Nën një temperaturë të caktuar, disa substanca humbasin aftësinë e tyre për të bllokuar kalimin e rrymës elektrike. Rezistenca e tyre elektrike bëhet zero. Kjo veti quhet superpërçueshmëri.
Zbulimi i superpërcjellshmërisë
Fenomeni i superpërcjellshmërisë u zbulua në vitin 1911. Fizikanti holandez Heike Kamerlingh Onnes , duke eksploruar varësinë e rezistencës elektrike të metaleve nga temperatura. Ai filloi të interesohej për temperaturat ultra të ulëta në vitin 1893. Dhe në vitin 1908 ai arriti të marrë helium të lëngshëm. Ndërsa e përdorte atë për të ftohur merkurin metalik, ai u befasua kur zbuloi se në një temperaturë afër zeros absolute, rezistenca elektrike e merkurit bie papritur në zero.
Sipas ekzistimit në atë kohë teoritë fizike, me uljen e temperaturës, rezistenca duhet të bjerë gradualisht. Por ekzistonte gjithashtu një këndvështrim që në një temperaturë shumë të ulët lëvizja e elektroneve do të ndalonte, rezistenca do të rritej dhe substanca do të ndalonte fare rrymën elektrike.
Në fillim të eksperimentit, gjithçka ndodhi sipas teorisë. Me uljen e temperaturës, rezistenca e merkurit u ul gradualisht. Por kur temperatura ra në 4.15 K, merkuri papritmas humbi rezistencën e tij krejtësisht. Ajo u zhvendos në një gjendje krejtësisht të re, e cila u quajt superpërcjellshmëri .
Natyra e superpërcjellshmërisë
Çfarë ndodh te metalet kur temperatura e tyre bie në vlera afër zeros absolute?
Çdo atom përbëhet nga një bërthamë e ngarkuar pozitivisht dhe elektrone, të cilat kanë ngarkesë negative. Elektronet rrotullohen rreth bërthamës në orbita. Sa më afër bërthamës të jetë orbita, aq më i fortë tërhiqet elektroni nga ajo. Elektronet e vendosura në orbitën e jashtme quhen elektrone valence. Ata shkëputen lehtësisht nga bërthama, largohen nga orbita e tyre dhe lëvizin lirshëm brenda rrjetës kristalore. Nën ndikimin e jashtëm fushe elektrike lëvizja e tyre bëhet e rregullt, ata fillojnë të lëvizin në një drejtim. Një rrymë elektrike lind në metal. Megjithatë, pengesat lindin në rrugën e elektroneve në formën e nyjeve të rrjetës kristalore, defekteve të tyre ose atomeve të papastërtive që janë të pranishme në substancë. Prandaj, ndodh rezistenca elektrike ndaj rrymës. Me uljen e temperaturës, zvogëlohen shqetësimet në strukturën e rrjetës që lidhen me dridhjet termike të atomeve. Struktura bëhet më e saktë. Rrjedhimisht, rezistenca gjithashtu zvogëlohet.
Një shpjegim për superpërçueshmërinë në nivel mikroskopik u dha në një teori të quajtur BCS për nder të krijuesve të saj - fizikantë amerikanë John Bardeen, Leon Cooper dhe John Schrieffer . Ajo bazohet në Çiftet e bakrit të elektroneve .
Leon Neil Cooper
Në kushte normale, elektronet janë fermione, grimca me spin gjysmë të plotë, me vlerë -1/2 ose +1/2. Çdo fermion përshkruhet vetë funksioni i valës. Ata gjithashtu lëvizin vetëm dhe në mënyrë të pavarur kapërcejnë pengesat në rrugën e tyre. Por në kushte të caktuara ata formojnë çifte. Elektronet me vlera rrotullimi +1/2 dhe -1/2 kombinohen dhe formohen shtet i lidhur që quhet Çifti bakri . Ky çift ka zero spin dhe dyfishin e ngarkesës së elektronit. Dhe që nga rrotullimi i saj total e barabartë me zero, atëherë ka vetitë e një bozoni. Bozonet formojnë një "kondensatë Bose" në të cilën bashkohen të gjithë bozonët e lirë. Ata bëhen një tërësi e vetme, e aftë për të lëvizur pa reaguar ndaj asnjë pengese në rrugën e tyre. Kështu lind një rrymë superpërçuese.
Temperatura kritike
Doli se jo vetëm merkuri ka superpërçueshmëri në temperatura afër zeros absolute. Kjo veti u zbulua në plumb, kallaj, talium, uranium dhe metale të tjera. Superpërcjellshmëria shfaqet papritur kur një substancë ftohet në një temperaturë të caktuar. Temperatura T s , në të cilën ndodh ky kërcim quhet kritik. Çdo element që ka superpërçueshmëri ka të vetin. Për shembull, niobium shkon në gjendje superpërcjellëse në 9 K dhe tungsteni në 0.012 K.
Jo vetëm metalet e pastra, por edhe disa lidhje kanë superpërçueshmëri. Për shembull, një aliazh merkuri me ar dhe kallaj. Madje ka lidhje superpërçuese në të cilat një nga elementët e përfshirë në përbërjen e tij mund të mos jetë një superpërçues.
Nëse një unazë superpërcjellëse ftohet në një temperaturë kritike dhe një rrymë elektrike ngacmohet në të, atëherë ajo do të rrjedhë edhe pasi të hiqet burimi i rrymës dhe për sa kohë që temperatura në unazë mbahet nën atë kritike. Por kjo ndodh vetëm në fushën elektrike të një rryme elektrike konstante. Në një fushë elektrike alternative, rezistenca e një superpërçuesi rritet nëse frekuenca e rrymës alternative rritet.
Në 1983 - 1986 u krijuan superpërçues të rinj. Këto janë qeramika superpërçuese, superpërçues me bazë hekuri, etj. Superpërcjellshmëria në to ndodh në temperatura dukshëm më të larta se temperatura e zeros absolute. Në vitin 1993, u zbulua një substancë, temperatura kritike e së cilës është 135 K.
Efekti Meissner
Në vitin 1933, fizikani gjerman Walter Fritz Meissner, së bashku me një fizikant tjetër gjerman Robert Ochsenfeld, zbuluan një tjetër pronë të mahnitshme dhe të rëndësishme të superpërçuesve - duke e shtyrë fushën magnetike nga vëllimi i saj. Ky fenomen u quajt Efekti Meissner .
Walter Fritz Meissner
Efekti Meissner është demonstruar qartë nga një eksperiment i kryer në 1945. fizikan rus Vladimir Konstantinovich Arkadyev.
Në këtë eksperiment magnet i përhershëm, i sjellë në një filxhan prej metali superpërçues, varet në hapësirën sipër tij. Temperatura e ulët e filxhanit ruhet për faktin se këmbët e saj janë të zhytura në helium të lëngshëm. Por pse magneti nuk tërhiqet nga filxhani? Fakti është se rryma e pamposhtur brenda superpërçuesit krijon një fushë magnetike, drejtimi i së cilës është i kundërt me drejtimin e fushës magnetike të jashtme të krijuar nga magneti. Kjo fushë balancon dhe zmbraps fushën e jashtme, duke bërë që magneti të duket se noton në hapësirë. Ky fenomen quhet levitacioni magnetik.
Nëse vendosni një superpërçues në një fushë magnetike dhe rritni forcën e kësaj fushe, atëherë në një vlerë të caktuar të intensitetit të barabartë me N s , superpërcjellshmëria zhduket. Një fushë e tillë magnetike quhet fushë kritike. Kur tensioni është më i lartë N s një superpërçues bëhet një përcjellës i zakonshëm. Sa më e ulët të jetë temperatura e superpërçuesit, aq më e madhe duhet të jetë forca e fushës që mund të shkatërrojë superpërçueshmërinë.
Në superpërçuesit e pastër, të përbërë nga një substancë e vetme, fusha magnetike do të shtyhet jashtë derisa forca e fushës magnetike të arrijë N s . Superpërcjellës të tillë quhen Superpërçuesit e tipit I .
Dhe për lidhjet superpërcjellëse ekzistojnë dy vlera të tilla: N s1 Dhe N s2 . Kur forca e fushës magnetike të jashtme arrin N s1 , kjo fushë tashmë do të fillojë të depërtojë brenda superpërçuesit. Por rezistenca e tij elektrike mbetet ende zero, dhe fenomeni i superpërcjellshmërisë vërehet. Dhe kur tensioni bëhet i barabartë N s2 , superpërcjellshmëria do të zhduket plotësisht. Superpërcjellës të tillë quhen Superpërçuesit e tipit II .
Aplikimet e superpërçuesve
Zbulimi i superpërcjellshmërisë revolucionarizoi shkencën. Shumë ide për ta përdorur këtë u shfaqën menjëherë. fenomen unik në teknologji.
Në temperatura shumë të ulëta, rryma kalon nëpër superpërcjellës praktikisht pa humbje. Prandaj, ato përdoren për të krijuar kabllo të ndryshme, pajisje komutuese, motorë elektrikë, turbogjeneratorë, instrumente për matjen e temperaturës, presionit etj. Janë ideale për krijimin e elektromagnetëve. Me ndihmën e tyre, një fushë elektromagnetike krijohet në një skaner imazhi me rezonancë magnetike. Kjo i lejon mjekët të marrin imazhe me cilësi të lartë të indeve organet e brendshme një person është prerë, edhe pse në fakt organi nuk është i lënduar.
Në instalime shkrirja termonukleare, në përshpejtuesit e mëdhenj grimcat elementare përdorni mbështjellje superpërcjellëse.
Mbështjelljet e magneteve superpërcjellës, të cilat krijojnë fusha të forta magnetike, janë bërë nga superpërçuesit e tipit II. Magnetët superpërçues janë shumë më ekonomikë sesa feromagnetët konvencionalë.
Në vitin 2003, një tren maglev u testua në Japoni. Lëvizja e tij bazohet në përdorimin e efektit Meissner (levitimi magnetik). Fusha elektromagnetike e shinave zmbrapset nga superpërçuesit e vendosur në pezullimin e trenit. Dhe treni duket se fluturon mbi shina pa i prekur ato. Kjo i lejon atij të zhvillojë shpejtësi të madhe, të krahasueshme me shpejtësinë e një aeroplani. Natyrisht, trena të tillë kërkojnë shina të veçantë. Por ata shpenzojnë dhjetëra herë më pak energji se aeroplanët. Trena të ngjashëm janë krijuar në Gjermani, Kinë dhe Korenë e Jugut.
Heliumi u lëngëzua për herë të parë në vitin 1908 nga Heike Kamerlingh Onnes në Universitetin e Leiden, dhe që atëherë ka qenë e mundur të studiohet dukuritë fizike në temperatura vetëm disa gradë mbi zero absolute (pika e vlimit të heliumit në presioni atmosferik 4.2 K).
Një nga fushat e kërkimit kishte të bënte me varësinë e rezistencës së metaleve nga temperatura. Kamerlingh Onnes ka kryer tashmë studime të ngjashme në temperaturat që ulen deri në temperaturën e ajrit të lëngshëm (rreth 80 K).
Për disa metale të pastra ai gjeti afërsisht varësia lineare, megjithatë, ai vërtetoi se një varësi e tillë nuk mund të vazhdojë pafundësisht, pasi përndryshe, me zero absolute rezistenca do të bëhej negative. Sir James Dewar vazhdoi kërkimin e Kamerlingh Onnes dhe arriti temperaturën e hidrogjenit të lëngshëm (20 K), dhe doli që rezistenca në të vërtetë filloi të zvogëlohej më ngadalë.
Kjo është pikërisht ajo që duhet të pritej, jo vetëm për arsyen e përmendur tashmë, por edhe bazuar në idetë për metalet dhe vetitë e tyre të pranuara në atë kohë.
Besohej se Përçueshmëria elektrike kryhet nga transferimi i elektroneve, dhe rezistenca lind si rezultat i përplasjeve të elektroneve me atomet metalike.
Natyra lineare e uljes së rezistencës ishte mjaft në përputhje me ndryshimin e pritur në lëvizjen e elektroneve me ulje të temperaturës. Sidoqoftë, pritej që në temperatura mjaft të ulëta elektronet të "kondensoheshin" në atome, atëherë rezistenca në një temperaturë duhet të ishte minimale dhe më pas metali të bëhej izolues.
Sjellja e metaleve të vëzhguara në realitet ndryshonte ashpër nga ajo e supozuar. Kamerlingh Onnes zbuloi se ndërsa temperatura zvogëlohet, rezistenca e shumicës së metaleve priret vlerë konstante, ndërsa për disa metale zhduket plotësisht në një temperaturë të caktuar karakteristike, e cila, siç rezulton, varet nga forca e fushës magnetike. Këto eksperimente janë ndër veprat për të cilat Kamerlingh Onnes iu dha nderi në 1913. Çmimi Nobël në fizikë.
Për më shumë se dy dekada, ishte zhdukja e rezistencës që u konsiderua tipari kryesor, dallues i superpërçueshmërisë. Megjithatë, disa veçori të këtij fenomeni i kanë hutuar shkencëtarët.
Pra, nëse një fushë magnetike aplikohet në një përcjellës të zakonshëm (jo një ferromagnet), një pjesë e fluksit magnetik kalon nëpër trashësinë e përcjellësit. Nëse e aplikoni atë në një përcjellës ideal, në këtë të fundit induktohen rryma sipërfaqësore, të cilat krijojnë një fushë magnetike brenda përcjellësit që kompenson plotësisht fushën e jashtme të aplikuar dhe në këtë mënyrë ruan një vlerë të fluksit magnetik zero brenda përcjellësit.
Kjo do të thoshte se gjendja e përcjellësit në një fushë magnetike varet nga mënyra se si është arritur kjo gjendje - një situatë në shkallën më të lartë e pakëndshme.
Më vonë, në vitin 1933, W. Meissner, R. Ochsenfeld dhe F. Heidenreich treguan se një metal, duke u bërë një superpërçues, në fakt nxjerr një fluks magnetik nëse temperatura bie nën një vlerë kritike kur kampioni është në një fushë magnetike.
Faza tjetër e studimit ishte studimi i gjendjes së sapo zbuluar me vlera aktuale të larta. Nevoja për një studim të tillë u diktua nga rrethanat e mëposhtme: nëse rezistenca nuk do të ishte në të vërtetë zero, atëherë një rrymë më e madhe do të duhej të çonte në një vlerë më të madhe, dhe për këtë arsye më të lehtë për t'u regjistruar, të ndryshimit të mundshëm.
Sidoqoftë, rezultatet e marra vetëm e ngatërruan më tej situatën, pasi u vu re një "dukuri e veçantë": në çdo temperaturë nën 4,18 K për një filament merkuri të mbyllur në një kapilar xhami, kishte një vlerë të caktuar të densitetit të pragut, mbi të cilën natyra e fenomeni ndryshoi ndjeshëm. Në densitetin e rrymës nën pragun, rryma elektrike kalon pa ndonjë ndryshim të dukshëm potencial të aplikuar në skajet e filamentit. Kjo tregonte se filli nuk kishte rezistencë.
Sapo dendësia e rrymës tejkaloi vlerën e pragut, u shfaq një ndryshim potencial, i cili gjithashtu u rrit më shpejt se vetë rryma.” Më pas u kryen një sërë eksperimentesh për të gjetur një shpjegim për efektin e ri. Para së gjithash, u vu re se densiteti i rrymës së pragut u rrit me uljen e temperaturës - afërsisht proporcionale me devijimin nga temperatura e tranzicionit në gjendjen superpërcjellëse (përderisa ndryshimi midis temperaturave nuk ishte shumë i madh). Natyrisht, supozimi ishte se për shkak të ngrohjes për shkak të ndonjë efekti, temperatura e merkurit u ngrit mbi pikën e tranzicionit. Detyra u vendos për të gjetur këtë burim nxehtësie.
Duke përdorur konfigurime të ndryshme të filamentit të merkurit, ishte e mundur të vërtetohej se nxehtësia nuk furnizohej nga jashtë. U mor në konsideratë ndikimi i papastërtive në merkur, megjithëse ato duhet të ishin hequr gjatë procesit të distilimit; eksperimentet kanë treguar se efekti i ngrohjes nuk shoqërohet me papastërti të shtuara posaçërisht në sasitë e kërkuara.
Më tej u sugjerua se ndoshta kontakti i një filamenti të merkurit me një përcjellës të zakonshëm, në një formë që gjendet në të ose i formuar brenda tij, mund të anulojë vetitë superpërçuese të merkurit. Një kapilar çeliku u mor për testim, por kjo nuk çoi në ndonjë rezultat të caktuar, dhe vetëm më vonë, si rezultat i eksperimenteve të të njëjtit lloj në kallaj, ky supozim u përjashtua. Në përgjithësi, eksperimentet me merkur nuk iu përgjigjën pyetjes së parashtruar.
Megjithatë, siç vendosi Kamerlingh Onnes, merkuri nuk ishte një objekt shumë i përshtatshëm për të kërkime sistematike. « Veprim i përbashkët shumë rrethana çuan në vështirësi gjatë punës me merkur në kapilarë.
Një ditë eksperimentimi me heliumin e lëngshëm kërkonte një sasi të madhe përgatitjeje, dhe kur bëhej fjalë për eksperimentet aktuale të përshkruara këtu, kishin mbetur vetëm disa orë për ta. Për të bërë matje të sakta me helium të lëngshëm në këto kushte, është e nevojshme të përvijohet paraprakisht një program dhe të kryhet shpejt dhe metodikisht ditën e eksperimentit. Ndryshimet në strukturën eksperimentale, nevoja për të cilën u shkaktua nga fenomenet e vëzhguara, zakonisht duhej të bëheshin të nesërmen.
Shpesh, për shkak të disa vonesave të shkaktuara nga procesi intensiv i punës së rezistencave të prodhimit, instalimi i heliumit përdorej për ndonjë qëllim tjetër. Kur mundëm të rifillonim eksperimentin, ndodhi që rezistencat e përgatitura rezultuan të padobishme, pasi kur merkuri ngriu, filli u prish dhe të gjitha përpjekjet tona u bënë të kota. Në këto kushte, u desh një kohë shumë e gjatë për të zbuluar dhe eliminuar burimet e ndërhyrjeve të papritura dhe mashtruese.
Për më tepër, ishte e dëshirueshme që mostra të ftohet jo përmes murit kapilar, por me kontakt të drejtpërdrejtë me heliumin e lëngshëm. Prandaj, kur Kamerlingh Onnes zbuloi se kallaji dhe plumbi kishin veti të ngjashme me ato të merkurit, ai vazhdoi të eksperimentonte me këto dy metale. Pikërisht atëherë u zgjidh problemi i paraqitur.
Në fakt, shpresa për zgjidhjen e saj u ngrit tashmë gjatë eksperimenteve në të cilat u zbulua superpërçueshmëria e plumbit. Mund të bëhej lehtësisht tela dhe u bë shumë nje numer i madh i tela me prerje tërthore 70 mm2. Për një përcjellës të vetëm të kësaj madhësie, vlera e rrymës së pragut në 4,25 K ishte 8 A. Më pas, një spirale 1 cm e gjatë që përmban 1000 rrotullime u mbështjellë me këtë tel në një bërthamë me diametër 1 cm. Dredha-dredha kishte izolim mëndafshi, i cili laget me helium të lëngshëm. Siç doli, vlera aktuale e pragut ishte vetëm 0.8 A.
Në vitin 1913, interesi për marrjen e fushave të forta magnetike ishte tashmë mjaft i madh, dhe nuk kishte dyshim se problemi kryesor lidhej me shpërndarjen e energjisë në dredha-dredha. Për shembull, Perrin propozoi përdorimin e ajrit të lëngshëm për ftohje; pritej që për shkak të zvogëlimit të rezistencës së mbështjelljes me një ulje të temperaturës, sasia e nxehtësisë së gjeneruar në të do të zvogëlohej, gjë që do të jepte një fitim të caktuar.
Llogaritjet kanë treguar, megjithatë, se përfitimet nuk mund të arrihen në këtë mënyrë, kryesisht për shkak të faktit se është shumë e vështirë të arrihet transferimi i kërkuar i nxehtësisë midis spirales së supozuar kompakte dhe ftohësit. Kamerliig-Onies vlerësoi saktë mundësitë e përdorimit të superpërçuesve për këtë qëllim, duke vënë në dukje se në to nuk duhet të krijohet fare nxehtësi. Ndërsa fliste për këtë, ai megjithatë pranoi "mundësinë që një fushë magnetike mund të çojë në rezistencë në superpërçues". Dhe ai filloi të studionte këtë çështje.
“Kishte arsye për të besuar se ky efekt do të ishte i dobët. Dëshmi e drejtpërdrejtë Fakti që lind vetëm një rezistencë e lehtë në superpërçuesit nën ndikimin e një fushe magnetike, kur doli që spiralja e përshkruar më sipër mbetet superpërçuese edhe nëse një rrymë prej 0.8 A kalon nëpër të. Fusha e vetë spirales arrin në disa qindra gauss në këtë rast, dhe në një fushë të këtij rendit të madhësisë ka pasur shumica kthehet, por nuk u vërejt asnjë rezistencë.” Prandaj, Kamerlingh Onnes krijoi një strukturë për kryerjen e këtyre eksperimenteve që do të bënte të mundur studimin e fenomeneve të vëzhguara vetëm në fusha të rendit të kilogauss.
Rezultatet ishin përsëri të papritura. Spiralja e plumbit superpërcjellëse e përdorur në eksperimentet e mëparshme u vendos në një kriostat në mënyrë që rrafshi i kthesave të ishte paralel me fushën magnetike.
“Para së gjithash, ne ishim të bindur se spiralja do të ishte superpërçuese në pikën e vlimit të heliumit; ai mbeti superpërçues edhe kur kalonte një rrymë prej 0,4 A, megjithëse kthesat ishin në një fushë magnetike të dukshme të krijuar nga rryma që kalonte nëpër to.
Pastaj u aplikua një fushë magnetike. Në një forcë fushore prej 10 kG kishte rezistencë të konsiderueshme në 5 kG ishte disi më pak. Këto eksperimente treguan mjaft bindshëm se një fushë magnetike me intensitet të lartë shkakton shfaqjen e rezistencës në superpërcjellës, por në intensitet të ulët jo. Në rrjedhën e hulumtimeve të mëtejshme, u konstatua varësia e rezistencës në terren.
Kamerlingh Onnes nuk ishte ende gati për të lidhur rrymën kritike me vlerën kritike të fushës magnetike. Ai nuk kishte dyshim se fenomeni i zbuluar këtu ishte i lidhur me shfaqjen e papritur në një temperaturë të caktuar të rezistencës së zakonshme në superpërçues - kjo lidhje u zbulua nga studiues të tjerë. Megjithatë, mund të konsiderohet se themeli ishte hedhur.
Megjithatë, me kalimin e kohës, paradoksi i përshkruar në fillim të këtij kapitulli është bërë shumë i dukshëm. Ndryshim i vogel formulimi e forcoi më tej atë. Nëse një substancë, duke qenë në një fushë magnetike, do të shndërrohej në një gjendje përçuese ideale ndërsa temperatura ulet, atëherë fluksi magnetik që depërton në kampion në momentin e tranzicionit duhet të mbetet "i ngrirë" në të dhe të vazhdojë kur fusha të kthehet më pas. fikur (nëse temperatura mbahet e pandryshuar) .
Duke përgatitur mostra të ndryshme në këtë mënyrë, do të ishte e mundur të krijohej një grup (në parim i pafund) i gjendjeve të ndryshme që ekzistojnë në të njëjtat kushte. kushtet e jashtme, të cilat ndoshta edhe mund të jenë në kontakt termik me njëri-tjetrin, pra në një gjendje ekuilibri.
Deri në vitin 1933, kjo mundësi nuk u hodh poshtë eksperimentalisht, madje disa eksperimente dukej se e konfirmuan atë. Madje kishte edhe konsiderata teorike në favor të saj. Dhe në atë moment, Meissner, ndërsa studionte kalimin në gjendjen superpërcjellëse, u godit nga shfaqja e një lloj histereze: kthimi i kristalit të vetëm të kallajit në gjendje normale ndodhi në një temperaturë pak më të lartë se temperatura e kalimit në gjendjen superpërcjellëse.
Ky efekt u vu re edhe kur rezistenca në secilën pikë matej në dy drejtime të rrymës me një metodë të krijuar posaçërisht për të përjashtuar fenomenet termoelektrike nëse drejtimi i rrymës nuk ndryshonte, efekti rritej. Histereza sugjeroi se fenomeni shoqërohej me një ndryshim në përshkueshmërinë e kampionit.
Meisner shkroi për këtë në këtë mënyrë: "Nëse shpërndarja e rrymës së matur dhe fusha magnetike e krijuar prej saj nuk do të ndryshonin, nuk do të kishte asnjë bazë për shfaqjen e fenomeneve të histerezës". Prandaj, ai dhe bashkëpunëtorët e tij supozojnë se përshkueshmëria e tij bie në zero. Nëse kjo ka ndodhur fare, atëherë asnjë i vetëm linjë pushteti fusha nuk mund të përfundonte në sipërfaqen e brendshme të zgavrës së superpërçuesit, ndërsa eksperimentet tregojnë qartë se kjo është pikërisht situata.
Kaluan shumë vite përpara se të krijohej një teori e kënaqshme e superpërcjellshmërisë; në fakt, kjo çështje nuk u zgjidh përfundimisht as në vitin 1972. Megjithatë, zbulimi i Meissner-it të paktën bëri të mundur dhënien e një interpretimi të kënaqshëm makroskopik të dukurive të vëzhguara.
J. Trigg "Fizika e shekullit të 20-të: Eksperimentet kryesore"
Mërkuri është një metal jashtëzakonisht i rëndësishëm që përdoret pothuajse në të gjitha industritë e prodhimit. Prandaj, shumë vende po zhvillojnë me shpejtësi industrinë e merkurit dhe po zgjerojnë kërkimin për depozitat e tij. Cili është roli i merkurit në industri moderne- Le të përpiqemi ta kuptojmë në këtë artikull.
Çfarë është merkuri
Kjo element kimik dhe i vetmi metal që ndodhet brenda gjendje e lëngët në temperaturë normale. gri - ja si duket merkuri, fotografia e të cilit është dhënë më poshtë.
Mërkuri mund të ngurtësohet vetëm në temperatura shumë të ulëta. Alkimistët mesjetarë nuk mund të arrinin forcimin e këtij metali. Dhe vetëm në 1759 akademikë rusë M.V. Lomonosov dhe I.A Brown arritën ta bëjnë këtë. Fakti është se atë vit në Rusi kishte shumë ftohtë, dhe me ndihmën e përzierjeve speciale, shkencëtarët ulën temperaturën në -56ºС. Në kushte të tilla, merkuri ngriu dhe u bë si metal. Më vonë kohe e gjate Alkimistë të tjerë zbuluan një efekt superpërçues në merkur kur ulën temperaturën në -270ºC.
Mërkuri në historinë njerëzore
Mërkuri ka qenë i njohur për njeriun që nga kohërat e lashta. Përmendjet e para të tij gjenden në të dhënat e shekullit të 5-të para Krishtit. e. Mërkuri është studiuar shumë në Indi dhe Kinë. Shkolla më e vjetër indiane e alkimisë njihet si Rasayana ose mënyra e merkurit. Ajo ishte e përfshirë në zhvillimin e barnave medicinale dhe ilaçeve të ndryshme.
Njerëzit e lashtë gjetën merkurin në natyrë në formën e kanellës. Ata e përdorën atë si një ngjyrë të kuqe. Emri "cinnabar" lidhet me një legjendë të lashtë dhe përkthehet si "gjaku i dragoit". Kjo karakteristikë e merkurit është e lidhur me besimet fetare. Në atë kohë, njerëzit besonin se ky ishte gjaku i një krijese të shenjtë të vrarë në male - një dragoi. Prandaj, mërkuri konsiderohej një substancë shëruese që mund të shëronte të sëmurët. Një nga këto ilaçe ishte pomada me merkur.
Alkimistët e lashtë e konsideronin merkurin bazën e të gjitha metaleve dhe të tyre vitaliteti. Ata ishin të bindur se ari mund të përftohej nga merkuri dhe squfuri. Por pas eksperimenteve dhe eksperimenteve të shumta, u bë e qartë se asgjë nuk do të dilte nga kjo ide. Sa shkencëtarë vdiqën duke u përpjekur të zbulonin formulën për krijimin e arit. Dhe këto studime vazhduan deri në vitet 30 të shekullit të 20-të, derisa shkenca filloi të zhvillohej me shpejtësi. Si rezultat i përdorimit të kalbjes radioaktive, shkencëtarët morën nga merkur izotopet e qëndrueshme ari, por kishte shumë pak prej tij. Dhe çmimi i një metali të tillë është shumë i lartë.
Si nxirret merkuri?
Kryesorja dhe praktikisht e vetmja burim industrial Mërkuri është minerali i kinabarit. Ai përbëhet nga 86% e përbërësve të mbetur - papastërtitë e mineraleve të tjera. Zakonisht cinabar ka pamjen e sekrecioneve të vazhdueshme, të pasura me papastërti dhe duket si kokrra. formë të parregullt. Gjenden kristale të formuara rrallë me pamje romboedrale, bipiramidale. Ndonjëherë zbulohen dyshe.
Merkuri metalik nga kinabari prodhohet duke e ngrohur atë në një tub të hapur, i cili e ekspozon atë ndaj oksigjenit. Gjatë ngrohjes, pikat e vogla të merkurit rrjedhin poshtë mureve të ftohta. Në mënyrë tipike, trupat e xehes ndodhin në thellësi të cekëta dhe shoqërohen me kuarcite, gëlqerorë, dolomite dhe rreshpe. Depozitat më të mëdha të merkurit në botë ndodhen në Spanjë, SHBA, Jugosllavi, Slloveni, Taxhikistan dhe Kirgistan. Kristale të mëdha të xehes së merkurit janë nxjerrë në Kinën jugore.
Karakteristikat themelore të merkurit
Ky mineral ka veti unike që e kanë bërë përdorimin e merkurit në industrinë moderne një element të rëndësishëm. Mërkuri konsiderohet helmues dhe metal i rrezikshëm. Por e tij fizike dhe Vetitë kimike në shumë fusha veprimtaria njerëzore i pazëvendësueshëm.
Vetitë fizike
Mërkuri klasifikohet si diamagnetik sepse mund të formohet lidhjeve të forta me metale të tjera dhe komponime të lëngshme - amalgame. Temperatura e ngurtësimit të merkurit është -38,83ºС, dhe metali vlon në 356,73ºС. Avullon me një tjetër karakteristikë e rëndësishme Mërkuri është diamagnetik. Kjo do të thotë se është e pamundur të mblidhen topa metalikë të lëngshëm me një magnet të rregullt.
Vetitë kimike
si Metale te cmuar, merkuri është i qëndrueshëm në ajër të thatë. Ai ndërvepron me acidet, kripërat dhe jometalet. Mërkuri nuk reagon me ujin, alkalet dhe acidet jooksiduese. Në temperatura mbi 300ºС ai reagon me oksigjenin, duke formuar oksid merkuri.
Përdorimi i merkurit në industrinë moderne
Në mesjetë, ajo u përdor në mënyrë aktive në mjekësi për shkrirjen dhe prodhimin e pajisjeve të ndryshme. Është e pamundur të gjesh një industri këto ditë Ekonomia kombëtare, e cila nuk përdor merkur. Vetitë dhe përdorimet e këtij minerali janë përshkruar nga shkencëtarë nga e gjithë bota në punime të shumta shkencore.
Kështu, merkuri përdoret në bujqësi për të trajtuar farat. NË industria kimike përdoret si katalizator për prodhimin e acetilenit nga acetileni Përdorimi i katodës së merkurit bën të mundur izolimin kripë tryezë sode kaustike dhe klor.
Mërkuri është një komponent thelbësor në prodhimin e bojrave nënujore anijet e detit. Fakti është se mikroorganizmat që jetojnë në ujin e detit ngjiten në fund të anijeve dhe kontribuojnë në korrozionin dhe konsumimin e pjesëve metalike. Mërkuri që gjendet në bojë, kur ekspozohet ndaj klorit të detit, formon sublim, i cili helmon bakteret e dëmshme.
Merkuri përdoret edhe në prodhimin e ndjesisë. Kripërat që ai përmban e heqin në mënyrë të përkryer pushin. Zëvendësuesit më të sigurt që do të jepnin të njëjtin efekt nuk janë gjetur ende. Mërkuri shërben edhe si katalizator gjatë sinteza organike gjatë procesit të rrezitjes së lëkurës.
Siç u përmend, merkuri është përdorur gjithmonë në mjekësi. Në ditët e sotme, në bazë të tij prodhohen ilaçe antiseptike dhe diuretike. Në Indinë e lashtë përgatitej vaji i merkurit, receta e së cilës ka mbijetuar deri më sot. Për shkak të aftësisë së tij për të tretur metale të tjera, merkuri përdoret për të bërë mbushje dentare.
Përdorimi i merkurit në industri shoqërohet gjithashtu me aftësinë e tij për të avulluar në temperaturën e dhomës. Për shembull, për pastrimin e vajit. Kështu, avullimi i metalit ndihmon në rregullimin e temperaturës së proceseve të përpunimit të naftës.
Pajisjet e merkurit
Vetitë fiziko-kimike janë arsyeja kryesore, sipas të cilit mërkuri përdoret në pajisje dhe makina të ndryshme. Avujt e metaleve përdoren në turbinat me merkur. Instalime të tilla janë veçanërisht të dobishme kur ka pak ujë në njësi dhe mekanizmi ftohet ekskluzivisht nga ajri.
Në inxhinierinë elektrike, përdoren ndreqës me një katodë të lëngshme të merkurit. Ato ju lejojnë të shndërroni rrymën elektrike trefazore në rrymë direkte. Edhe për qëllime astronomike përdoren instrumentet e merkurit - horizontet. Ata kanë një enë të veçantë me metal të lëngshëm, sipërfaqja e së cilës shërben si pasqyrë gjatë vëzhgimeve të hapësirës. Gjithashtu, përdorimi i merkurit në industrinë moderne manifestohet në prodhimin e ndërprerësve dhe termometrave të ndryshëm.
Në shumë degë të mjekësisë përdoren llambat merkuri-kuarc, të cilat rrezatojnë rrezet ultraviolet. Gjithashtu një mjet i domosdoshëm mjekësor është termometri i njohur për matjen e temperaturës së trupit.
Sa kushton merkuri: çmimi në tregun botëror
Çmimi i merkurit formohet sipas të njëjtit parim si për metalet e tjera. Kështu, kostoja e këtij minerali varet nga vëllimi i furnizimit dhe pastërtia e merkurit të ofruar. Çmimi i merkurit ka rënë ndjeshëm gjatë gjashtë muajve të fundit. Pra, nëse çmimi mesatar i saj në fund të vitit 2014 ishte 75 dollarë amerikanë/kg, atëherë në mars 2015 ishte 55 dollarë/kg. Por është pothuajse e pamundur të blesh lirshëm metal të lëngshëm, pasi merkuri është një substancë kimikisht e rrezikshme. Edhe për asgjësimin e merkurit të derdhur, duhet të paguani një shumë të caktuar.
Për produktet që përmbajnë merkur, kostoja varet nga sasia e metalit të përdorur dhe kostot e tjera të prodhimit. Për shembull, një termometër me merkur është shumë i lirë. Çmimi në barnatore varion nga 25 në 50 rubla.
Rreziqet për shëndetin e merkurit
Pavarësisht përdorimit të gjerë të merkurit në industri, ai konsiderohet mjaft i rrezikshëm kimike. Sipas kritereve të dëmtimit të jetës dhe shëndetit, merkuri i përket klasës së parë të rrezikut. Mërkuri zakonisht hyn në trup duke thithur avujt e tij pa erë. Është avulli i merkurit ai që paraqet rrezikun më të madh.
Ekspozimi është i mjaftueshëm për të shkaktuar helmime të rënda dhe probleme shëndetësore. sasi e vogël mineral. Gjatë toksicitetit në masën më të madhe preken mushkëritë, veshkat, sistemi imunitar, nervor, tretës, sytë dhe lëkura.
Në varësi të shkaqeve dhe natyrës së helmimit, dallohen format e lehta, akute dhe kronike. Toksiciteti i lehtë ndodh për shkak të helmimit nga ushqimi. Pas aksidenteve në ndërmarrjet e industrisë kimike ose si rezultat i shkeljeve të sigurisë, ndodh një formë akute e helmimit. Në këtë rast, pacienti përjeton një ulje të aktivitetit mendor, mund të shfaqet rraskapitje, konvulsione, humbje e shikimit, tullaci dhe madje edhe paralizë e plotë. Në raste të rënda, helmimi akut mund të çojë në përfundim fatal. Helmimi kronik zhvillohet si rezultat i kontaktit të vazhdueshëm me merkurin dhe mund të shfaqet për një kohë të gjatë pasi të ndaloni së punuari me të. Personat me këtë formë të patologjisë kanë një rrezik të shtuar të zhvillimit të hipertensionit, tuberkulozit dhe aterosklerozës. Ka raste kur toksiciteti kronik shkakton çrregullime mendore.
Gratë shtatzëna duhet të jenë veçanërisht të kujdesshme kur përdorin pajisje me merkur. Avulli i merkurit përbën një kërcënim të madh për zhvillimin e fetusit. Nëse ka fëmijë në shtëpi, është më mirë të zëvendësoni termometrat e zakonshëm të merkurit me ato elektronike.
Hedhja e mbeturinave që përmbajnë merkur
Përdorimi i gjerë i merkurit kontribuon në përqëndrime të larta të avujve të tij në atmosferë qytete të mëdha. Në ditët e sotme kudo përdoren llambat fluoreshente, të cilat përmbajnë nga 30 deri në 300 mg metal të lëngshëm. Dhe në disa llamba ka disa herë më shumë. Sipas statistikave, çdo vit rreth 100 milionë nga këto llamba bëhen të papërdorshme dhe kërkojnë riciklim. Vetëm një pjesë e vogël e tyre i nënshtrohet riciklimit të posaçëm dhe pjesa tjetër dërgohet menjëherë në një vendgrumbullim, ku për shkak të prishjes së integritetit të xhamit, merkuri hyn në atmosferë.
Përveç kësaj, merkuri përdoret në prodhimin e baterive dhe baterive, të cilat në përgjithësi nuk riciklohen. Në këtë mënyrë, rreth 40 tonë zhivë përfundojnë në landfille në vit. Kjo shifër është shumë e madhe, kështu që problemi i asgjësimit të sendeve që përmbajnë merkur është shumë i mprehtë. Trajtimi i pakontrolluar i mbetjeve të merkurit, qëndrim i papërgjegjshëm për pajisjet që përmbajnë këtë metal të lëngshëm përbën një kërcënim për shëndetin dhe jetën e njeriut. Të gjithë e dinë se çfarë problemesh mund të shkaktojë një termometër i rregullt me merkur. Kostoja e keqpërdorimit të tij mund t'ju kushtojë edhe jetën.
Tani qeveritë e të gjitha vendeve po punojnë për çështjen e riciklimit të mbetjeve që përmbajnë merkur. Për këtë qëllim krijohen kompani të posaçme që mbledhin instrumente të papërdorshme dhe sende merkuri. I ndajnë në komponentë (baza, xhami, metal) dhe i përpunojnë. Nga çdo lloj mbetjesh, formohen blloqe, të cilat paketohen në kontejnerë të veçantë (mbulesa, qese plastike, kanaçe) dhe dërgohen në vendin e përpunimit.
Lëvizja kaotike e atomeve të përcjellësit pengon kalimin e rrymës elektrike. Rezistenca e një përcjellësi zvogëlohet me uljen e temperaturës. Me një ulje të mëtejshme të temperaturës së përcjellësit, vërehet një rënie e plotë e rezistencës dhe fenomeni i superpërçueshmërisë.
Në një temperaturë të caktuar (afër 0 oK), rezistenca e përcjellësit bie ndjeshëm në zero. Ky fenomen quhet superpërçueshmëri. Sidoqoftë, një fenomen tjetër vërehet gjithashtu te superpërçuesit - efekti Meissner. Përçuesit në një gjendje superpërcjellëse shfaqin një veti të pazakontë. Fusha magnetike është plotësisht e zhvendosur nga vëllimi i superpërçuesit.
Zhvendosja e një fushe magnetike nga një superpërçues.
Një përcjellës në një gjendje superpërcjellëse, ndryshe nga një përcjellës ideal, sillet si një material diamagnetik. Fusha magnetike e jashtme zhvendoset nga vëllimi i superpërçuesit. Pastaj nëse vendosni një magnet mbi një superpërçues, magneti varet në ajër.
Shfaqja e këtij efekti është për faktin se kur një superpërçues futet në një fushë magnetike, në të lindin rryma të induksionit vorbull, fusha magnetike e së cilës kompenson plotësisht fushën e jashtme (si në çdo material diamagnetik). Por vetë fusha magnetike e induktuar krijon edhe rryma vorbullash, drejtimi i të cilave është i kundërt me rrymat e induksionit në drejtim dhe i barabartë në madhësi. Si rezultat, nuk ka fushë magnetike ose rrymë në vëllimin e superpërçuesit. Vëllimi i superpërçuesit mbrohet nga një shtresë e hollë afër sipërfaqes - një shtresë lëkure - në trashësinë e së cilës (rreth 10-7-10-8 m) depërton fusha magnetike dhe në të cilën ndodh kompensimi i saj.
A- një përcjellës normal me rezistencë jo zero në çdo temperaturë (1) futet në një fushë magnetike. Sipas ligjit induksioni elektromagnetik lindin rryma që i rezistojnë depërtimit të fushës magnetike në metal (2). Sidoqoftë, nëse rezistenca është jo zero, ato shpejt kalbet. Fusha magnetike depërton në një mostër të metalit normal dhe është pothuajse uniforme (3);
b- nga gjendja normale në një temperaturë mbi T c ka dy mënyra: Së pari: kur temperatura ulet, kampioni kalon në një gjendje superpërcjellëse, atëherë mund të aplikohet një fushë magnetike, e cila shtyhet jashtë kampionit. Së dyti: së pari aplikoni një fushë magnetike që depërton në mostër, dhe më pas ulni temperaturën, atëherë fusha do të shtyhet jashtë gjatë tranzicionit. Fikja e fushës magnetike jep të njëjtën pamje;
V- nëse nuk do të kishte efektin Meissner, përcjellësi pa rezistencë do të sillej ndryshe. Kur kalon në një gjendje pa rezistencë në një fushë magnetike, ajo do të ruante një fushë magnetike dhe do ta ruante atë edhe kur fusha magnetike e jashtme hiqet. Do të ishte e mundur të çmagnetizohej një magnet i tillë vetëm duke rritur temperaturën. Kjo sjellje, megjithatë, nuk është vërejtur eksperimentalisht.
Superpërçueshmëri
Superpërçueshmëri- vetia e disa materialeve të ketë rreptësisht zero rezistenca elektrike kur arrijnë një temperaturë nën një vlerë të caktuar (temperaturë kritike). Janë të njohura disa dhjetëra elementë të pastër, lidhje dhe qeramika që shndërrohen në një gjendje superpërcjellëse. Superpërcjellshmëria është një fenomen kuantik. Karakterizohet gjithashtu nga efekti Meissner, i cili konsiston në zhvendosjen e plotë të fushës magnetike nga vëllimi i superpërçuesit. Ekzistenca e këtij efekti tregon se superpërçueshmëria nuk mund të përshkruhet thjesht si përçueshmëri perfekte në kuptimin klasik.
Në 1893, fizikani holandez Heike Kamerlingh Onnes filloi të studionte problemin e temperaturave ultra të ulëta. Ai arriti të krijojë laboratorin më të mirë kriogjenik në botë, në të cilin mori helium të lëngshëm më 10 korrik 1908. Më vonë ai arriti të sjellë temperaturën e saj në 1 Kelvin. Kamerlingh Onnes përdori heliumin e lëngshëm për të studiuar vetitë e metaleve, në veçanti për të matur varësinë e rezistencës së tyre elektrike nga temperatura. Sipas ekzistueses së atëhershme teoritë klasike, rezistenca supozohej të binte pa probleme me uljen e temperaturës, por ekzistonte gjithashtu një mendim se në temperatura shumë të ulëta elektronet praktikisht do të ndalonin dhe do të ndalonin fare rrymën. Eksperimentet e kryera nga Kamerlingh Onnes me ndihmësit e tij Cornelis Dorsman dhe Gilles Holst fillimisht konfirmuan përfundimin për një ulje të qetë të rezistencës. Megjithatë, më 8 prill 1911, ai zbuloi papritur se në 3 Kelvin (rreth -270 °C) rezistenca elektrike është praktikisht zero. Eksperimenti tjetër, i kryer më 11 maj, tregoi se një kërcim i mprehtë i rezistencës në zero ndodh në një temperaturë prej rreth 4.2 K (më vonë, matjet më të sakta treguan se kjo temperaturë është 4.15 K). Ky efekt ishte krejtësisht i papritur dhe nuk mund të shpjegohej me teoritë e atëhershme ekzistuese.
Rezistenca zero nuk është veçoria e vetme dalluese e superpërçuesve. Një nga ndryshimet kryesore midis superpërçuesve dhe përcjellësve idealë është efekti Meissner, i zbuluar nga Walter Meissner dhe Robert Ochsenfeld në 1933.
Më vonë u zbulua se superpërçuesit ndahen në dy familje të mëdha: superpërcjellësit e tipit I (të cilët, në veçanti, përfshijnë merkurin) dhe tipi II (që zakonisht janë aliazh). metale të ndryshme). Puna e L.V. Shubnikov në vitet 1930 dhe A.A. Abrikosov në vitet 1950 luajtën një rol të rëndësishëm në zbulimin e superpërçueshmërisë së tipit II.
Për aplikim praktik në elektromagnetët e fuqishëm rëndësi të madhe pati zbulimin në vitet 1950 të superpërçuesve të aftë të përballonin fusha të forta magnetike dhe të mbanin densitet të lartë të rrymës. Kështu, në vitin 1960, nën udhëheqjen e J. Künzler, u zbulua materiali Nb 3 Sn, një tel nga i cili mund të kalojë një rrymë me densitet deri në 100 kA/cm² në një temperaturë prej 4,2 K, duke qenë në një fushë magnetike prej 8.8 T.
Vetitë e superpërçuesve
Rezistencë elektrike zero
Superpërçuesit në një fushë me frekuencë të lartë
Në mënyrë të rreptë, deklarata se rezistenca e superpërçuesve është zero është e vërtetë vetëm për rrymën elektrike të drejtpërdrejtë. Në një fushë elektrike alternative, rezistenca e një superpërcjellësi është jozero dhe rritet me rritjen e frekuencës së fushës. Ky efekt, në gjuhën e modelit me dy lëngje të një superpërçuesi, shpjegohet me praninë, së bashku me fraksionin superpërcjellës të elektroneve, të elektroneve të zakonshëm, numri i të cilave, megjithatë, është i vogël. Kur një superpërçues vendoset në një fushë konstante, kjo fushë brenda superpërcjellësit bëhet zero, pasi përndryshe elektronet superpërcjellëse do të përshpejtoheshin deri në pafundësi, gjë që është e pamundur. Megjithatë, në rast fushë e ndryshueshme fusha brenda superpërcjellësit është jo zero dhe përshpejton, ndër të tjera, elektronet normale, me të cilat shoqërohen si rezistenca e kufizuar elektrike ashtu edhe humbjet termike xhaul. Ky efektështë veçanërisht e theksuar për ato frekuenca të dritës për të cilat energjia kuantike është e mjaftueshme për të transferuar një elektron superpërçues në grupin e elektroneve normale. Kjo frekuencë zakonisht qëndron në rajonin infra të kuqe (rreth 10 11 Hz), prandaj, në diapazonin e dukshëm, superpërçuesit praktikisht nuk ndryshojnë nga metalet e zakonshëm.
Kalimi i fazës në gjendjen superpërcjellëse
Natyra e ndryshimit të kapacitetit të nxehtësisë (c v, grafiku blu) dhe rezistenca(ρ, jeshile), gjatë kalimit fazor në gjendjen superpërcjellëse
Gama e temperaturës së kalimit në gjendjen superpërcjellëse për mostrat e pastra nuk i kalon të mijëtat e Kelvinit dhe për këtë arsye një vlerë e caktuar ka kuptim T s- temperatura e kalimit në gjendjen superpërcjellëse. Kjo sasi quhet temperatura kritike e tranzicionit. Gjerësia e intervalit të tranzicionit varet nga heterogjeniteti i metalit, kryesisht nga prania e papastërtive dhe streset e brendshme. Temperaturat aktuale të njohura T s variojnë nga 0,0005 K për magnezin (Mg) në 23,2 K për përbërjen ndërmetalike të niobit dhe germaniumit (Nb 3 Ge, në film) dhe 39 K për diboridin e magnezit (2) për superpërçuesit me temperaturë të ulët ( T s nën 77 K, pika e vlimit azoti i lëngët), deri në rreth 135 K për superpërçuesit me temperaturë të lartë që përmbajnë merkur. Aktualisht, faza HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 + d (Hg−1223) ka më të madhen vlera e njohur temperatura kritike - 135 K, dhe në një presion të jashtëm prej 350 mijë atmosferash, temperatura e tranzicionit rritet në 164 K, që është vetëm 19 K më e ulët temperatura minimale, i regjistruar në kushtet natyrore në sipërfaqen e Tokës. Kështu, superpërçuesit në zhvillimin e tyre kanë kaluar nga merkuri metalik (4,15 K) në superpërçues me temperaturë të lartë që përmbajnë merkur (164 K).
Kalimi i një substance në gjendjen superpërcjellëse shoqërohet me një ndryshim në vetitë e saj termike. Megjithatë, ky ndryshim varet nga lloji i superpërçuesve në fjalë. Kështu, për superpërçuesit e tipit I në mungesë të një fushe magnetike në temperaturën e tranzicionit T c nxehtësia e tranzicionit (përthithja ose çlirimi) shkon në zero, dhe për këtë arsye pëson një kërcim në kapacitetin termik, i cili është karakteristik për një tranzicion fazor të llojit ΙΙ. Kjo varësi nga temperatura e kapacitetit të nxehtësisë së nënsistemit elektronik të një superpërçuesi tregon praninë e një hendeku energjetik në shpërndarjen e elektroneve midis gjendjes bazë të superpërçuesit dhe nivelit të ngacmimeve elementare. Kur kalimi nga gjendja superpërcjellëse në gjendjen normale kryhet duke ndryshuar fushën magnetike të aplikuar, atëherë nxehtësia duhet të absorbohet (për shembull, nëse kampioni është i izoluar termikisht, atëherë temperatura e tij ulet). Dhe kjo korrespondon me një tranzicion fazor të rendit të parë. Për superpërcjellësit e tipit II, kalimi nga superpërcjellësi në gjendje normale në çdo kusht do të jetë tranzicioni fazorΙΙ lloj.
Efekti Meissner
Edhe me shume pronë e rëndësishme superpërçues se rezistenca elektrike zero është i ashtuquajturi efekt Meissner, i cili konsiston në shtyrjen e fluksit magnetik nga një superpërçues. Nga kjo vëzhgimi eksperimental nxirret një përfundim për ekzistencën e rrymave të pamposhtura brenda superpërçuesit, të cilat krijojnë një fushë magnetike të brendshme të kundërt me fushën magnetike të jashtme të aplikuar dhe duke e kompensuar atë.
Efekti izotopik
Efekti izotopik për superpërçuesit është se temperaturat T s në përpjesëtim të zhdrejtë rrënjë katrore nga masat atomike izotopet e të njëjtit element superpërcjellës.
Momenti i Londrës
Një superpërçues rrotullues gjeneron një fushë magnetike të lidhur saktësisht me boshtin e rrotullimit, duke rezultuar moment magnetik i quajtur “momenti i Londrës”. Ai u përdor, veçanërisht, në satelitin shkencor "Gravity Probe B", ku u matën fushat magnetike të katër xhiroskopëve superpërçues për të përcaktuar boshtet e tyre të rrotullimit. Meqenëse rotorët e xhiroskopëve ishin sfera pothuajse krejtësisht të lëmuara, përdorimi i momentit të Londrës ishte një nga mënyrat e pakta për të përcaktuar boshtin e tyre të rrotullimit.
Shpjegimi teorik i efektit të superpërçueshmërisë
Tashmë në një fazë relativisht të hershme të studimit të superpërçueshmërisë, të paktën pas krijimit të teorisë Ginzburg-Landau, u bë e qartë se superpërçueshmëria është pasojë e unifikimit të një numri makroskopik të elektroneve përçuese në një gjendje të vetme mekanike kuantike. E veçanta e elektroneve të lidhura në një ansambël të tillë është se ato nuk mund të shkëmbejnë energji me rrjetën në pjesë të vogla, më pak se energjia e tyre lidhëse në ansambël. Kjo do të thotë se kur elektronet lëvizin brenda rrjetë kristali Energjia e elektroneve nuk ndryshon, dhe substanca sillet si një superpërçues me rezistencë zero. Analiza mekanike kuantike tregon se nuk ndodh asnjë shpërndarje valët elektronike mbi dridhjet termike të grilës ose papastërtive. Dhe kjo do të thotë mungesë e rezistencës elektrike. Një kombinim i tillë i grimcave është i pamundur në një ansambël fermionesh. Është karakteristikë e një ansambli të bozoneve identike. Fakti që elektronet në superpërçuesit kombinohen në çifte bosonike rrjedh nga eksperimentet që matin madhësinë e kuantit të fluksit magnetik që është "ngrirë" në cilindra të zbrazët superpërçues. Prandaj, tashmë në mesin e shekullit të kaluar, detyra kryesore e krijimit të teorisë së superpërçueshmërisë ishte zhvillimi i një mekanizmi për çiftimin e elektroneve. Teoria e parë që pretendonte të jepte një shpjegim mikroskopik të shkaqeve të superpërçueshmërisë ishte teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer, e krijuar prej tyre në vitet 50 të shekullit të kaluar. Kjo teori mori njohje universale me emrin BCS dhe iu dha Çmimi Nobel në 1972. Kur krijuan teorinë e tyre, autorët u mbështetën në efektin e izotopit, domethënë ndikimin e masës së izotopit në temperaturën kritike të superpërçuesit. Besohej se ekzistenca e tij tregon drejtpërdrejt formimin e një gjendje superpërcjellëse për shkak të funksionimit të mekanizmit të fononit.
Teoria BCS la disa pyetje pa përgjigje. Mbi bazën e saj doli të ishte e pamundur të vendosej detyra kryesore- shpjegoni pse superpërcjellësit specifikë kanë një temperaturë të veçantë kritike. Për më tepër, eksperimentet e mëtejshme me zëvendësimet izotopike treguan se, për shkak të anharmonisë së dridhjeve në pikën zero të joneve në metale, ka një efekt të drejtpërdrejtë të masës së joneve në distancat ndërjonike në rrjetë, dhe për rrjedhojë drejtpërdrejt në energjinë Fermi të metalin. Prandaj, u bë e qartë se ekzistenca e efektit izotopik nuk është dëshmi e mekanizmit të fononit, si i vetmi i mundshëm përgjegjës për çiftimin e elektroneve dhe shfaqjen e superpërçueshmërisë. Pakënaqësia me teorinë BCS është më e madhe vitet e mëvonshmeçoi në përpjekje për të krijuar modele të tjera, të tilla si modeli i luhatjes së spinit dhe modeli bipolaron. Megjithatë, megjithëse ata morën parasysh mekanizma të ndryshëm për kombinimin e elektroneve në çifte, këto zhvillime gjithashtu nuk çuan në përparim në kuptimin e fenomenit të superpërçueshmërisë.
Krahasimi i vlerave të llogaritura temperaturat kritike superpërcjellës me të dhëna matëse.
Sipas një prej teorive më të fundit të propozuara nga B.V. Vasiliev, çiftimi i elektroneve është një kusht i domosdoshëm, por i pamjaftueshëm për ekzistencën e një gjendje superpërcjellëse. Për më tepër, çfarë mekanizmi specifik çon në një çiftim të tillë nuk është aq i rëndësishëm. Është e rëndësishme që një mekanizëm i tillë të ekzistojë dhe të funksionojë në të gjithë gamën e temperaturës ku ekziston gjendja superpërcjellëse.
Arsyeja për këtë shpjegohet si më poshtë: duke u kombinuar në çifte, elektronet krijojnë bozone që nuk janë të kombinuara në një ansambël të vetëm identik. Ato dallohen nga lëkundjet zero të pakorreluara. Për kalimin e bozoneve në një gjendje identike, është e nevojshme të renditni dridhjet e tyre me pikë zero. Për këtë arsye, parametrat që karakterizojnë mekanizmin e renditjes së lëkundjeve me pikë zero në gaz elektronik, rezultojnë të jenë vendimtare për vetitë e superpërcjellësve.
Aplikimet e superpërcjellshmërisë
Është bërë përparim i rëndësishëm në marrjen e superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë. Në bazë të qeramikës metalike, për shembull, përbërja YBa 2 Cu 3 O x, janë marrë substanca për të cilat temperatura T c kalimi në gjendjen superpërcjellëse kalon 77 K (temperatura e lëngëzimit të azotit).
Fenomeni i superpërçueshmërisë përdoret për të prodhuar fusha magnetike të forta, pasi kur rryma të forta kalojnë nëpër një superpërçues, duke krijuar fusha të forta magnetike, nuk ka humbje të nxehtësisë. Megjithatë, për shkak të faktit se fusha magnetike shkatërron gjendjen e superpërçueshmërisë, të ashtuquajturat fusha magnetike përdoren për të marrë fusha të forta magnetike. Superpërçuesit e tipit II, në të cilët është e mundur bashkëjetesa e superpërçueshmërisë dhe një fushe magnetike. Në superpërçues të tillë, një fushë magnetike shkakton shfaqjen e fijeve të hollë të metalit normal që depërtojnë në kampion, secila prej të cilave mbart një kuantë të fluksit magnetik. Substanca midis fijeve mbetet superpërçuese. Meqenëse nuk ka efekt të plotë Meissner në një superpërçues të tipit II, superpërçueshmëria ekziston deri në vlera shumë më të larta të fushës magnetike H c 2. Superpërcjellësit e mëposhtëm përdoren kryesisht në teknologji:
Shiko gjithashtu
- Superpërcjellshmëria dhe lëkundjet me pikë zero
Shënime
- Dirk van Delft dhe Peter Kes Zbulimi i superpërcjellshmërisë (anglisht) // Fizika sot. - 2010. - Vëll. 63. - fq 38-43.
- Alexey Levin Superpërcjellshmëria feston njëqindvjetorin e saj. Elements.ru (8 prill 2011). Arkivuar nga origjinali më 23 gusht 2011. Marrë më 8 prill 2011.
- V. L. Ginzburg, E. A. Andryushin Kapitulli 1. Zbulimi i superpërcjellshmërisë // Superpërcjellshmëria ISBN 5-98281-088-6
- V. L. Ginzburg, E. A. Andryushin Kapitulli 5. Ylli i superpërcjellshmërisë // Superpërcjellshmëria. - Botimi i dytë, i rishikuar dhe i zgjeruar. - Alfa-M, 2006. - 112 f. - 3000 kopje.
