Bet kuris fizinis kūnas, įskaitant visus Visatos objektus, turi minimalią temperatūrą arba jos ribą. Bet kurios temperatūros skalės pradžios tašku laikoma absoliutaus nulio temperatūros reikšmė. Bet tai tik teoriškai. Chaotiškas atomų ir molekulių, kurios šiuo metu atiduoda savo energiją, judėjimas praktiškai dar nebuvo sustabdytas.
Tai yra pagrindinė priežastis, kodėl negalima pasiekti absoliutaus nulio temperatūros. Vis dar vyksta diskusijos apie šio proceso pasekmes. Termodinamikos požiūriu ši riba nepasiekiama, nes atomų ir molekulių terminis judėjimas visiškai sustoja ir susidaro kristalinė gardelė.
Kvantinės fizikos atstovai numato minimalių nulinių svyravimų buvimą absoliutaus nulio temperatūroje.
Kokia yra absoliutaus nulio temperatūros reikšmė ir kodėl jos negalima pasiekti
Generalinėje svorių ir matų konferencijoje pirmą kartą buvo nustatytas atskaitos arba atskaitos taškas temperatūros rodiklius nustatantiems matavimo prietaisams.
Šiuo metu Tarptautinėje vienetų sistemoje Celsijaus skalės atskaitos taškas yra 0°C užšalimui ir 100°C virimui, absoliutaus nulio temperatūrų reikšmė lygi –273,15°C.
Naudojant temperatūros reikšmes Kelvino skalėje pagal tą pačią tarptautinę vienetų sistemą, vanduo užvirs esant pamatinei vertei 99,975 ° C, absoliutus nulis lygus 0. Pagal Farenheito skalę indikatorius atitinka -459,67 laipsnius. .
Bet jei šie duomenys gaunami, kodėl tada praktiškai neįmanoma pasiekti absoliutaus nulio temperatūros? Palyginimui galime paimti gerai žinomą šviesos greitį, kuris lygus pastoviai fizinei vertei 1 079 252 848,8 km/val.
Tačiau šios vertės praktiškai neįmanoma pasiekti. Tai priklauso nuo perdavimo bangos ilgio, sąlygų ir reikalingo didelio energijos kiekio sugerties dalelėms. Norint gauti absoliučios nulinės temperatūros vertę, reikalinga didelė energijos išeiga ir jos šaltinių nebuvimas, kad ji nepatektų į atomus ir molekules.
Tačiau net visiško vakuumo sąlygomis mokslininkams nepavyko gauti nei šviesos greičio, nei absoliutaus nulio temperatūros.
Kodėl galima pasiekti maždaug nulinę temperatūrą, bet ne absoliutų nulį?
Kas nutiks, kai mokslas priartės prie itin žemos absoliutaus nulio temperatūros, lieka tik termodinamikos ir kvantinės fizikos teorijoje. Dėl kokios priežasties praktiškai neįmanoma pasiekti absoliutaus nulio temperatūros.
Visi žinomi bandymai atšaldyti medžiagą iki žemiausios ribos dėl didžiausių energijos nuostolių lėmė tai, kad medžiagos šiluminė talpa taip pat pasiekė minimalią vertę. Molekulės tiesiog nebepajėgė atiduoti likusios energijos. Dėl to aušinimo procesas sustojo nepasiekus absoliutaus nulio.
Tirdami metalų elgseną sąlygomis, artimomis absoliutai nulinei temperatūrai, mokslininkai nustatė, kad maksimalus temperatūros sumažėjimas turėtų išprovokuoti atsparumo praradimą.
Tačiau atomų ir molekulių judėjimo sustojimas lėmė tik kristalinės gardelės susidarymą, per kurią praeinantys elektronai dalį savo energijos perdavė stacionariems atomams. Vėlgi nepavyko pasiekti absoliutaus nulio.
2003 m. temperatūra iki absoliutaus nulio pritrūko tik puse milijardo 1°C. NASA mokslininkai eksperimentams atlikti naudojo Na molekulę, kuri visada buvo magnetiniame lauke ir išskirdavo savo energiją.
Artimiausią pasiekimą pasiekė Jeilio universiteto mokslininkai, 2014 metais pasiekę 0,0025 kelvino rodiklį. Gautas junginys, stroncio monofluoridas (SrF), truko tik 2,5 sekundės. Ir galiausiai jis vis tiek subyrėjo į atomus.
Ar kada nors pagalvojote, kokia žema gali būti temperatūra? Kas yra absoliutus nulis? Ar žmonijai kada nors pavyks tai pasiekti ir kokios galimybės atsivers po tokio atradimo? Šie ir kiti panašūs klausimai jau seniai kamavo daugelio fizikų ir tiesiog smalsuolių protus.
Kas yra absoliutus nulis
Net jei nuo vaikystės nemėgote fizikos, tikriausiai esate susipažinę su temperatūros sąvoka. Molekulinės kinetinės teorijos dėka dabar žinome, kad tarp jos ir molekulių bei atomų judėjimo yra tam tikras statinis ryšys: kuo aukštesnė bet kurio fizinio kūno temperatūra, tuo greičiau juda jo atomai ir atvirkščiai. Kyla klausimas: „Ar yra tokia apatinė riba, kuriai esant elementariosios dalelės užšals? Mokslininkai mano, kad tai teoriškai įmanoma, termometro stulpelis sieks -273,15 laipsnių Celsijaus. Ši vertė vadinama absoliučiu nuliu. Kitaip tariant, tai yra minimali įmanoma riba, iki kurios galima atvėsinti fizinį kūną. Egzistuoja net absoliuti temperatūros skalė (Kelvino skalė), kurioje atskaitos taškas yra absoliutus nulis, o viena skalės padala lygi vienam laipsniui. Viso pasaulio mokslininkai nenustoja dirbti, kad pasiektų šią vertę, nes tai žada didžiules žmonijos perspektyvas.
Kodėl tai taip svarbu
Itin žemos ir itin aukštos temperatūros yra glaudžiai susijusios su supertakumo ir superlaidumo sąvokomis. Superlaidininkų elektrinės varžos išnykimas leis pasiekti neįsivaizduojamas efektyvumo vertes ir pašalinti bet kokius energijos nuostolius. Jei rastume būdą, kuris leistų mums laisvai pasiekti „absoliutaus nulio“ vertę, daugelis žmonijos problemų būtų išspręstos. Virš bėgių kabantys traukiniai, lengvesni ir mažesni varikliai, transformatoriai ir generatoriai, didelio tikslumo magnetoencefalografija, didelio tikslumo laikrodžiai – tai tik keli pavyzdžiai, ką superlaidumas gali atnešti mūsų gyvenimui.
Naujausi mokslo pasiekimai
2003 m. rugsėjį MIT ir NASA mokslininkai sugebėjo atšaldyti natrio dujas iki rekordiškai žemo lygio. Eksperimento metu jiems pritrūko tik pusės milijardo laipsnio iki finišo žymos (absoliutaus nulio). Bandymų metu natris nuolat buvo magnetiniame lauke, todėl jis neliestų talpyklos sienelių. Jei būtų įmanoma įveikti temperatūros barjerą, molekulinis judėjimas dujose visiškai sustotų, nes toks aušinimas išgautų visą energiją iš natrio. Tyrėjai panaudojo techniką, kurios autorius (Wolfgang Ketterle) 2001 metais gavo Nobelio fizikos premiją. Pagrindinis bandymų taškas buvo Bose-Einstein kondensacijos dujų procesai. Tuo tarpu trečiojo termodinamikos dėsnio, pagal kurį absoliutus nulis yra ne tik neįveikiama, bet ir nepasiekiama reikšmė, dar niekas neatšaukė. Be to, galioja Heisenbergo neapibrėžtumo principas, o atomai tiesiog negali sustoti mirę. Taigi kol kas absoliučios nulinės temperatūros mokslui tebėra nepasiekiama, nors mokslininkams pavyko priartėti prie jos nežymiu atstumu.
Absoliuti nulinė temperatūra atitinka 273,15 laipsnių Celsijaus žemiau nulio, 459,67 žemiau nulio Farenheito. Kelvino temperatūros skalėje ši temperatūra yra nulinė.
Absoliučios nulinės temperatūros esmė
Absoliutaus nulio sąvoka kyla iš pačios temperatūros esmės. Bet koks kūnas, kuris išskiriamas į išorinę aplinką per. Kartu mažėja kūno temperatūra, t.y. lieka mažiau energijos. Teoriškai šis procesas gali tęstis tol, kol energijos kiekis pasiekia tokį minimumą, kad organizmas nebegali jos atiduoti.
Tolimą tokios idėjos pradininką jau galima rasti M. V. Lomonosove. Didysis rusų mokslininkas šilumą paaiškino „sukamuoju“ judėjimu. Vadinasi, maksimalus aušinimo laipsnis yra visiškas tokio judėjimo sustabdymas.
Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, absoliutaus nulio temperatūra yra ta, kurioje molekulės turi mažiausią įmanomą energijos lygį. Su mažiau energijos, t.y. žemesnėje temperatūroje negali egzistuoti joks fizinis kūnas.
Teorija ir praktika
Absoliuti nulinė temperatūra yra teorinė sąvoka, jos praktiškai neįmanoma pasiekti net mokslinėse laboratorijose su pačia moderniausia įranga. Tačiau mokslininkams pavyksta atšaldyti medžiagą iki labai žemos temperatūros, kuri yra artima absoliučiam nuliui.
Esant tokiai temperatūrai, medžiagos įgyja nuostabių savybių, kurių įprastomis aplinkybėmis jos negali turėti. Gyvsidabris, kuris vadinamas „gyvuoju sidabru“, nes yra artimos skystai būsenai, tokioje temperatūroje tampa kietas – tiek, kad juo galima įkalti vinis. Kai kurie metalai tampa trapūs, kaip stiklas. Guma tampa tokia pat kieta. Jei plaktuku smogsite į guminį daiktą, kurio temperatūra artima absoliučiam nuliui, jis sudužtų kaip stiklas.
Šis savybių pokytis taip pat susijęs su šilumos prigimtimi. Kuo aukštesnė fizinio kūno temperatūra, tuo intensyviau ir chaotiškiau juda molekulės. Temperatūrai mažėjant judėjimas tampa ne toks intensyvus, o struktūra tampa tvarkingesnė. Taigi dujos tampa skysčiu, o skystis tampa kietu. Galutinis tvarkos lygis yra kristalų struktūra. Itin žemoje temperatūroje jį įgyja net medžiagos, kurios paprastai išlieka amorfinės, pavyzdžiui, guma.
Įdomių reiškinių pasitaiko ir su metalais. Kristalinės gardelės atomai vibruoja mažesne amplitude, mažėja elektronų sklaida, todėl krenta elektrinė varža. Metalas įgauna superlaidumą, kurio praktinis pritaikymas atrodo labai viliojantis, nors ir sunkiai pasiekiamas.
Šaltiniai:
- Livanova A. Žemos temperatūros, absoliutus nulis ir kvantinė mechanika
Kūnas– tai viena pagrindinių fizikos sąvokų, reiškiančių materijos ar substancijos egzistavimo formą. Tai materialus objektas, kuriam būdingas tūris ir masė, kartais ir kiti parametrai. Fizinis kūnas yra aiškiai atskirtas nuo kitų kūnų riba. Yra keletas specialių fizinių kūnų tipų.
Mechanikoje fizinis kūnas dažniausiai suprantamas kaip materialus taškas. Tai savotiška abstrakcija, kurios pagrindinė savybė yra ta, kad sprendžiant konkrečią problemą galima nepaisyti tikrų kūno matmenų. Kitaip tariant, materialus taškas yra labai specifinis kūnas, turintis matmenis, formą ir kitas panašias charakteristikas, tačiau jos nėra svarbios sprendžiant esamą problemą. Pavyzdžiui, jei reikia suskaičiuoti objektą tam tikroje kelio atkarpoje, spręsdami problemą galite visiškai nepaisyti jo ilgio. Kitas fizinio kūno tipas, kurį laiko mechanika, yra absoliučiai standus kūnas. Tokio kūno mechanika yra lygiai tokia pati, kaip ir materialaus taško mechanika, tačiau papildomai jis turi ir kitų savybių. Absoliučiai standų kūną sudaro taškai, tačiau nei atstumas tarp jų, nei masės pasiskirstymas, veikiant kūną veikiančioms apkrovoms, nesikeičia. Tai reiškia, kad jis negali būti deformuotas. Norint nustatyti absoliučiai standaus kūno padėtį, pakanka nurodyti prie jo pritvirtintą koordinačių sistemą, dažniausiai Dekarto. Daugeliu atvejų masės centras yra ir koordinačių sistemos centras. Nėra absoliučiai standaus kūno, tačiau sprendžiant daugelį problemų tokia abstrakcija yra labai patogi, nors reliatyvistinėje mechanikoje į ją neatsižvelgiama, nes atliekant judesius, kurių greitis yra panašus į šviesos greitį, šis modelis demonstruoja vidinius prieštaravimus. Absoliučiai standaus kūno priešingybė yra deformuojamas kūnas,
Orų prognozei artėjant nuliui temperatūrai, nereikėtų eiti į čiuožyklą: ledas ištirps. Ledo lydymosi temperatūra laikoma nuliu Celsijaus laipsniu, tai yra labiausiai paplitusi temperatūros skalė.
Mums labai gerai pažįstama neigiamų laipsnių Celsijaus skalė – laipsniai<ниже
нуля>, šalčio laipsniai. Žemiausia temperatūra Žemėje užfiksuota Antarktidoje: -88,3°C. Už Žemės ribų galima ir žemesnė temperatūra: Mėnulio paviršiuje Mėnulio vidurnaktį ji gali siekti -160°C.
Tačiau savavališkai žema temperatūra niekur negali egzistuoti.
Itin žema temperatūra – absoliutus nulis – atitinka – 273,16° Celsijaus skalėje.
Absoliučios temperatūros skalė, Kelvino skalė, kilusi iš absoliutaus nulio. Ledas tirpsta 273,16° Kelvino temperatūroje, o vanduo verda 373,16° K. Taigi K laipsnis lygus C. Tačiau Kelvino skalėje visos temperatūros yra teigiamos.
Šiluma yra chaotiškas medžiagos atomų ir molekulių judėjimas. Kai medžiaga atšaldoma, iš jos pašalinama šiluminė energija, susilpnėja atsitiktinis dalelių judėjimas. Galų gale su stipriu aušinimu, terminiu<пляска>dalelės beveik visiškai sustoja. Atomai ir molekulės visiškai užšaltų esant temperatūrai, kuri laikoma absoliučiu nuliu.
Pagal kvantinės mechanikos principus, esant absoliučiam nuliui, sustotų dalelių šiluminis judėjimas, tačiau pačios dalelės nesušaltų, nes negali būti visiškoje ramybėje. Taigi, esant absoliučiam nuliui, dalelės vis tiek turi išlaikyti tam tikrą judėjimą, kuris vadinamas nuliniu judėjimu.<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Tačiau atvėsinti medžiagą iki temperatūros, žemesnės už absoliutų nulį, idėja yra tokia pat beprasmė kaip, tarkime, ketinimas
Be to, net pasiekti tikslų absoliutų nulį beveik neįmanoma. Prie jo galima tik priartėti. Nes jokiu būdu negalite atimti absoliučiai visos medžiagos šiluminės energijos. Dalis šiluminės energijos lieka giliausio aušinimo metu.
Kaip pasiekti itin žemą temperatūrą?
Medžiagą užšaldyti yra sunkiau nei šildyti. Tai matyti net palyginus viryklės ir šaldytuvo dizainą.
Daugumoje buitinių ir pramoninių šaldytuvų šiluma pašalinama dėl specialaus skysčio – freono, kuris cirkuliuoja metaliniais vamzdeliais, išgaravimo. Paslaptis ta, kad freonas gali išlikti skystoje būsenoje tik esant pakankamai žemai temperatūrai. Šaldytuvo skyriuje dėl kameros šilumos jis įkaista ir užverda, virsdamas garais. Bet garai kompresoriaus suspaudžiami, suskystinami ir patenka į garintuvą, papildydami išgaravusio freono nuostolius. Kompresoriaus veikimui sunaudojama energija.
Giluminio aušinimo įrenginiuose šalčio nešiklis yra itin šaltas skystis – skystas helis. Bespalvis, lengvas (8 kartus lengvesnis už vandenį), verda esant atmosferos slėgiui 4,2°K temperatūroje, o vakuume – 0,7°K temperatūroje. Dar žemesnę temperatūrą suteikia lengvasis helio izotopas: 0,3°K.
Gautas skystas helis laikomas specialiuose termosuose – Dewaro kolbose.
Šio labai šalto skysčio (vienintelio, kuris neužšąla prie absoliutaus nulio) kaina pasirodo gana didelė. Nepaisant to, skystasis helis šiais laikais vis plačiau naudojamas ne tik moksle, bet ir įvairiuose techniniuose įrenginiuose.
Žemiausios temperatūros buvo pasiektos kitu būdu. Pasirodo, kai kurių druskų, pavyzdžiui, kalio chromo alūno, molekulės gali suktis išilgai magnetinių jėgos linijų. Ši druska iš anksto atšaldoma skystu heliu iki 1°K ir dedama į stiprų magnetinį lauką. Šiuo atveju molekulės sukasi pagal jėgos linijas, o išsiskyrusią šilumą pasiima skystas helis. Tada magnetinis laukas staiga pašalinamas, molekulės vėl pasisuka skirtingomis kryptimis ir išeikvojama.
Šis darbas lemia tolesnį druskos aušinimą. Taip gavome 0,001° K. Panašiu būdu iš esmės naudojant kitas medžiagas galime gauti dar žemesnę temperatūrą.
Žemiausia iki šiol nustatyta temperatūra Žemėje yra 0,00001°K.
Superskystumas
Iki itin žemos temperatūros sušalusi medžiaga skysto helio voniose pastebimai pasikeičia. Guma tampa trapi, švinas kietas kaip plienas ir elastingas, daugelis lydinių padidina stiprumą.
Pats skystas helis elgiasi savotiškai. Esant žemesnei nei 2,2°K temperatūrai, jis įgyja paprastiems skysčiams precedento neturinčią savybę – superskystį: dalis jo visiškai praranda klampumą ir teka per siauriausius plyšius be jokios trinties.
Šį reiškinį 1937 metais atrado sovietų fizikas akademikas P. JI.
Kapitsa, tada paaiškino akademikas JI. D. Landau.
Netoli absoliutaus nulio kai kurių medžiagų elektrinėse savybėse vyksta itin įdomūs pokyčiai.
1911 metais olandų fizikas Kamerlinghas Onnesas padarė netikėtą atradimą: paaiškėjo, kad esant 4,12 °K temperatūrai gyvsidabrio elektrinė varža visiškai išnyksta. Merkurijus tampa superlaidininku.
Superlaidžiame žiede indukuota elektros srovė negęsta ir gali tekėti beveik amžinai.<гроб Магомета>Virš tokio žiedo superlaidus rutulys plauks ore ir nenukris, kaip pasakoje
, nes jo gravitaciją kompensuoja magnetinis atstūmimas tarp žiedo ir rutulio. Juk nuolatinė srovė žiede sukurs magnetinį lauką, o jis, savo ruožtu, sukels rutulyje elektros srovę ir kartu priešingai nukreiptą magnetinį lauką.
Be gyvsidabrio, alavo, švino, cinko ir aliuminio superlaidumas yra artimas absoliučiam nuliui. Ši savybė rasta 23 elementuose ir daugiau nei šimte skirtingų lydinių bei kitų cheminių junginių.
Temperatūra, kurioje atsiranda superlaidumas (kritinės temperatūros), apima gana platų diapazoną - nuo 0,35 ° K (hafnis) iki 18 ° K (niobio ir alavo lydinys).
Superlaidumo reiškinys, kaip ir super-
sklandumas buvo išsamiai ištirtas. Nustatytos kritinių temperatūrų priklausomybės nuo vidinės medžiagų struktūros ir išorinio magnetinio lauko.
Sukurta gili superlaidumo teorija (svarbų indėlį įnešė sovietų mokslininkas akademikas N. N. Bogolyubovas).<танцуя>Šio paradoksalaus reiškinio esmė vėlgi grynai kvantinė. Esant itin žemai temperatūrai, elektronai patenka į<прутьями решетки>superlaidininkai sudaro poromis surištų dalelių sistemą, kuri negali atiduoti energijos kristalinei gardelei arba švaistyti energijos kvantų ją kaitinant. Elektronų poros juda tarsi
, tarp
- jonus ir apeiti juos be susidūrimų ir energijos perdavimo.
Superlaidumas vis dažniau naudojamas technologijose.<шумы>įranga. Elektroninės skaičiavimo technologijose puiki ateitis žadama mažos galios superlaidiems jungikliams - kriotronams (žr.<Пути электроники>).
Nesunku įsivaizduoti, kaip būtų viliojanti tokių įrenginių veikimą paankstinti į aukštesnės, lengviau pasiekiamos temperatūros regioną. Neseniai buvo atrasta viltis sukurti polimerinės plėvelės superlaidininkus. Ypatingas tokių medžiagų elektrinio laidumo pobūdis žada puikią galimybę išlaikyti superlaidumą net kambario temperatūroje. Mokslininkai atkakliai ieško būdų, kaip įgyvendinti šią viltį.
O dabar pažvelkime į karščiausio pasaulio dalyko sritį – į žvaigždžių gelmes. Ten, kur temperatūra siekia milijonus laipsnių.
Atsitiktinis šiluminis judėjimas žvaigždėse yra toks intensyvus, kad ten negali egzistuoti ištisi atomai: jie sunaikinami daugybėje susidūrimų.
Todėl tokia karšta medžiaga negali būti nei kieta, nei skysta, nei dujinė. Jis yra plazmos būsenoje, t. y. elektrinio krūvio mišinys<осколков>atomai – atomų branduoliai ir elektronai.
Plazma yra unikali materijos būsena. Kadangi jo dalelės yra elektriškai įkrautos, jos yra jautrios elektrinėms ir magnetinėms jėgoms. Todėl dviejų atomų branduolių artumas (jie turi teigiamą krūvį) yra retas reiškinys. Tik esant dideliam tankiui ir milžiniškoms temperatūroms, vienas su kitu susidūrę atomų branduoliai gali suartėti. Tada vyksta termobranduolinės reakcijos – energijos šaltinis žvaigždėms.
Mums artimiausia žvaigždė – Saulė – daugiausia susideda iš vandenilio plazmos, kuri žvaigždės žarnyne įkaista iki 10 milijonų laipsnių. Tokiomis sąlygomis artimi greitų vandenilio branduolių – protonų susidūrimai, nors ir retai, pasitaiko. Kartais artimi protonai sąveikauja: įveikę elektrinį atstūmimą, jie greitai patenka į milžiniškų branduolinių traukos jėgų galią.<падают>vienas ant kito ir susilieja. Čia įvyksta momentinis persitvarkymas: vietoj dviejų protonų atsiranda deuteronas (sunkiojo vandenilio izotopo branduolys), pozitronas ir neutrinas. Išleidžiama energija yra 0,46 milijono elektronvoltų (MeV).
Kiekvienas atskiras saulės protonas į tokią reakciją gali patekti vidutiniškai kartą per 14 milijardų metų. Tačiau šviesos žarnyne yra tiek daug protonų, kad šen bei ten nutinka toks mažai tikėtinas įvykis – ir mūsų žvaigždė dega savo lygia, akinama liepsna.
Deuteronų sintezė yra tik pirmasis saulės termobranduolinių transformacijų žingsnis.
Naujagimis deuteronas labai greitai (vidutiniškai po 5,7 sekundės) susijungia su kitu protonu. Atsiranda lengvasis helio branduolys ir elektromagnetinės spinduliuotės gama kvantas. Išsiskiria 5,48 MeV energijos.
Galiausiai, vidutiniškai kartą per milijoną metų du lengvieji helio branduoliai gali susilieti ir susijungti. Tada susidaro paprasto helio (alfa dalelės) branduolys ir atsiskiria du protonai. Išsiskiria 12,85 MeV energijos.<конвейер>Šis trijų etapų<сгорает>termobranduolinės reakcijos nėra vienintelės.<золу>Yra dar viena branduolinių transformacijų grandinė, greitesnė. Jame dalyvauja (nesuvartodami) anglies ir azoto atominiai branduoliai. Tačiau abiem atvejais alfa dalelės sintetinamos iš vandenilio branduolių. Vaizdžiai tariant, Saulės vandenilio plazma
, virsta<худеет>- helio plazma. O kiekvieno gramo helio plazmos sintezės metu išsiskiria 175 tūkst. kWh energijos. Didžiulis skaičius!<горючего>Kiekvieną sekundę Saulė išspinduliuoja 41033 ergus energijos, prarasdama 41012 g (4 mln. tonų) medžiagos svorio. Tačiau bendra Saulės masė yra 21027 tonos Tai reiškia, kad per milijoną metų dėl radiacijos Saulė
tik vieną dešimtį milijonų jo masės. Šie skaičiai iškalbingai iliustruoja termobranduolinių reakcijų efektyvumą ir milžinišką saulės energijos kaloringumo vertę.<зола>- vandenilis.<горючим>Matyt, termobranduolinė sintezė yra pagrindinis visų žvaigždžių energijos šaltinis.
Esant skirtingoms žvaigždžių vidaus temperatūroms ir tankiams, vyksta skirtingos reakcijos. Visų pirma, saulės<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
-helio branduoliai – 100 milijonų laipsnių temperatūroje jis pats tampa termobranduoliniu
. Tada iš alfa dalelių galima susintetinti net sunkesnius atomų branduolius – anglį ir net deguonį.<горючего>Daugelio mokslininkų teigimu, visa mūsų metagalaktika taip pat yra termobranduolinės sintezės, įvykusios milijardo laipsnių temperatūroje, vaisius (žr.
<Горючего>Dirbtinės saulės link
Nepaprastas termobranduolinės energijos kaloringumas
paskatino mokslininkus dirbtinai įgyvendinti branduolių sintezės reakcijas.<горючее>– Mūsų planetoje yra daug vandenilio izotopų. Pavyzdžiui, ypač sunkusis vandenilio tritis gali būti pagamintas iš metalo ličio branduoliniuose reaktoriuose. O sunkusis vandenilis – deuteris yra sunkiojo vandens dalis, kurią galima išgauti iš paprasto vandens.
Ši problema pirmą kartą buvo išspręsta vandenilinėje bomboje. Vandenilio izotopai ten užsidega sprogus atominei bombai, kurią lydi medžiagos įkaitinimas iki daugybės dešimčių milijonų laipsnių. Vienoje iš vandenilinės bombos versijų termobranduolinis kuras yra cheminis sunkiojo vandenilio ir lengvojo ličio junginys – lengvasis ličio deuteridas. Šie balti milteliai, panašūs į valgomąją druską,<воспламеняясь>iš<спички>, kuri yra atominė bomba, akimirksniu sprogsta ir sukuria šimtų milijonų laipsnių temperatūrą.
Norint pradėti taikią termobranduolinę reakciją, pirmiausia reikia išmokti pašildyti mažas pakankamai tankios vandenilio izotopų plazmos dozes iki šimtų milijonų laipsnių temperatūros be atominės bombos paslaugų. Ši problema yra viena iš sudėtingiausių šiuolaikinėje taikomojoje fizikoje. Mokslininkai visame pasaulyje su tuo dirba daugelį metų.
Jau sakėme, kad būtent chaotiškas dalelių judėjimas sukuria kūnų įkaitimą, o vidutinė jų atsitiktinio judėjimo energija atitinka temperatūrą. Šildyti šaltą kūną reiškia bet kokiu būdu sukurti šį sutrikimą.
Įsivaizduokite dvi bėgikų grupes, besiveržiančias viena prie kitos. Taip jie susidūrė, susimaišė, prasidėjo sutraiškymas ir sumaištis.
Puiki netvarka!
Lygiai taip pat fizikai iš pradžių bandė pasiekti aukštą temperatūrą – susidurdami su aukšto slėgio dujų srovėmis. Dujos įkaito iki 10 tūkstančių laipsnių. Vienu metu tai buvo rekordas: temperatūra buvo aukštesnė nei Saulės paviršiuje.
Tačiau naudojant šį metodą tolesnis, gana lėtas, nesprogus dujų šildymas neįmanomas, nes šiluminis sutrikimas akimirksniu išplinta į visas puses, sušildo eksperimentinės kameros sienas ir aplinką. Susidariusi šiluma greitai palieka sistemą ir jos izoliuoti neįmanoma.
Tiesa, nuo šilumos nuostolių plazmos negali apsaugoti indai, pagaminti net iš ugniai atspariausios medžiagos. Kai karšta plazma liečiasi su kietomis sienelėmis, ji iškart atšąla. Bet jūs galite pabandyti išlaikyti ir šildyti plazmą, sukurdami jos kaupimąsi vakuume, kad ji neliestų kameros sienelių, o kabėtų tuštumoje, nieko neliesdama. Čia reikėtų pasinaudoti tuo, kad plazmos dalelės yra ne neutralios, kaip dujų atomai, o elektriškai įkrautos. Todėl judant juos veikia magnetinės jėgos. Iškyla užduotis: sukurti specialios konfigūracijos magnetinį lauką, kuriame karšta plazma kabėtų tarsi maiše su nematomomis sienelėmis.
Paprasčiausia tokios plazmos forma sukuriama automatiškai, kai per plazmą praleidžiami stiprūs elektros srovės impulsai. Tokiu atveju aplink plazmos laidą sukeliamos magnetinės jėgos, kurios linkusios laidą suspausti.
Plazma atsiskiria nuo išleidimo vamzdžio sienelių, o ties laido ašimi dalelių traiškyne temperatūra pakyla iki 2 milijonų laipsnių.
Mūsų šalyje tokie eksperimentai buvo atlikti dar 1950 metais vadovaujant akademikams JI. A. Artsimovičius ir M. A. Leontovičius.
Kita eksperimentų kryptis yra magnetinio butelio naudojimas, kurį 1952 metais pasiūlė sovietų fizikas G.I Budkeris, dabar akademikas. Magnetinis butelis dedamas į kamštinę kamerą – cilindrinę vakuuminę kamerą su išorine apvija, kuri kondensuojasi kameros galuose. Srovė, tekanti per apviją, kameroje sukuria magnetinį lauką. Jo lauko linijos vidurinėje dalyje yra lygiagrečios cilindro generatoriams, o galuose yra suspaustos ir sudaro magnetinius kamščius. Plazmos dalelės, įšvirkštos į magnetinį butelį, susisuka aplink lauko linijas ir atsispindi nuo kištukų. Dėl to plazma kurį laiką išlieka buteliuko viduje. Jei į buteliuką patenkančių plazmos dalelių energija yra pakankamai didelė ir jų yra daug, jos įsitraukia į sudėtingas jėgų sąveikas, jų iš pradžių sutvarkytas judėjimas susipainioja, tampa netvarkingas - vandenilio branduolių temperatūra pakyla iki dešimčių milijonų. laipsnių.<ударами>Papildomas šildymas pasiekiamas elektromagnetiniu būdu
Norint pradėti savarankišką reakciją, reikia toliau didinti plazmos temperatūrą ir tankį. Tai sunku pasiekti. Tačiau problema, kaip įsitikinę mokslininkai, neabejotinai išsprendžiama.
G.B. Anfilovas
Skelbti nuotraukas ir cituoti straipsnius iš mūsų svetainės kituose šaltiniuose leidžiama, jei pateikiama nuoroda į šaltinį ir nuotraukas.
Kaip manote, kur yra šalčiausia vieta mūsų Visatoje? Šiandien tai yra Žemė. Pavyzdžiui, Mėnulio paviršiaus temperatūra yra –227 laipsniai Celsijaus, o mus supančio vakuumo temperatūra – 265 laipsniai žemiau nulio. Tačiau laboratorijoje Žemėje žmogus gali pasiekti daug žemesnę temperatūrą, kad galėtų ištirti medžiagų savybes esant itin žemai temperatūrai. Medžiagos, atskiri atomai ir net šviesa, veikiami ekstremalaus aušinimo, pradeda rodyti neįprastas savybes.
Pirmąjį tokio pobūdžio eksperimentą XX amžiaus pradžioje atliko fizikai, tyrę gyvsidabrio elektrines savybes itin žemoje temperatūroje. Esant -262 laipsnių Celsijaus, gyvsidabris pradeda demonstruoti superlaidžias savybes, todėl atsparumas elektros srovei sumažėja beveik iki nulio. Tolesni eksperimentai taip pat atskleidė kitas įdomias aušinamų medžiagų savybes, įskaitant supertakumą, kuris išreiškiamas medžiagos „nutekėjimu“ per kietas pertvaras ir iš uždarų konteinerių.
Mokslas nustatė žemiausią pasiekiamą temperatūrą – minus 273,15 laipsnių Celsijaus, tačiau praktiškai tokia temperatūra nepasiekiama. Praktikoje temperatūra yra apytikslis objekte esančios energijos matas, todėl absoliutus nulis rodo, kad kūnas nieko neskleidžia ir iš to objekto negalima išgauti jokios energijos. Tačiau nepaisant to, mokslininkai stengiasi kuo labiau priartėti prie absoliutaus nulio temperatūros, dabartinis rekordas buvo pasiektas 2003 m. Masačusetso technologijos instituto laboratorijoje. Iki absoliutaus nulio mokslininkams trūksta tik 810 milijardų laipsnio. Jie atvėsino natrio atomų debesį, laikomą galingo magnetinio lauko.
Atrodytų – kokia praktinė tokių eksperimentų prasmė? Pasirodo, tyrėjus domina tokia sąvoka kaip Bose-Einstein kondensatas, kuris yra ypatinga materijos būsena – ne dujos, kieta ar skysta, o tiesiog debesis atomų, turinčių tą pačią kvantinę būseną. Tokią medžiagos formą Einšteinas ir Indijos fizikas Satyendra Bose numatė 1925 m., o ji buvo gauta tik po 70 metų. Vienas iš mokslininkų, pasiekusių šią materijos būseną, yra Wolfgangas Ketterle'is, už atradimą gavęs Nobelio fizikos premiją.
Viena iš nuostabių Bose-Einstein kondensatų (BEC) savybių yra gebėjimas kontroliuoti šviesos spindulių judėjimą. Vakuume šviesa sklinda 300 000 km per sekundę greičiu, ir tai yra didžiausias pasiekiamas greitis Visatoje. Tačiau šviesa gali keliauti lėčiau, jei ji keliauja per materiją, o ne vakuume. KBE pagalba galite sulėtinti šviesos judėjimą iki mažo greičio ir net sustabdyti. Dėl kondensato temperatūros ir tankio šviesos spinduliavimas sulėtėja ir gali būti „sugauti“ ir tiesiogiai paversti elektros srove. Ši srovė gali būti perkelta į kitą CBE debesį ir vėl paversta šviesos spinduliuote. Ši galimybė yra labai paklausi telekomunikacijų ir kompiuterių srityse. Čia aš šiek tiek nesuprantu - juk prietaisai, paverčiantys šviesos bangas į elektrą ir atvirkščiai, JAU egzistuoja... Matyt, CBE panaudojimas leidžia šią konversiją atlikti greičiau ir tiksliau.
Viena iš priežasčių, kodėl mokslininkai taip trokšta gauti absoliutų nulį, yra bandymas suprasti, kas vyksta ir atsitiko mūsų Visatai, kokie termodinaminiai dėsniai joje galioja. Tuo pačiu metu mokslininkai supranta, kad išgauti visą energiją iš atomo praktiškai neįmanoma.
