Evrendeki tüm nesneler de dahil olmak üzere herhangi bir fiziksel bedenin bir minimum sıcaklığı veya sınırı vardır. Herhangi bir sıcaklık ölçeğinin başlangıç noktası mutlak sıfır sıcaklığının değeri olarak kabul edilir. Ancak bu sadece teoride. Bu sırada enerjisini kaybeden atom ve moleküllerin kaotik hareketi pratikte henüz durdurulmuş değil.
Mutlak sıfır sıcaklıklara ulaşılamamasının ana nedeni budur. Bu sürecin sonuçlarına ilişkin tartışmalar halen devam etmektedir. Termodinamik açısından bakıldığında bu sınıra ulaşılamaz çünkü atomların ve moleküllerin termal hareketi tamamen durur ve bir kristal kafes oluşur.
Kuantum fiziğinin temsilcileri, mutlak sıfır sıcaklıklarda minimum sıfır salınımın varlığını öngörüyor.
Mutlak sıfır sıcaklığın değeri nedir ve neden elde edilemiyor?
Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı'nda sıcaklık göstergelerini belirleyen ölçü aletleri için ilk kez bir referans veya referans noktası oluşturuldu.
Şu anda Uluslararası Birim Sisteminde Santigrat ölçeğinin referans noktası donma için 0°C, kaynama için 100°C olup, mutlak sıfır sıcaklıkların değeri -273,15°C'ye eşittir.
Aynı Uluslararası Birim Sistemine göre Kelvin ölçeğindeki sıcaklık değerleri kullanıldığında, suyun kaynaması 99.975 ° C referans değerinde meydana gelecektir, mutlak sıfır 0'a eşittir. Fahrenheit ölçeğinde gösterge -459.67 dereceye karşılık gelir. .
Ancak bu veriler elde edilirse pratikte mutlak sıfır sıcaklıklara ulaşmak neden imkansızdır? Karşılaştırma için, 1.079.252.848,8 km/saatlik sabit fiziksel değere eşit olan, iyi bilinen ışık hızını alabiliriz.
Ancak pratikte bu değere ulaşmak mümkün değildir. Bu, iletim dalga boyuna, koşullara ve parçacıklar tarafından büyük miktarda enerjinin gerekli emilimine bağlıdır. Mutlak sıfır sıcaklık değerini elde etmek için büyük miktarda enerji çıkışı gerekir ve bu enerjinin atomlara ve moleküllere girmesini önleyecek kaynakların bulunmaması gerekir.
Ancak tam boşluk koşullarında bile bilim adamları ne ışık hızını ne de mutlak sıfır sıcaklığı elde edemediler.
Neden yaklaşık sıfır sıcaklıklara ulaşmak mümkün ama mutlak sıfıra ulaşmak mümkün değil?
Bilim, mutlak sıfırın son derece düşük sıcaklığına ulaşmaya yaklaştığında ne olacağı yalnızca termodinamik ve kuantum fiziği teorisinde kalır. Pratikte mutlak sıfır sıcaklıklara ulaşılamamasının nedeni nedir?
Bir maddeyi maksimum enerji kaybı nedeniyle en düşük sınıra kadar soğutmaya yönelik bilinen tüm girişimler, maddenin ısı kapasitesinin de minimum bir değere ulaşmasıyla sonuçlanmıştır. Moleküller artık kalan enerjiden vazgeçemiyorlardı. Sonuç olarak soğutma işlemi mutlak sıfıra ulaşmadan durdu.
Bilim adamları, mutlak sıfır sıcaklıklara yakın koşullar altında metallerin davranışlarını incelerken, sıcaklıktaki maksimum azalmanın direnç kaybına neden olması gerektiğini buldular.
Ancak atomların ve moleküllerin hareketinin durması, yalnızca içinden geçen elektronların enerjilerinin bir kısmını sabit atomlara aktardığı bir kristal kafesin oluşumuna yol açtı. Yine mutlak sıfıra ulaşmak mümkün olmadı.
2003 yılında sıcaklık, mutlak sıfırın yalnızca 1°C'nin milyarda biri kadar eksikti. NASA araştırmacıları, deneyler yapmak için her zaman manyetik alanda bulunan ve enerjisinden vazgeçen bir Na molekülü kullandılar.
En yakın başarı, 2014 yılında 0,0025 Kelvin rakamına ulaşan Yale Üniversitesi'ndeki bilim adamları tarafından elde edildi. Ortaya çıkan bileşik, stronsiyum monoflorür (SrF), yalnızca 2,5 saniye sürdü. Ve sonunda yine de atomlara bölündü.
Sıcaklığın ne kadar düşük olabileceğini hiç düşündünüz mü? Mutlak sıfır nedir? İnsanlık bunu başarabilecek mi ve böyle bir keşiften sonra hangi fırsatlar açılacak? Bu ve benzeri sorular uzun zamandır birçok fizikçinin ve meraklı insanın aklını meşgul ediyor.
Mutlak sıfır nedir
Çocukluğunuzdan beri fiziği sevmemiş olsanız bile muhtemelen sıcaklık kavramına aşinasınızdır. Moleküler kinetik teori sayesinde artık onunla moleküllerin ve atomların hareketleri arasında belirli bir statik bağlantı olduğunu biliyoruz: Herhangi bir fiziksel cismin sıcaklığı ne kadar yüksekse, atomları o kadar hızlı hareket eder ve bunun tersi de geçerlidir. Şu soru ortaya çıkıyor: "Temel parçacıkların yerinde donacağı bir alt sınır var mı?" Bilim insanları bunun teorik olarak mümkün olduğuna inanıyor; termometre -273,15 santigrat derece olacak. Bu değere mutlak sıfır denir. Başka bir deyişle bu, fiziksel bir bedenin soğutulabileceği mümkün olan minimum sınırdır. Mutlak sıfırın referans noktası olduğu ve ölçeğin birim bölümünün bir dereceye eşit olduğu bir mutlak sıcaklık ölçeği (Kelvin ölçeği) bile vardır. Dünyanın dört bir yanındaki bilim insanları, insanlık için çok büyük umutlar vaat eden bu değere ulaşmak için çalışmayı bırakmıyor.
Bu neden bu kadar önemli?
Aşırı düşük ve aşırı yüksek sıcaklıklar, süperakışkanlık ve süperiletkenlik kavramlarıyla yakından ilişkilidir. Süperiletkenlerde elektriksel direncin ortadan kalkması, hayal edilemeyecek verim değerlerine ulaşılmasını ve her türlü enerji kaybının ortadan kaldırılmasını mümkün kılacaktır. Eğer “mutlak sıfır” değerine serbestçe ulaşmamızı sağlayacak bir yol bulabilirsek, insanlığın birçok sorunu çözülmüş olacaktır. Rayların üzerinde uçan trenler, daha hafif ve daha küçük motorlar, transformatörler ve jeneratörler, yüksek hassasiyetli manyetoensefalografi, yüksek hassasiyetli saatler; bunlar süperiletkenliğin hayatımıza neler getirebileceğinin sadece birkaç örneğidir.
En Son Bilimsel Gelişmeler
Eylül 2003'te MIT ve NASA'dan araştırmacılar sodyum gazını rekor düşük bir seviyeye kadar soğutmayı başardılar. Deney sırasında bitiş çizgisine (mutlak sıfır) yalnızca yarım milyarda biri kadar yakındılar. Testler sırasında sodyum sürekli olarak manyetik bir alan içerisindeydi ve bu da onun kabın duvarlarına temas etmesini engelliyordu. Sıcaklık bariyerinin üstesinden gelmek mümkün olsaydı, gazdaki moleküler hareket tamamen dururdu çünkü bu tür bir soğutma, sodyumun tüm enerjisini çekerdi. Araştırmacılar, yazarı (Wolfgang Ketterle) 2001 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü alan bir teknik kullandılar. Testlerdeki kilit nokta Bose-Einstein yoğunlaşmasının gaz süreçleriydi. Bu arada, mutlak sıfırın yalnızca aşılmaz değil aynı zamanda ulaşılamaz bir değer olduğunu söyleyen termodinamiğin üçüncü yasasını henüz kimse iptal etmedi. Ayrıca Heisenberg'in belirsizlik ilkesi geçerlidir ve atomlar oldukları yerde duramazlar. Bu nedenle, bilim adamları buna ihmal edilebilir bir mesafeye yaklaşabilmiş olsalar da, mutlak sıfır sıcaklık şimdilik bilim için ulaşılamaz durumda.
Mutlak sıcaklık sıfır, sıfırın altında 273,15 santigrat dereceye, sıfırın altında 459,67 Fahrenheit'e karşılık gelir. Kelvin sıcaklık ölçeği için bu sıcaklığın kendisi sıfır işaretidir.
Mutlak sıfır sıcaklığın özü
Mutlak sıfır kavramı sıcaklığın özünden gelir. sırasında dış ortama salınan herhangi bir cisim. Aynı zamanda vücut ısısı da azalır, yani. daha az enerji kalır. Teorik olarak bu süreç, enerji miktarı vücudun artık onu veremeyeceği bir minimum seviyeye ulaşana kadar devam edebilir.
Böyle bir fikrin uzak bir habercisi zaten M.V. Büyük Rus bilim adamı ısıyı “dönme” hareketi ile açıkladı. Sonuç olarak, maksimum soğuma derecesi bu tür hareketlerin tamamen durmasıdır.
Modern kavramlara göre mutlak sıfır sıcaklık, moleküllerin mümkün olan en düşük enerji seviyesine sahip olduğu sıcaklıktır. Daha az enerjiyle, yani. daha düşük bir sıcaklıkta hiçbir fiziksel beden var olamaz.
Teori ve pratik
Mutlak sıfır sıcaklık teorik bir kavramdır; pratikte, prensipte, en gelişmiş ekipmanlara sahip bilimsel laboratuvarlarda bile bunu başarmak imkansızdır. Ancak bilim insanları, maddeyi mutlak sıfıra yakın çok düşük sıcaklıklara kadar soğutmayı başarıyorlar.
Bu sıcaklıklarda maddeler normal şartlarda sahip olamayacakları şaşırtıcı özellikler kazanırlar. Sıvıya yakın bir durumda olduğu için "canlı gümüş" olarak adlandırılan cıva, bu sıcaklıkta çivi çakılabilecek kadar katı hale gelir. Bazı metaller cam gibi kırılgan hale gelir. Kauçuk da aynı derecede sertleşir. Mutlak sıfıra yakın sıcaklıktaki kauçuk bir nesneye çekiçle vurursanız cam gibi kırılır.
Özelliklerdeki bu değişiklik aynı zamanda ısının doğasıyla da ilişkilidir. Fiziksel bedenin sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, moleküller o kadar yoğun ve kaotik hareket eder. Sıcaklık azaldıkça hareket yoğunluğu azalır ve yapı daha düzenli hale gelir. Böylece gaz sıvıya, sıvı da katıya dönüşür. Düzenin nihai düzeyi kristal yapıdır. Ultra düşük sıcaklıklarda, kauçuk gibi normalde şekilsiz kalan maddeler bile bu özelliği kazanır.
Metallerde de ilginç olaylar meydana gelir. Kristal kafesin atomları daha az genlikle titreşir, elektron saçılması azalır ve dolayısıyla elektrik direnci azalır. Metal, elde edilmesi zor olmasına rağmen pratik uygulaması çok cazip görünen süper iletkenlik kazanıyor.
Kaynaklar:
- Livanova A. Düşük sıcaklıklar, mutlak sıfır ve kuantum mekaniği
Vücut– maddenin veya maddenin varoluş biçimi anlamına gelen fizikteki temel kavramlardan biridir. Bu, hacim ve kütle ile, bazen de başka parametrelerle karakterize edilen maddi bir nesnedir. Fiziksel beden diğer bedenlerden bir sınırla açıkça ayrılmıştır. Fiziksel bedenlerin birkaç özel türü vardır; bunların listelenmesi bir sınıflandırma olarak anlaşılmamalıdır.
Mekanikte fiziksel bir cisim çoğunlukla maddi bir nokta olarak anlaşılır. Bu, temel özelliği, belirli bir sorunu çözmek için vücudun gerçek boyutlarının ihmal edilebilmesi olan bir tür soyutlamadır. Başka bir deyişle maddi nokta, boyutları, şekli ve benzeri özellikleri olan, ancak mevcut sorunun çözümü açısından önemli olmayan çok özel bir cisimdir. Örneğin yolun belirli bir bölümündeki bir nesneyi saymanız gerekiyorsa, sorunu çözerken nesnenin uzunluğunu tamamen göz ardı edebilirsiniz. Mekaniğin dikkate aldığı diğer bir fiziksel beden türü ise kesinlikle katı bir cisimdir. Böyle bir cismin mekaniği maddi bir noktanın mekaniği ile tamamen aynıdır, fakat ayrıca başka özelliklere de sahiptir. Tamamen rijit bir cisim noktalardan oluşur ancak cismin maruz kaldığı yükler altında ne aralarındaki mesafe ne de kütle dağılımı değişir. Bu, deforme olamayacağı anlamına gelir. Kesinlikle katı bir cismin konumunu belirlemek için, ona bağlı, genellikle Kartezyen bir koordinat sistemi belirlemek yeterlidir. Çoğu durumda kütle merkezi aynı zamanda koordinat sisteminin de merkezidir. Kesinlikle katı bir cisim yoktur, ancak birçok problemi çözmek için böyle bir soyutlama çok uygundur, ancak göreceli mekanikte dikkate alınmasa da, hızı ışık hızıyla karşılaştırılabilir olan hareketlerde bu model iç çelişkiler gösterir. Kesinlikle katı bir cismin zıttı deforme olabilen bir cisimdir,
Hava durumu raporu sıfıra yakın sıcaklıklar öngördüğünde buz pateni pistine gitmemelisiniz: buz eriyecektir. Buzun erime sıcaklığı, en yaygın sıcaklık ölçeği olan sıfır santigrat derece olarak alınır.
Negatif santigrat derece ölçeğine çok aşinayız - derece<ниже
нуля>, derece soğuk. Dünyadaki en düşük sıcaklık Antarktika'da kaydedildi: -88,3°C. Dünyanın dışında daha düşük sıcaklıklar da mümkündür: Ay'ın gece yarısında Ay'ın yüzeyinde sıcaklık -160°C'ye ulaşabilir.
Ancak keyfi olarak düşük sıcaklıklar hiçbir yerde bulunamaz.
Santigrat ölçeğindeki son derece düşük sıcaklık - mutlak sıfır - -273,16°'ye karşılık gelir.
Mutlak sıcaklık ölçeği Kelvin ölçeği mutlak sıfırdan kaynaklanır. Buz 273,16° Kelvin'de erir ve su 373,16° K'de kaynar. Dolayısıyla K derecesi C derecesine eşittir. Ancak Kelvin ölçeğinde tüm sıcaklıklar pozitiftir.
Isı, bir maddenin atomlarının ve moleküllerinin kaotik hareketidir. Bir madde soğutulduğunda termal enerji ondan çıkarılır ve parçacıkların rastgele hareketi zayıflar. Sonunda güçlü soğutmayla termal<пляска>parçacıklar neredeyse tamamen durur. Mutlak sıfır olarak kabul edilen bir sıcaklıkta atomlar ve moleküller tamamen donardı.
Kuantum mekaniğinin ilkelerine göre, mutlak sıfırda parçacıkların termal hareketi durur, ancak parçacıklar tamamen hareketsiz olamayacakları için donmazlar. Bu nedenle, mutlak sıfırda parçacıkların hala sıfır hareket adı verilen bir tür hareketi sürdürmesi gerekir.<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Ancak bir maddeyi mutlak sıfırın altındaki bir sıcaklığa soğutmak, örneğin niyet kadar anlamsız bir fikirdir.
Üstelik tam olarak mutlak sıfıra ulaşmak bile neredeyse imkansızdır. Ona ancak yaklaşabilirsin. Çünkü bir maddenin termal enerjisinin tamamını tamamen ortadan kaldırmanın bir yolu yoktur. Termal enerjinin bir kısmı en derin soğutmada kalır.
Ultra düşük sıcaklıklara nasıl ulaşırsınız?
Bir maddeyi dondurmak ısıtmaktan daha zordur. Bu, ocak ve buzdolabının tasarımının karşılaştırılmasında bile görülebilir.
Ev ve endüstriyel buzdolaplarının çoğunda, metal tüpler arasında dolaşan özel bir sıvı olan freonun buharlaşması nedeniyle ısı giderilir. İşin sırrı, freonun yalnızca yeterince düşük bir sıcaklıkta sıvı halde kalabilmesidir. Soğutucu bölmede ise haznenin ısısından dolayı ısınıp kaynayarak buhara dönüşür. Ancak buhar kompresör tarafından sıkıştırılır, sıvılaştırılır ve buharlaştırıcıya girerek buharlaşan freon kaybını yeniler. Kompresörü çalıştırmak için enerji tüketilir.
Derin soğutma cihazlarında soğuk taşıyıcı ultra soğuk sıvı - sıvı helyumdur. Renksiz, hafif (sudan 8 kat daha hafif), atmosferik basınç altında 4,2°K'de ve vakumda 0,7°K'da kaynar. Helyumun hafif izotopu daha da düşük bir sıcaklık verir: 0,3°K.
Ortaya çıkan sıvı helyum özel termoslarda - Dewar şişelerinde saklanır.
Bu çok soğuk sıvının (mutlak sıfırda donmayan tek sıvı) maliyeti oldukça yüksek çıkıyor. Bununla birlikte, sıvı helyum günümüzde sadece bilimde değil, aynı zamanda çeşitli teknik cihazlarda da giderek daha yaygın olarak kullanılmaktadır.
En düşük sıcaklıklara farklı bir şekilde ulaşıldı. Potasyum krom şap gibi bazı tuzların moleküllerinin manyetik kuvvet çizgileri boyunca dönebildiği ortaya çıktı. Bu tuz, sıvı helyumla 1°K'ye kadar önceden soğutulur ve güçlü bir manyetik alana yerleştirilir. Bu durumda moleküller kuvvet çizgileri boyunca döner ve açığa çıkan ısı sıvı helyum tarafından alınır. Daha sonra manyetik alan aniden ortadan kaldırılır, moleküller tekrar farklı yönlere döner ve harcanan enerji
Bu çalışma tuzun daha da soğumasına yol açar. Bu şekilde 0,001° K'lik bir sıcaklık elde ettik. Prensipte benzer bir yöntem kullanarak, diğer maddeleri kullanarak daha da düşük bir sıcaklık elde edebiliriz.
Şu ana kadar Dünya'da elde edilen en düşük sıcaklık 0,00001° K'dir.
Süperakışkanlık
Sıvı helyum banyolarında ultra düşük sıcaklıklarda dondurulan bir madde gözle görülür biçimde değişir. Kauçuk kırılgan hale gelir, kurşun çelik gibi sertleşir ve elastik hale gelir, birçok alaşım mukavemeti artırır.
Sıvı helyumun kendisi tuhaf bir şekilde davranır. 2,2° K'nin altındaki sıcaklıklarda sıradan sıvılar için benzeri görülmemiş bir özellik kazanır - süper akışkanlık: bir kısmı viskozitesini tamamen kaybeder ve en dar çatlaklardan herhangi bir sürtünme olmadan akar.
Bu fenomen 1937'de Sovyet fizikçi Akademisyen P. JI tarafından keşfedildi.
Kapitsa, daha sonra Akademisyen JI tarafından açıklandı. D. Landau.
Mutlak sıfıra yakın yerlerde bazı malzemelerin elektriksel özelliklerinde son derece ilginç değişiklikler meydana gelir.
1911'de Hollandalı fizikçi Kamerlingh Onnes beklenmedik bir keşif yaptı: 4,12 ° K sıcaklıkta cıvadaki elektrik direncinin tamamen ortadan kalktığı ortaya çıktı. Cıva süperiletken olur.
Süper iletken bir halkada indüklenen elektrik akımı tükenmez ve neredeyse sonsuza kadar akabilir.<гроб Магомета>Böyle bir halkanın üzerinde süper iletken bir top havada yüzecek ve bir peri masalı gibi düşmeyecek
Çünkü yerçekimi, halka ile top arasındaki manyetik itme ile telafi edilir. Sonuçta, halkadaki sürekli bir akım bir manyetik alan yaratacak ve bu da topta bir elektrik akımına ve bununla birlikte zıt yönlü bir manyetik alana neden olacaktır.
Cıvaya ek olarak kalay, kurşun, çinko ve alüminyum da mutlak sıfıra yakın süperiletkenliğe sahiptir. Bu özellik 23 elementte, yüzden fazla farklı alaşımda ve diğer kimyasal bileşiklerde bulunmuştur.
Süperiletkenliğin ortaya çıktığı sıcaklıklar (kritik sıcaklıklar), 0,35° K'den (hafniyum) 18° K'ye (niyobyum-kalay alaşımı) kadar oldukça geniş bir aralığı kapsar.
Süperiletkenlik olgusu, süper-
akışkanlık ayrıntılı olarak incelenmiştir. Kritik sıcaklıkların malzemelerin iç yapısına ve dış manyetik alana bağımlılığı bulunmuştur.
Derin bir süperiletkenlik teorisi geliştirildi (Sovyet bilim adamı Akademisyen N. N. Bogolyubov tarafından önemli bir katkı yapıldı).<танцуя>Bu paradoksal olgunun özü yine tamamen kuantumdur. Çok düşük sıcaklıklarda elektronlar<прутьями решетки>süperiletkenler, kristal kafese enerji veremeyen veya onu ısıtmak için enerji kuantumunu boşa harcayan, çift olarak bağlı parçacıklardan oluşan bir sistem oluşturur. Elektron çiftleri sanki hareket ediyormuş gibi hareket ediyor
, arasında
- iyonlar ve çarpışmalar ve enerji aktarımı olmadan onları atlayın.
Süperiletkenlik teknolojide giderek daha fazla kullanılmaktadır.<шумы>teçhizat. Elektronik bilgi işlem teknolojisinde, düşük güçlü süper iletken anahtarlar - kriyotronlar için parlak bir gelecek vaat ediliyor (bkz.<Пути электроники>).
Bu tür cihazların çalışmasını daha yüksek, daha erişilebilir sıcaklıklara çıkarmanın ne kadar cazip olacağını hayal etmek zor değil. Son zamanlarda polimer film süperiletkenleri yaratma umudu keşfedildi. Bu tür malzemelerdeki elektriksel iletkenliğin kendine özgü doğası, süperiletkenliği oda sıcaklıklarında bile korumak için mükemmel bir fırsat vaat ediyor. Bilim insanları ısrarla bu umudu gerçekleştirmenin yollarını arıyor.
Şimdi dünyadaki en sıcak şeyin dünyasına, yıldızların derinliklerine bakalım. Sıcaklıkların milyonlarca dereceye ulaştığı yer.
Yıldızlardaki rastgele termal hareket o kadar yoğundur ki atomların tamamı orada bulunamaz; sayısız çarpışma sonucu yok olurlar.
Dolayısıyla bu kadar sıcak olan bir madde ne katı, ne sıvı, ne de gaz halinde olabilir. Plazma halindedir, yani elektrik yüklü bir karışımdır.<осколков>atomlar - atom çekirdeği ve elektronlar.
Plazma maddenin eşsiz bir halidir. Parçacıkları elektrik yüklü olduğundan elektriksel ve manyetik kuvvetlere karşı duyarlıdırlar. Bu nedenle, iki atom çekirdeğinin yakınlığı (pozitif yük taşırlar) nadir görülen bir olgudur. Yalnızca yüksek yoğunluklarda ve çok yüksek sıcaklıklarda birbirleriyle çarpışan atom çekirdekleri birbirine yaklaşabilir. Daha sonra yıldızların enerji kaynağı olan termonükleer reaksiyonlar meydana gelir.
Bize en yakın yıldız olan Güneş, esas olarak yıldızın bağırsaklarında 10 milyon dereceye kadar ısıtılan hidrojen plazmasından oluşur. Bu koşullar altında, nadir de olsa hızlı hidrojen çekirdekleri (protonlar) ile yakın karşılaşmalar meydana gelir. Bazen yaklaşan protonlar etkileşime girer: elektriksel itmeyi yendikten sonra hızla devasa nükleer çekim kuvvetlerinin gücüne düşerler.<падают>üst üste koyun ve birleştirin. Burada anında bir yeniden yapılanma meydana gelir: iki proton yerine bir döteron (ağır bir hidrojen izotopunun çekirdeği), bir pozitron ve bir nötrino ortaya çıkar. Açığa çıkan enerji 0,46 milyon elektron volttur (MeV).
Her bir güneş protonu ortalama olarak her 14 milyar yılda bir böyle bir reaksiyona girebilmektedir. Ancak ışığın bağırsaklarında o kadar çok proton var ki, orada burada bu beklenmedik olay meydana geliyor ve yıldızımız eşit, göz kamaştırıcı aleviyle yanıyor.
Döteronların sentezi güneş termonükleer dönüşümlerinin yalnızca ilk adımıdır.
Yeni doğan döteron çok kısa sürede (ortalama 5,7 saniye sonra) başka bir protonla birleşir. Hafif bir helyum çekirdeği ve bir gama kuantum elektromanyetik radyasyon ortaya çıkıyor. 5,48 MeV enerji açığa çıkar.
Son olarak, ortalama olarak her milyon yılda bir, iki hafif helyum çekirdeği birleşip birleşebilir. Daha sonra sıradan bir helyum çekirdeği (alfa parçacığı) oluşur ve iki proton bölünür. 12,85 MeV enerji açığa çıkar.<конвейер>Bu üç aşamalı<сгорает>termonükleer reaksiyonlar tek değildir.<золу>Başka bir nükleer dönüşüm zinciri daha var, daha hızlı olanlar. Karbon ve nitrojenin atom çekirdekleri buna katılır (tüketilmeden). Ancak her iki seçenekte de alfa parçacıkları hidrojen çekirdeklerinden sentezleniyor. Mecazi anlamda konuşursak, Güneş'in hidrojen plazması
, dönüşüyor<худеет>- helyum plazması. Ve her gram helyum plazmasının sentezi sırasında 175 bin kWh enerji açığa çıkıyor. Çok büyük bir sayı!<горючего>Güneş her saniye 4.1033 erg enerji yayar ve ağırlıkça 4.1012 g (4 milyon ton) madde kaybeder. Ancak Güneş'in toplam kütlesi 2.1027 tondur. Bu, radyasyon sayesinde Güneş'in bir milyon yıl içinde yok olacağı anlamına gelir.
kütlesinin yalnızca on milyonda biri. Bu rakamlar, termonükleer reaksiyonların etkinliğini ve güneş enerjisinin devasa kalorifik değerini anlamlı bir şekilde göstermektedir.<зола>- hidrojen.<горючим>Görünüşe göre termonükleer füzyon tüm yıldızlar için ana enerji kaynağıdır.
Yıldız içlerinin farklı sıcaklık ve yoğunluklarında, farklı türde reaksiyonlar meydana gelir. Özellikle güneş<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
-helyum çekirdeği - 100 milyon derecede kendisi termonükleer hale gelir
. Daha sonra alfa parçacıklarından daha ağır atom çekirdekleri (karbon ve hatta oksijen) sentezlenebilir.<горючего>Pek çok bilim adamına göre, bir bütün olarak Metagalaksi'mizin tamamı aynı zamanda milyarlarca derece sıcaklıkta gerçekleşen termonükleer füzyonun meyvesidir (bkz.
<Горючего>Yapay güneşe doğru
Termonükleerin olağanüstü kalorifik değeri
bilim adamlarını nükleer füzyon reaksiyonlarının yapay olarak uygulanmasını sağlamaya teşvik etti.<горючее>- Gezegenimizde birçok hidrojen izotopu var. Örneğin süper ağır hidrojen trityum, nükleer reaktörlerde metal lityumdan üretilebilir. Ve ağır hidrojen - döteryum, sıradan sudan çıkarılabilen ağır suyun bir parçasıdır.
Bu sorun ilk olarak hidrojen bombasında çözüldü. Buradaki hidrojen izotopları, maddenin on milyonlarca dereceye kadar ısıtılmasıyla birlikte bir atom bombasının patlamasıyla ateşlenir. Hidrojen bombasının versiyonlarından birinde, termonükleer yakıt, ağır hidrojen ile hafif lityum - hafif lityum döteritin kimyasal bir bileşiğidir. Bu beyaz toz, sofra tuzuna benzer.<воспламеняясь>itibaren<спички>Bir atom bombası olan atom bombası anında patlayarak yüz milyonlarca derecelik bir sıcaklık yaratır.
Barışçıl bir termonükleer reaksiyon başlatmak için, öncelikle küçük dozlarda yeterince yoğun bir hidrojen izotop plazmasının, atom bombasının hizmetleri olmadan yüz milyonlarca derecelik sıcaklıklara nasıl ısıtılacağını öğrenmek gerekir. Bu problem modern uygulamalı fizikteki en zor problemlerden biridir. Dünyanın dört bir yanındaki bilim insanları bunun üzerinde uzun yıllardır çalışıyor.
Vücutların ısınmasını yaratan şeyin parçacıkların kaotik hareketi olduğunu ve rastgele hareketlerinin ortalama enerjisinin sıcaklığa karşılık geldiğini söylemiştik. Soğuk bir vücudu ısıtmak, herhangi bir şekilde bu bozukluğu yaratmak demektir.
Birbirine doğru koşan iki grup koşucuyu hayal edin. Böylece çarpıştılar, karıştılar, bir ezilme ve karışıklık başladı.
Büyük karışıklık!
Aynı şekilde, fizikçiler başlangıçta yüksek basınçlı gaz jetlerini çarpıştırarak yüksek sıcaklıklar elde etmeye çalıştılar. Gaz 10 bin dereceye kadar ısındı. Bir zamanlar bu bir rekordu: Sıcaklık Güneş'in yüzeyinden daha yüksekti.
Ancak bu yöntemle gazın oldukça yavaş, patlayıcı olmayan bir şekilde ısıtılması imkansızdır, çünkü termal bozukluk anında her yöne yayılarak deney odasının duvarlarını ve çevreyi ısıtır. Ortaya çıkan ısı hızla sistemi terk eder ve onu izole etmek imkansızdır.
Doğru, plazma en dayanıklı maddeden yapılmış kaplar tarafından bile ısı kaybından korunamaz. Katı duvarlarla temas ettiğinde sıcak plazma hemen soğur. Ancak plazmayı, odanın duvarlarına temas etmeyecek, hiçbir şeye dokunmayacak şekilde boşlukta asılı kalacak şekilde vakumda biriktirerek tutmaya ve ısıtmaya çalışabilirsiniz. Burada plazma parçacıklarının gaz atomları gibi nötr değil, elektrik yüklü olmasından faydalanmalıyız. Bu nedenle hareket ederken manyetik kuvvetlere maruz kalırlar. Görev ortaya çıkıyor: Sıcak plazmanın sanki görünmez duvarları olan bir torbanın içindeymiş gibi asılı kalacağı özel bir konfigürasyonda manyetik bir alan yaratmak.
Bu tür plazmanın en basit biçimi, plazmadan güçlü elektrik akımı darbeleri geçtiğinde otomatik olarak oluşturulur. Bu durumda, plazma kordonunun etrafında kordonu sıkıştırma eğiliminde olan manyetik kuvvetler indüklenir.
Plazma, boşaltma tüpünün duvarlarından ayrılır ve parçacıkların ezilmesi sırasında kordon ekseninde sıcaklık 2 milyon dereceye yükselir.
Ülkemizde bu tür deneyler 1950 yılında akademisyen JI'nin önderliğinde yapıldı. A. Artsimovich ve M. A. Leontovich.
Deneylerin bir başka yönü, 1952'de şu anda akademisyen olan Sovyet fizikçi G.I. Budker tarafından önerilen manyetik şişenin kullanılmasıdır. Manyetik şişe, odanın uçlarında yoğunlaşan, harici bir sargı ile donatılmış silindirik bir vakum odası olan bir mantar bölmesine yerleştirilir. Sargıdan akan akım, haznede manyetik bir alan oluşturur. Orta kısımdaki alan çizgileri silindirin genatrisine paralel olarak yerleştirilmiştir ve uçlarında sıkıştırılarak manyetik tıkaçlar oluşturur. Manyetik bir şişeye enjekte edilen plazma parçacıkları alan çizgileri etrafında kıvrılır ve tıkaçlardan yansıtılır. Sonuç olarak plazma bir süre şişenin içinde kalır. Şişeye verilen plazma parçacıklarının enerjisi yeterince yüksekse ve birçoğu varsa, karmaşık kuvvet etkileşimlerine girerler, başlangıçta sıralı hareketleri karışır, düzensiz hale gelir - hidrojen çekirdeklerinin sıcaklığı on milyonlara yükselir derece.<ударами>Elektromanyetik ile ek ısıtma sağlanır
Kendi kendine devam eden bir reaksiyonu başlatmak için plazmanın sıcaklığı ve yoğunluğunun daha da arttırılması gerekir. Bunu başarmak zordur. Ancak bilim adamlarının ikna ettiği gibi sorun şüphesiz çözülebilir.
G.B. Anfilov
Web sitemizdeki fotoğrafların başka kaynaklarda yayınlanmasına ve makalelerden alıntı yapılmasına, kaynağa ve fotoğraflara bağlantı verilmesi koşuluyla izin verilir.
Sizce evrenimizdeki en soğuk yer neresidir? Bugün burası Dünya. Örneğin Ay'ın yüzey sıcaklığı -227 santigrat derece, etrafımızı saran boşluğun sıcaklığı ise sıfırın altında 265 derecedir. Bununla birlikte, Dünya'daki bir laboratuvarda, bir kişi, ultra düşük sıcaklıklardaki malzemelerin özelliklerini incelemek için çok daha düşük sıcaklıklara ulaşabilir. Aşırı soğumaya maruz kalan malzemeler, bireysel atomlar ve hatta ışık, olağandışı özellikler sergilemeye başlar.
Bu türden ilk deney, 20. yüzyılın başında, cıvanın elektriksel özelliklerini ultra düşük sıcaklıklarda inceleyen fizikçiler tarafından gerçekleştirildi. -262 santigrat derecede cıva süperiletken özellikler sergilemeye başlar ve elektrik akımına karşı direnci neredeyse sıfıra indirir. Daha sonraki deneyler, katı bölmelerden ve kapalı kaplardan maddenin "sızıntısı" olarak ifade edilen süper akışkanlık da dahil olmak üzere, soğutulmuş malzemelerin diğer ilginç özelliklerini de ortaya çıkardı.
Bilim, ulaşılabilir en düşük sıcaklığı belirledi - eksi 273,15 santigrat derece, ancak pratikte böyle bir sıcaklığa ulaşılamaz. Uygulamada sıcaklık, bir nesnenin içerdiği enerjinin yaklaşık bir ölçüsüdür; dolayısıyla mutlak sıfır, vücudun hiçbir şey yaymadığını ve o nesneden hiçbir enerji çıkarılamayacağını gösterir. Ancak buna rağmen bilim insanları mutlak sıfır sıcaklığa mümkün olduğunca yaklaşmaya çalışıyor; mevcut rekor 2003 yılında Massachusetts Teknoloji Enstitüsü laboratuvarında kırılmıştı. Bilim insanları mutlak sıfıra yalnızca bir derecenin 810 milyarda biri kadar yakın. Güçlü bir manyetik alan tarafından yerinde tutulan bir sodyum atomu bulutunu soğuttular.
Görünüşe göre bu tür deneylerin pratik anlamı nedir? Araştırmacıların, maddenin özel bir hali olan Bose-Einstein yoğunlaşması gibi bir kavramla ilgilendikleri ortaya çıktı - gaz, katı veya sıvı değil, sadece aynı kuantum durumuna sahip bir atom bulutu. Maddenin bu formu 1925 yılında Einstein ve Hintli fizikçi Satyendra Bose tarafından tahmin edilmiş ve ancak 70 yıl sonra elde edilebilmişti. Maddenin bu halini başaran bilim adamlarından biri de keşfiyle Nobel Fizik Ödülü'nü alan Wolfgang Ketterle'dir.
Bose-Einstein yoğunlaşmalarının (BEC'ler) dikkat çekici özelliklerinden biri, ışık ışınlarının hareketini kontrol edebilme yeteneğidir. Boşlukta ışık saniyede 300.000 km hızla hareket eder ve bu, Evrende ulaşılabilecek maksimum hızdır. Ancak ışık boşlukta değil de maddenin içinde yol alıyorsa daha yavaş ilerleyebilir. KBE'nin yardımıyla ışığın hareketini düşük hızlara kadar yavaşlatabilir, hatta durdurabilirsiniz. Yoğuşmanın sıcaklığı ve yoğunluğu nedeniyle ışık emisyonu yavaşlar ve "yakalanabilir" ve doğrudan elektrik akımına dönüştürülebilir. Bu akım başka bir CBE bulutuna aktarılabilir ve tekrar ışık radyasyonuna dönüştürülebilir. Bu yetenek telekomünikasyon ve bilgi işlem alanlarında yüksek talep görmektedir. Burada biraz anlamıyorum - sonuçta, ışık dalgalarını elektriğe dönüştüren ve bunun tersini yapan cihazlar ZATEN mevcut... Görünüşe göre, CBE kullanımı bu dönüşümün daha hızlı ve daha doğru bir şekilde gerçekleştirilmesine izin veriyor.
Bilim adamlarının mutlak sıfıra ulaşma konusunda bu kadar istekli olmalarının nedenlerinden biri, evrenimizde neler olup bittiğini, evrenimizde hangi termodinamik yasaların geçerli olduğunu anlama çabasıdır. Aynı zamanda araştırmacılar, bir atomdan tüm enerjiyi sonuna kadar çıkarmanın pratikte ulaşılamaz olduğunu anlıyorlar.
