Штурм абсолютного нуля
Шрифт:
Но интерес исследователей к такому удивительному явлению, как сверхпроводимость, не ослаб.
К ртути, свинцу и олову вскоре прибавились новые сверхпроводники: индий, галлий и таллий. Эти металлы по своим физическим свойствам похожи друг на друга: они мягки, их температуры плавления невысоки.
Вскоре сверхпроводники были обнаружены и среди более тугоплавких и твердых металлов… Это тантал, ниобий, титан и торий.
Когда был сжижен гелий, газ с самой низкой температурой кипения, и откачаны над ним пары, казалось, что самая низкая возможная температура уже достигнута.
Однако, после того как в 1926 году был открыт так называемый метод магнитного охлаждения, появилась возможность проникнуть в область еще более низких температур. Здесь исследователей ждали новые открытия.
Но
Частицы (атомы, ионы, молекулы) парамагнитного вещества ведут себя как маленькие магнитики.
Из-за теплового движения эти магнитики ориентированы совершенно беспорядочно.
Правда, при низких температурах, когда тепловое движение ослаблено в значительной степени, силы взаимодействия между магнитиками могут заставить их расположиться правильным образом. Но если магнитики находятся далеко друг от друга, то силы взаимодействия не хватает для наведения порядка и магнитный беспорядок сохраняется до самых низких температур.
Такие явления наблюдаются в очень сложных по своему составу парамагнитных солях, в которых, кроме магнитных частиц, есть много других немагнитных частиц, например в цериевомагниевом нитрате. В этом веществе магнитиками являются только ионы церия. Но на каждый ион церия приходится примерно 60 других, немагнитных атомов.
Магнитики так сильно разбавлены немагнитными частицами, что беспорядок в ориентации ионов церия сохраняется даже при очень низких температурах.
В парамагнитном веществе беспорядок может изменяться не только при изменении его температуры, но и при изменении его магнитного состояния.
Если парамагнитную соль поместить в постоянное магнитное поле, то все магнитики — ионы выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля. Таким образом, наводится порядок в ориентации ионов. Если это поле убрать, снова создается беспорядок.
Практически магнитное охлаждение осуществляется следующим образом (см. схему на стр. 72).
Парамагнитную соль, находящуюся в ампуле а, заполненной газообразным гелием, помещают в сосуд с жидким гелием, температура которого равна примерно 1К, расположенный в магнитном поле между полюсами электромагнита (1).
Газообразный гелий в ампуле обеспечивает хороший тепловой контакт с жидким гелием. Таким образом, температура парамагнитной соли совпадает с температурой окружающего жидкого гелия.
Затем из ампулы откачивают газообразный гелий, обеспечив тем самым теплоизоляцию соли от окружающей среды (2).
Потом отключают магнитное поле, что ведет к разориентации магнитиков (3).
На разориентацию магнитиков расходуется энергия теплового движения ионов, что приводит к дальнейшему охлаждению соли.
С помощью этого метода можно получить температуры, лишь на тысячные доли кельвина отличающиеся от абсолютного нуля. В современной технике чаще применяется другой, более удобный способ охлаждения до температур, приближающихся к абсолютному нулю, о котором вы прочтете в главе седьмой.
В интервале «магнитных температур» (от 1К и ниже) была обнаружена новая серия сверхпроводников: кадмий, иридий, рутений, титан и другие.
Магнитное охлаждение: а — ампула; А — жидкий гелий; Б — газообразный гелий; В — вакуум. 1 — под действием магнитного поля магнитики — ионы парамагнитной соли, охлажденной жидким гелием, выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля; 2— откачкой газообразного гелия достигается теплоизоляция соли от окружающей среды; 3— при отключении магнитного поля происходит разориентация магнитиков и дальнейшее охлаждение соли.
Теперь остается представить читателю известные на сегодня сверхпроводящие элементы.
Для этого рядом с названием элемента указываются два числа: критическая температура в кельвинах (К) и критическое магнитное поле в теслах (Т), в тех случаях, когда оно известно.
| Алюминий | К | Т |
| 1,19 | 0,01 | |
| Бериллий | 0,026 | – |
| Ванадий | 5,3 | 0,14 |
| Вольфрам | 0,015 | 0,11 |
| Галлий | 1,09 | 0,006 |
| 6,5 | 0,056 | |
| 7,5 | 0,95 |
Но
почему около галлия стоят сразу три пары чисел?Оказывается, некоторые элементы существуют в виде двух или большего количества простых веществ, отличающихся друг от друга, например, структурой кристаллической решетки. В науке это явление известно под названием аллотропии (от греческого — «другое свойство»).
Разные аллотропические формы одного и того же элемента могут иметь разные критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние и разное критическое магнитное поле.
Но продолжим наш «парад».
| К | Т | |
| Индий | 3,4 | 0,03 |
| Иридий | 0,14 | 0,002 |
| Кадмий | 0,55 | 0,003 |
| Лантан | 4,8 | 0,08 |
| 6,0 | 0,16 | |
| Молибден | 0,92 | 0,01 |
| Ниобий | 9,2 | 0,2 |
| Олово | 3,72 | 0,03 |
| 5,3 |
| Осмий | К | Т |
| 0,65 | 0,006 | |
| Протактиний | 1,3 | — |
| Рений | 1,7 | 0,02 |
Следующий элемент мог бы по праву занять место правофлангового. Ведь именно с него началась история сверхпроводимости.
| К | Т | |
| Ртуть | 4,15 | 0,04 |
| 3,95 | 0,03 |
Замыкают нашу «колонну»:
| К | Т | |
| Рутений | 0,5 | 0,007 |
| Свинец | 7,2 | 0,08 |
| Таллий | 2,39 | 0,002 |
| Тантал | 4,49 | 0,08 |
| Технеций | 7,8 | 0,14 |