Реферат: Реальные системы и фазовые переходы
С точки зрения
статистической механики вывод уравнения состояния сводится к нахождению новой
функции состояния свободной энергии F=E-TS как функции параметров p,T,V. Тогда уравнение состояния находится
как p=-I∂I±I∂VIT. Нужно было найти свободную энергию системы,
вычислив соответствующий интервал, что было непростой задачей. Гиббс понимал,
что для полного описания системы, даваемого термодинамическими потенциалами,
нужно знание молекулярной структуры и характера взаимодействия частиц. Поэтому
он разработал метод нахождения статистических аналогов для изотермического и
химического потенциалов. Метод Гиббса был пригоден для любых систем, но
математические трудности того времени не позволяли уйти от идеализированных
моделей.
6.
Сверхтекучесть.
В 1945 году известный
советский математик и физик-теоретик Н. Н. Боголюбов, разработавший более
совершенный метод решения проблем статистической физики, привел уравнения
состояния реальных газов в виду: p=(NkT/V)(1=NB1(T)/V+N2B2/V2+N3B3/V3+…..), где B –
функции температуры, называемые вириальными коэффициентами, которые
определяются по законам взаимодействия молекул. при низких температурах
становится возможным наблюдать микроскопические квантовые явления –
сверхпроводимость и сверхтекучесть. Сверхтекучесть – это свойство квантовых
жидкостей – течь без трения. Впервые обнаружено в 1938 году советским ученым
П.Л.Капицей в жидком гелии. При температурах ниже 2,17 К вязкость гелия
обращается в ноль, и он свободно протекает через очень узкие капилляры.
Теоретическое объяснение явления сверхтекучести было дано в 1941 году советским
ученым Л.Д.Ландау (Ландау Лев Давидович (1908 -
1968), российский физик-теоретик, основатель научной школы, академик АН СССР
(1946), Герой Социалистического Труда (1954)). Труды во многих областях физики:
магнетизм; сверхтекучесть и сверхпроводимость; физика твердого тела, атомного
ядра и элементарных частиц, физика плазмы; квантовая электродинамика;
астрофизика и др.
Автор
классического курса теоретической физики (совместно с Е. М. Лифшицем).
Ленинская премия (1962), Государственная премия СССР (1946, 1949, 1953),
Нобелевская премия (1962). По теории Ландау, необычность гелия состоит в следующем: жидкий гелий
существует в двух формах. В области температур от 4,2 до 2,18 К (так называемая
l- точка) он ведёт себя как
классическая жидкость – это гелий. Ниже l- точки он состоит, как бы из двух жидкостей одна ведёт себя
как гелий-1, другая проявляет свойства сверхтекучести – проводит тепло без
потерь, то есть. Её теплопроводность равна бесконечности. Не оказывает
сопротивления течению, или имеет нулевую вязкость, - это гелий-2. В l- точке происходит фазовый переход
между состояниями гелия. Относительное количество каждой из компонент гелия
зависит от температуры, причем его можно определить измерением силы,
действующей на предмет, движущийся в жидкости. Опыты показывают, что при
температуре ниже 1К практически весь гелий, находящийся в сверхтекучем
состоянии. Атомы жидкого гелия образуют единую квантовую систему, энергию и
импульс которой можно изменить только сразу на конечную величину, скачком.
Поэтому до определенной скорости жидкий гелий течёт без трения, не замечая
препятствий, - обладает свойством сверхтекучести. Сверхтекучесть является
коллективным эффектом. Атомы гелия имеют целый (нулевой) спин и поэтому
скапливаются в одинаковых состояниях. В результате квантовые свойства каждой
частицы усиливаются. Спин. Элементарные частицы – это маленькие вращающиеся
волчки. Они характеризуются моментом количества движения, или, кратко, угловым
моментом. Согласно квантовой механике, угловой момент системы может принимать
не любые значения: его скачки равняются постоянной Планке ħ (1,054*10-34*Дж*с),
угловой момент элементарных частиц естественно измерять в единицах Планке.
Момент, измеренный в таких единицах, называется спином. Спин гелия-4 атома
гелия равен нулю, является бозоном, подчиняется статистике Бозе-Энштейна и
поэтому не подчиняется запрету Паули (Согласно принципу Паули: в каждом
квантовом состоянии может находиться только один электрон.), а изотоп гелия
гелий-3, являющийся фермионом, подчиняется запрету Паули и не дает явления
сверхтекучести. При понижении температуры гелия энергия его атомов,
естественно, уменьшается. При какой-то очень низкой температуре все они
окажутся в самом низком энергетическом состоянии, поскольку запрет Паули для
них не применим. И будут иметь одинаковые волновые функции. Атомы сверхтекучего
гелия ведут себя согласованно, как единое целое. Беспорядка в этой системе нет,
энтропия равна нулю.
7.
Сверхпроводимость.
Сверхпроводимость –
весьма необычный феномен, отличающийся от всего того, к чему мы привыкли.
Буквально это явление из иного мира. Мы живем в классическом мире, а
сверхпроводимость явление квантовое, но в макроскопических масштабах. Например,
волновые функции в квантовой механике вводят искусственно, а в
сверхпроводимости они выступают естественным образом как измеримые величины.
7.1
Открытие сверхпроводимости.
свойства сверхпроводников |
применение |
Создание магнитного поля |
Передача электроэнергии |
Обработка информации |
Нулевое электрическое сопротивление |
+ |
+ |
+ |
Большие передаваемые токи |
+ |
+ |
- |
Большое магнитное поле |
+ |
- |
- |
Фазовый переход |
- |
- |
+ |
Квантовые эффекты |
- |
- |
+ |
Сверхпроводимость
наблюдалась впервые при охлаждении ртути в 1911 году голландским ученым Гейке
Каммерлинг-Оннесом. Исследования в области низких температур, первоначально
имевшие чисто практическую направленность, при температуре 7,2 K сопротивление свинцового проводника
внезапно снизилось в миллионы раз и практически исчезло.
Страницы: 1, 2, 3, 4 |