3Не, и с его помощью достигается температура около 0,001 К. При 0,002 К жидкий 3Не становится, подобно 4Не, сверхтекучим, и в этой области сейчас открылся необычайно сложный и интересный мир физических явлений. Физика низких температур вступила сейчас в новую эпоху. Область милликельвинов (тысячных долей кельвина) сулит еще много сюрпризов

Литература

1. Бабский Е.Б., Зубков А.А., Косицкий Г.И., Ходоров Б.И. Физиология человека. М.: Издательство“Медицина”, 1966.

2. Губанов Н.И., Утепбергенов А.А. Медицинская биофизика. М.: Медицина, 1978.

3. ДЭ. Вещество и энергия. М.: “Просвещение”, 1966.

4. Левин В.Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. М.: Атомиздат, 1975.

5. Радушкевич Л.В. Курс термодинамики. М.: “Просвещение”, 1981.

6. Расторгуев Б.П. Хирургия без ножа. М.: “Знание”, 1975, С. 81-87.

7. Смородинский Я.А. Температура. - М.: Наука, 1987. - (Библиотечка “Квант”, вып. 12)

8. Соровский образовательный журнал, 1996, № 4, С. 51.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Понятие термодинамической температуры. Способы получения низких температур. Принцип работы холодильника. История изобретения холодильных аппаратов и достижений в получении низких температур. Метод получения сверхнизких температур, магнитное охлаждение.

реферат , добавлен 10.07.2013


Исследование предмета и задач физики низких температур – раздела физики, занимающегося изучением физических свойств систем, находящихся при низких температурах. Методы получения низких температур: испарение жидкостей, дросселирование, эффект Пельтье.

курсовая работа , добавлен 22.06.2012


Понятие теплового равновесия. История создания и развития термометра: Галилей, Ньютон, Фаренгейт, Цельсий. Характеристика абсолютной, реальной и термодинамической шкалы температур. Использование низких температур для превращения газов в жидкость.

реферат , добавлен 09.02.2011


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 , добавлен 16.08.2012


Раздел физики низких температур, изучающий закономерности изменения свойств веществ в условиях криогенных температур. Рабочее тело в криогенных системах. Восстановление биологических функций после размораживания. Температура конденсации природного газа.

презентация , добавлен 10.08.2013


История изобретения термометра. Ртутные и спиртовые термометры. Теплоизоляция в жизни человека и животных. Увеличение и уменьшение потерь тепла у человека. Температура тела человека, тепловой баланс. Способы регулирования температуры в животном мире.

доклад , добавлен 28.11.2010


Основные этапы жизни советского физика П. Капицы. Студенческие годы и начало преподавательской работы ученого. Получение Нобелевской премии за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур. Роль Капицы в становлении физики.

презентация , добавлен 05.06.2011


Методики, используемые при измерении температур пламени: контактные - с помощью термоэлектрического термометра, и бесконтактные - оптические. Установка для измерения. Перспективы применения бесконтактных оптических методов измерения температуры пламени.

курсовая работа , добавлен 24.03.2008


Силы межмолекулярного взаимодействия в газах. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы и внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля-Томсона. Сжижение газов и получение низких температур. Виды межмолекулярных взаимодействий. Метастабильные состояния.

реферат , добавлен 06.09.2011


Методы получения температуры между нулем и нормальной точкой кипения жидкого воздуха, ниже нормальной точки кипения. Определение влияния теплопроводности подводящих и пути его снижения. Теплопроводность различных сплавов при низких температурах.

РЕФЕРАТ

"Низкие температуры"

А) Температуры между нулем и нормальной точкой кипения жидкого воздуха

Новый способ получения низких температур предложил Р. Хильш. В прямую цилиндрическую трубку R из форсунки D вдувается воздух по касательной к стенке трубы. Вследствие того, что справа, вплотную к форсунке, вставлена диафрагма В, струя воздуха при открытой с двух сторон трубке движется только налево, описывая винтовую спираль. Эту диафрагму следует отрегулировать таким образом, чтобы некоторая часть воздуха выходила через нее направо. Этот воздух отдает большую часть своей кинетической энергии в виде тепла воздуху, движущемуся налево вдоль стенки трубки; кроме того, правая часть воздуха разрежается. В.результате этого она оказывается значительно более холодной, чем часть, текущая налево. Таким способом при начальном давлении в 10 атм можно получить температуру до – 40° С. Конечно, коэффициент полезного действия такой установки очень мал.

Б) Температура ниже нормальной точки кипения жидкого воздуха

В качестве охлаждающей среды в этой температурной области служат кипящие при атмосферном или более низких давлениях сжиженные газы: воздух, неон, водород, гелий. Промежуточные температуры между отдельными областями можно получать, используя адсорбционные криостаты. Однако возможность их применения очень ограничена, так как их мощность очень мала. Температурный интервал между жидким водородом и жидким гелием может быть заполнен, кроме того, с помощью гелиевого ожижителя Симона. Однако мощность этого аппарата невелика.

Термостаты для сжиженных газов в этих температурных областях необходимо прочно закрывать, так как в противном случае при понижении давления эти газы обычно начинают кипеть; кроме того, при очень низких температурах на кипящих газах будет конденсироваться воздух. В то время, когда не ведется откачка. Конечно, необходимо выпускать газ, образующийся в процессе испарения. Вентилем, открывающимся только под давлением изнутри, может служить резиновая трубка, прорезанная в продольном направлении.

Схема охлаждения по Хильшу

При конструировании криостатов следует иметь в виду, что Теплота испарения 1 л жидкости составляет при нормальных точках кипения для

Отсюда видно, что при работе с жидким водородом и тем более с жидким гелием приток тепла извне должен быть уменьшен как можно сильнее.

Ниже речь будет идти главным образом о криостатах для жидкого гелия. Для жидкого водорода применимы те же принципы, в то время как для жидкого воздуха многое можно упростить.

Всегда применяют два сосуда Дьюара: внутренний, для. жидкого гелия, и внешний, заполненный жидким азотом. Так как через иенское или пирексовое стекло гелий диффундирует, то внутренний сосуд должен быть изготовлен из других сортов стекла. Теперь все больше переходят к цельнометаллическим конструкциям. При их правильном изготовлении расход гелия оказывается примерно «таким же, как в стеклянных сосудах. На рис. показан такой сосуд Дьюара, который легко самостоятельно изготовить в лабораторной мастерской. Внешняя оболочка состоит из латунной трубы без швов диаметром 9,5 см, с толщиной стенок 1,5 мм, внутренняя оболочка – из аналогичной трубы диаметром 8 см. Для уменьшения теплопроводности от теплого конца верхняя часть внутренней трубы изготовляется из листового нейзильбера толщиной 0,3 мм. Для соединения этой трубы с латунной их сначала приваривают в отдельных точках, а затем прочно пропаивают. Фальцованные швы значительно труднее сделать вакуумно-плотными. Стороны трубок, обращенные к вакууму, облицовываются алюминиевой фольгой. В качестве клея применяется бесцветный лак, например глипталь. В нижней части внутреннего сосуда помещена небольшая коробка для абсорбции газа, заполненная углем из кокосовых орехов. Все соединения, за исключением дна, пропаяны твердым припоем, пластинка дна – мягким. Сосуд откачивается при комнатной температуре до давления Ю -3 мм рт. ст. через вентиль без сальника. Для контроля давления служит маленький термоэлектрический вакуумметр. Тем же приемом, конечно, можно без особого труда сделать внешний сосуд для жидкого азота. После тщательного охлаждения внутреннего сосуда до температуры жидкого азота требуется еще около 1,5 л жидкого гелия для охлаждения до 4° К и 2,25 л для заполнения криостата. Если нет дополнительного притока тепла через измерительные приборы, а крышка омывается жидким азотом, то из криостата за час испаряется около 0,3 л жидкого гелия.

Для определения уровня жидкости внутри сосуда с большим успехом применяют американские угольные радиотехнические сопротивления. Бакелитовую оболочку этих сопротивлений удаляют или шлифовкой на станке, или вручную, медленно вращая сопротивление. Одноваттное сопротивление, имеющее при комнатной температуре величину 180 ом, при 4° К в парах гелия возрастает до 3600 ом, а в жидком гелии – до 4600 ом. При более низких температурах сопротивление еще больше. Не надо стремиться уменьшить выделяющееся при измерении джоулево тепло, так как изменение сопротивления вызывается изменением внешней теплопроводности. Три таких сопротивления укрепляют в сосуде на разной высоте: одно – на самом низком уровне, при котором еще можно работать, второе – па половинной высоте и третье –· в месте соединения внутренней трубы с ее тонкой частью.

Подводящие провода вводятся во внутреннюю часть через фланец между двумя резиновыми кольцами. Применяют эмалироианный провод и небольшое количество вакуумной смазки.

Весь сосуд Дьюара закрывается металлической крышкой. Лучше всего применять кольцеобразный спай по бортику, охватывающему трубку. Бортик легко запаивается и так же легко снова распаивается, если его окружить изолированной проволокой, которая нагревается током от понижающего трансформатора. Про-текапие припоя не может иметь места. Если крышка остается всегда теплой, то для пайки применяют сплав Вуда; если же крышка охлаждается, то лучше применять индиевооловянный припой.

Необходимо, конечно, следить за тем, чтобы все другие детали, которые ведут к измерительной аппаратуре, не проводили слишком много тепла. Трубки применяют тонкостенные и без швов, из плохо проводящих тепло материалов – нейзильбера или нержавеющей стали. Особенно хороши трубки из хромала, который, однако, как и нержавеющая сталь, поддается только твердой пайке. Можно применять также стеклянные трубки, спаянные с металлическими.

Влияние теплопроводности подводящих проводов можно значительно уменьшить. Для подачи напряжения и проводов, в которых идет ток силой до 10 ма, следует применять манганиновую проволоку толщиной от 0,15 до 0,25 мм. При более сильных токах цримевяют толстую проволоку для соединений, ведущих от деталей, находящихся при комнатной температуре, к медной шайбе, находящейся при температуре жидкого воздуха; такие же проволоки идут от измерительной аппаратуры, находящейся в жидком водороде или жидком гелии, почти до медной шайбы. Только на небольшом расстоянии от нее переходят к тонкой проволоке из возможно более чистой меди длиной от 5 до 10 см. Для ее расчета можно пользоваться следующей формулой

где Vi – V 0 – разность потенциалов на проволоке, Ti – верхняя, a T u – нижняя температура и л/к – отношение коэффициентов теплопроводности и электропроводности.

Токи силой до 200 б подводятся к измерительным приборам, установленным в жидком водороде, а в Институте низких температур Херршингера ток до 50 а подводится к измерительным приборам, установленным в жидком гелии!

Остаточное сопротивление медного провода, обычно имеющегося в продаже, составляет примерно 2% от сопротивления при комнатной температуре; на рис показан ход кривых л, к и л/к. Если черев провод должен протекать ток /, то сопротив-" ление этого провода должно быть равным

Теплопроводность различных сплавов при низких температурах

На рис. показан специальный сосуд Дьюара, предназначенный для оптических измерений в магнитном поле. Для того чтобы охладить его от комнатной температуры и ввести в него 2,5 л гелия, требуется около 5 л жидкого гелия. В темноте гелий сохраняется в криостате в течение 50 часов. При освещении изучаемого образца сильной вольфрамовой лампой это время может уменьшиться до восьми часов. Вакуум поддерживается маленьким масляным диффузионным насосом со скоростью откачки 100 л/сек. Сосуд с гелием был настолько хорошо изолирован, что насос можно было выключать более чем на 1 час. При этом вентиль между гелиевым сосудом и насосом закрывался. Это позволяет наполнять сосуд непосредственно у ожижителя и переносить его для исследований к магниту. Новые пенопластические материалы обеспечивают превосходную изоляцию тел неправильной формы. Пенообразная масса легко обрабатывается ножом, пилой или пробочным сверлом. Если воспрепятствовать возникновению конвекционных токов, то эта изоляция достаточна даже для жидкого гелия. Плотность пеноматериалов настолько мала, что они плавают в жидком гелии.

Здесь не представляется возможным описать устройство всего оборудования, необходимого для ожижения водорода и гелия. Но некоторые отдельные моменты необходимо отметить.

Специальный сосуд Дьюара для измерений в магнитном поле

В зависимости от упругости паров масла, применяющегося в компрессоре, даже при очень хорошей ловушке для масла некоторое количество масляных паров может проникать во встречные потоки и вымораживаться. Это приводит к двум неприятным последствиям: во-первых, к уменьшению коэффициента теплопередачи, а следовательно, и к. п. д. противотока и, во-вторых, к возможности засорения трубопроводов. Этот недостаток устраняют, прежде всего применяя масла. с низкой упругостью паров. Поэтому во всей установке необходимо применять масло^ обладающее большой вязкостью и низкой упругостью паров; такому требованию удовлетворяют только специальные сорта масел. Далее, первый трубопровод целесообразно сконструировать так, чтобы масло, осаждающееся в нем за время, в течение которого оно еще не успевает перейти в жидкость, собиралось в специальном «кармане», откуда его периодически можно было бы спускать. К. Клузиус предложил устанавливать перед ожижителем сосуд с адсорбирующим углем. Даже при невысокой температуре последний адсорбирует большую часть паров масла.

Водород, служащий для ожижения, должен быть очень чистым; в противном случае соединительные трубки и вентиль быстро будут засорены твердым воздухом. Так как большая часть жидкого водорода при атом процессе утрачивается, то необходимо периодически или приобретать новые порции очень чистого водорода, это, однако, затруднительно, или тщательно очищать обычный водород, имеющийся в продаже. К. Клузиус предложил следующее устройство, позволяющее применять обычный водород: к ожижителю параллельно стандартным трубкам высокого давления проводят систему трубок через такие же противоточники, охладители и т.п.; в эту систему в процессе циркуляции ожижаемого водорода дополнительно вводится из стальной бомбы некоторое количество водорода. В конечном счете эта часть проходит через конденсатор, который охлаждается водородом, поступающим из расширительного вентиля, соединяется с этим водородом и течет обратно в сторону низкого давления. В этом случае небольшое количество чистого водорода требуется только при пуске установки.

В Институте Херршингера спроектирована установка, которая позволяет увеличивать примерно на 30% производительность небольшого аппарата для ожижения воздуха: большая часть воздуха в аппарате не ожижается, а снова подводится противотоком к компрессору, так что последний при стационарной работе засасывает из атмосферы только ожижаемую долю воздуха. Компрессор может засасывать воздух не из атмосферы, а из резервуара, находящегося под давлением; если воспользоваться небольшим компрессором, то в этих 9,6% воздуха можно создать избыточное давление до 0,3 атм; в этом случае общая производительность компрессора, а следовательно, и ожижаемая часть увеличиваются в отношении 1:1,3.

В) Измерение низких температур

Для измерения температур до – 200° G пригоден пентановый термометр. Чтобы жидкость в его трубке не загустела, в исследуемую среду следует сначала погружать только шарик термометра, а затем уже и трубку. До температуры жидкого воздуха можно пользоваться термопарами. Вместо медно-константановой термопары лучше взять манганино-константановую, так как большая теплопроводность меди может привести к неточности измерений. Проволоку предварительно испытывают на однородность. Для этого берут кусок проволоки, протягивают его через жидкий воздух и с помощью гальванометра наблюдают появляющуюся на ее концах термоэлектродвижущую силу. Для интервалов температур между жидким воздухом и жидким водородом и между жидким водородом и жидким гелием применяется газовый термометр постоянного объема. Ha рис. показан схематически простой газовый термометр постоянного объема. Резервуар термометра T с помощью капилляра К соединяется с манометром М, имеющим шкалу давлений от 0 до 1 атм. Термометр наполняется при комнатной температуре водородом или гелием под давлением 1 атм и легко может быть проградуирован в -°К.

Американские угольные сопротивления, применяемые в качестве указателей уровня жидкости, могут прекрасно служить и в качестве термометров. В этом случае, однако, надо обращать внимание на то, чтобы количество джоулева тепла, выделяющееся в процессе измерения, было очень малым. Как было указано выше, удаляют бакелитовый изолирующий слой сопротивлении и их вклеивают при помощи лака в медную трубочку. Они не должны непосредственно соприкасаться с гелием, так как адсорбируют его и при этом меняется характеристика сопротивления.

Термометр градуируют путем сравнения с показаниями газовых термометров.

Очень точные измерения температур можно произвести с помощью термометра, в котором температура намеряется по давлению пара. Для большинства случаев вполне удовлетворительной оказывается простая конструкция, схематически изображенная на рис. Резервуар термометра T соединяется с одним коленом ртутного манометра Q, другое колено которого по желанию остается открытым или закрывается после того, как из него откачают воздух. Вследствие малого объема этого колена даже незначительное количество воздуха, проникающего в него или остающегося в нем после откачки, может привести к появлению больших ошибок в измерениях, поэтому здесь необходимо применять очень надежный кран с наклонно расположенными отверстиями и полой пробкой. Сосуд V необходим для того, чтобы при охлаждении имелся достаточный запас пара, так как в резервуаре термометра также происходит небольшая конденсация. Величину объема V подсчитывают в зависимости от газа в термометре и измеряемой температуры. Вследствие большого наружного объема показания термометра несколько вялы, так как в нем должны конденсироваться или испаряться большие количества пара. Если этот дефект желательно устранить, то для манометра и подводящей трубки можно применить капилляры, которые, однако, при низких температурах необходимо наполнять, а перед нагреванием вновь откачивать. Если хотят облегчить труд по наполнению отмеренным количеством пара, то последний необходимо впускать медленно. Термометр считается достаточно наполненным, если давление в нем сохраняется неизменным после двукратного дополнительного введения небольшого количества пара.

В случае применения закрытых криостатов для самых низких температур можно при медленной откачке определять температуру по упругости пара над жидкостью, так как задержка кипения едва ли здесь будет происходить. Вместе с тем, если теплый газ сжимается, то температура в нижней части сосуда Дьюара, несмотря на хорошее перемешивание, может оказаться на несколько градусов ниже, чем температура на поверхности; в связи с этим при необходимости повысить температуру лучше это делать с помощью маленькой нагревательной спирали, располагая ее в самой нижней части сосуда Дьюара. При работах с жидким воздухом необходимо помнить, что вследствие изменения его состава нет однозначной зависимости между давлением пара и температурой. По этой причине необходимо применять закрытые кислородные термометры.

Г) Сосуды Дьюара, сифоны и вентили с вакуумной рубашкой

Лучшими сосудами для жидкого воздуха могут служить термосы из закаленного стекла, имеющиеся в любом хозяйственном магазине. Большие сосуды для транспортировки жидких газов изготовляются из металла. По желанию их можно изнутри посеребрить, благодаря чему потери на испарение значительно уменьшаются.

Сосуды для транспортировки гелия изготовляются совершен но так же, как дьюаровские сосуды для магнитных исследований. Только тонкостенная трубка на верхнем конце делается существенно длиннее. Благодаря этому улетучивающийся гелий препятствует притоку тепла через стенки трубки. В сосуде емкостью 15 л за сутки испаряется около 0,25 л жидкого гелия!

Весьма желательно точно знать уровни жидкости до и после выливания части жидкого гелия. Этой цели служит тонкостенная трубка диаметром 1 мм из нейзильбера, имеющая раструб па конце, закрытый резиновой мембраной. Если трубка находится в газе, то очень легко возникают низкочастотные акустические колебания, наличие которых легко ощутить непосредственно пальцами. Если эту трубку медленно опускать вертикально, то колебания прекращаются в момент соприкосновения трубки с поверхностью жидкости. Этот способ позволяет легко определить уровень жидкости с точностью ±1 мм. Метод применим и к жидкому водороду, но неприменим к жидкому воздуху.

Небольшое давление, необходимое для переливания сифоном жидкого гелия, лучше всего получить легким нажатием рукой на небольшую грушу.

Д) Автоматическая регулировка температуры

Температура в криостатах поддерживается постоянной с помощью регулировки тока через сопротивление, находящееся на дне сосуда. В настоящее время регулирование тока почти во всех случаях осуществляется автоматически. Радиотехническое угольное сопротивление в жидком гелии включается в одно из плеч мостика Уитстона, питаемого переменным током. Выходное напряжение мостика усиливается, выпрямляется фазовым детектором и подводится к небольшому усилителю мощности, а от него – к нагревателю. Мостик регулируется так, что при достижении желаемой температуры на его выходе возникает маленький сигнал нужной фазы, вызывающий соответствующий ток в цепи нагрева. Вентиль, ведущий к насосу, устанавливается таким образом, что в нагревателе развивается необходимая мощность. При уменьшении температуры мощность нагревателя растет, при увеличении температуры мощность нагревателя падает. Если температура увеличивается настолько сильно, что сигнал на выходе моста имеет обратную фазу, то фазовый детектор препятствует прохождению этого сигнала к усилителю мощности. Обеспечение в течение часа постоянства температуры гелиевой ванны с точностью 0,001° К не вызывает трудностей. Вместо угольных сопротивлений можно применять также полупроводниковые. При более высоких температурах жидкого азота применяют термисторы.