Реферат: Бозе-Эйнштейновский конденсат - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Бозе-Эйнштейновский конденсат

Банк рефератов / Физика

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Microsoft Word, 166 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

Квантовая механика, представляющая с обой один из важнейших разделов современной теоретической физики, была создана сравнительно недавно — в 20- х годах нашего столетия. Ее основной задачей является изучение поведения микрочастиц, например электронов в атоме, молекуле, твердом теле, электромагнитных полях и т. д. В истории развития каждого раздела теоретической физики следует разли чать несколько этапов: во-первых, накопление экспериментальных фактов, к оторые нельзя было объяснить с помощью существующих теорий, во-вторых, о ткрытие отдельных полуэмпирических законов и создание предварительны х гипотез и теорий и, в-третьих, создание общих теорий, позволяющих с едино й точки зрения понять совокупность многих явлений. По мере того как с помощью теории Максвелла— Лоренца объяснялось все бо льшее число явлений микромира (проблема излучения, распространения све та, дисперсия света в средах. движение электронов в электрическом и магн итном полях и т.д.). постепенно стали накапливаться и такие экспериментал ьные факты, которые не укладывались в рамки классических представлений. При этом для построения теории равновесного электромагнитного излучен ия, фотоэффекта и эффекта Комптона необходимо было ввести предположени е о том, что свет наряду с волновыми должен обладать также и корпускулярн ыми свойствами. Это было учтено в теории квантов Планка— Эйнштейна. Диск ретная структура света нашла свое описание с помощью введения постоянн ой Планка h=6,62*IO'27 эрг-сек. Теория квантов была с успехом также использована п ри построении первой квантовой теории атома— теории Бора, которая опир алась на планетарную модель атома, следовавшую из опытов Резерфорда по р ассеянию альфа-частиц различными веществами. С другой стороны, целый ряд экспериментальных данных, таких, как дифракция, интерференция пучка эле ктронов, говорили нам о том, что электроны наряду с корпускулярными проя вляют также и волновые свойства Первым обобщающим результатом тщательного анализа всех предварительн ых теорий, а также экспериментальных данных, подтверждающих как квантов ую природу света, так и волновые свойства электронов, явилось волновое у равнение Шредингера (1926), позволившее вскрыть законы движения электронов и других атомных частиц и построить после открытия вторичного квантова ния уравнений Максвелла— Лоренца сравнительно последовательную теор ию излучения с учетом квантовой природы света. С появлением уравнения Шр едингера ученые, исследовавшие атом, получили в свои руки такое же мощно е оружие, какое в свое время было дано астрономам после появления основн ых законов механики Ньютона, включая закон всемирного тяготения Поэтому не удивительно, что с появлением уравнения Шредингера многие фа кты, связанные с движением электронов внутри атома, нашли свое теоретиче ское обоснование. Однако, как оказалось в дальнейшем, теория Шредингера описывала далеко н е все свойства атомов; с ее помощью нельзя было, в частности, правильно объ яснить взаимодействие атома с магнитным полем ,а тaкжe построить теорию с ложных атомов. Это было связано главным образом с тем обстоятельством, ч то в теории Шредингера не учитывались релятивистские и спиновые свойст ва электрона. Дальнейшим развитием теории Шреденгера явилась релятивистская теория Дирака. Уравнение Дирака позволило описать как релятивистские, так и с пиновые эффекты электронов При этом оказалось, что если учет релятивист ских эффектов в атомах с одним электроном приводит к сравнительно небол ьшим количественным поправкам, то при изучении строения атомов с нескол ькими электронами учет спиновых эффектов имеет решающее значение. Тол ько после того как были приняты во внимание спиновые свойства электроно в, удалось объяснить правило заполнения электронных оболочек в атоме и д ать периодическому закону Менделеева строгое обоснование. С появлением уравнения Дирака принц ипиальные вопросы, связанные со строением электронной оболочки атома, м ожно было считать в основном разрешенными, хотя углубление наших знаний в развитии отдельных деталей должно было продолжаться. В связи с этим сл едует заметить, что в настоящее время подробно изучается влияние так наз ываемого электромагнитного и электронно-позитронного вакуумов, а такж е влияние магнитных моментов ядер и размеров ядер на энергетические уро вни атомов. Одной из характерных особенностей первого этапа теории эле ментарных частиц, получившей название квантовой теории поля, является о писание взаимной превращаемости элементарных частиц. В частности, по те ории Дирака было предсказано возможное превращение гамма-квантов в пар у электрон- позитрон и обратно, что затем было подтверждено эксперимента льно Таким образом, если в классической теории между светом и электрон ами было два различия а) свет— волны, электроны— частицы, б) свет может по являться и поглощаться, число же электронов должно оставаться неизменн ым, то в квантовой механике со свойственным ей корпускулярно-волновым ду ализмом было стерто первое различие между светом и электронами. Однако в ней, так же как и в теории Лоренца, число электронов должно было оставатьс я неизменным .Только после появления квантовой теории поля, описывающе й взаимную превращаемость элементарных частиц, было фактически стерто и второе различие Поскольку одной из основных задач теоретической физ ики является изучение реального мира и прежде всего простейших фору его движения, определяющих также и более сложные явления, то естественно, чт о все эти вопросы всегда связаны с филосовскими вопросами и, в частности, с вопросом познаваемости микромира, поэтому не удивительно, что многие к рупные физики, сделавшие важнейшие открытия в области физики, пытались в месте с тем интерпретировать эти открытия с той или иной философской точ ки зрения. Благодаря таким взглядам был открыт эффект Бозе-Эйнштейновск ой конденсации. К 1920 физики были уже довольно хорошо знакомы с двойствен ной природой света: результаты одних экспериментов со светом можно было объяснить, предполагая, что свет представляет собой волны, а в других он в ел себя подобно потоку частиц. Поскольку казалось очевидным, что ничто н е может быть в одно и тоже время и волной, и частицей, ситуация оставалась непонятной, вызывая горячие споры в среде специалистов. В 1923 французский физик Л.де Бройль в опубликованных им заметках высказал предположение, ч то столь парадоксальное поведение, может быть, не является спецификой св ета, но и вещество тоже может в одних случаях вести себя подобно частицам, а в других подобно волнам. Исходя из теории относительности, де Бройль по казал, что если импульс частицы равен p, то «ассоциированная» с этой части цей волна должна иметь длину волны ? = h/p. Это соотношение аналогично впервы е полученному Планком и Эйнштейном соотношению E = h? между энергией светов ого кванта Е и частотой ? соответствующей волны. Де Бройль показал также, ч то эту гипотезу можно легко проверить в экспериментах, аналогичных опыт у, демонстрирующему волновую природу света, и настойчиво призывал к пров едению таких опытов. Заметки де Бройля привлекли внимание Эйнштейна, и к 1927 К.Дэвиссон и Л.Джермер в Соединенных Штатах, а также Дж.Томсон в Англии подтвердили для электронов не только основную идею де Бройля, но и его фо рмулу для длины волны. В 1926 работавший тогда в Цюрихе австрийский физик Э.Ш рёдингер, прослышав о работе де Бройля и предварительных результатах эк спериментов, подтверждавших ее, опубликовал четыре статьи, в которых пре дставил новую теорию, явившуюся прочным математическим обоснованием э тих идей. Такая ситуация имеет свой аналог в истории оптики. Одной увере нности в том, что свет есть волна определенной длины, недостаточно для де тального описания поведения света. Необходимо еще написать и решить выв еденные Дж.Максвеллом дифференциальные уравнения, подробно описываю щие процессы взаимодействия света с веществом и распространение света в пространстве в виде электромагнитного поля. Шрёдингер написал диффер енциальное уравнение для материальных волн де Бройля, аналогичное урав нениям Максвелла для света. Уравнение Шрёдингера для одной частицы имее т вид [pic] =d /dx где m – масса частицы, Е – ее полная энергия, V(x) – потенциальная энергия, а ? – величина, описывающая электронную волну. В ряде работ Шрёд ингер показал, как можно использовать его уравнение для вычисления энер гетических уровней атома водорода. Он установил также, что существуют пр остые и эффективные способы приближенного решения задач, не поддающихс я точному решению, и что его теория волн материи в математическом отноше нии полностью эквивалентна алгебраической теории наблюдаемых величин Гейзенберга и во всех случаях приводит к тем же результатам. П.Дирак из Ке мбриджского университета показал, что теории Гейзенберга и Шрёдингера представляют собой лишь две из множества возможных форм теории. Вскоре Д ирак добился неожиданно крупного успеха, продемонстрировав, каким обра зом квантовая механика обобщается на область очень больших скоростей, т. е. приобретает вид, удовлетворяющий требованиям теории относительност и. Постепенно стало ясно, что существует несколько релятивистских волно вых уравнений, каждое из которых в случае малых скоростей можно аппрокcи мировать уравнением Шрёдингера, и что эти уравнения описывают частицы совершенно разных типов. Например, частицы могут иметь разный «спин»; э то предусматривается теорией Дирака. Кроме того, согласно релятивистс кой теории, каждой из частиц должна соответствовать античастица с проти воположным знаком электрического заряда. В то время, когда вышла работ а Дирака, были известны только три элементарные частицы: фотон, электрон и протон. В 1932 была открыта античастица электрона – позитрон. На протяжен ии нескольких последующих десятилетий было обнаружено много других ан тичастиц, большинство из которых, как оказалось, удовлетворяли уравнени ю Дирака или его обобщениям. Созданная в 1925– 1928 усилиями выдающихся физи ков квантовая механика не претерпела с тех пор в своих основах каких-либ о существенных из менений. Волны де Бройля. Помимо волновых, были также обнаружены и корпускулярные свойства. Соотношения, связывающие волновые характеристики (частота ( и длина волны ( ) с корпускулярными (энергия ( и импульс р ), установленные Эй нштейном (1905) для кванта света ( =h(=h( т. е. частицы с массой покоя, равной нулю, б ыли обобщены французским физиком де Бройлем (1924) на частицы с отличной от н уля массой покоя. Другими словами, де Бройль предположил, что дуализм во лна — частица должен быть свойствен не только свету, но и электронам и во обще любым частицам. Соответствующая частота и волновое число по гипотезе де Бройля должны определяться соотношениями, подобными эйнштейновским, т. е. длина дебро йлевской волны движущихся частиц будет равна (=2(h/p , где р – импульс частиц Теория квантов Планка, постулаты Бора, а зате м и гипотеза Бройля были важнейшими этапами в процессе развития теорети ческих основ физики микрочастиц. Фундаментальный шаг в этом направлен ии был сделан Шредингером (1926). Он предложил описывать движение микрочаст иц (например, электронов) с помощью волнового уравнения. Уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера, по существу представляет с обой постулат нерелятивистской квантовой механики. История открытия уравнения Шрёдингера в этом смысле весьма поучительна. Титаны физики у бедились в том, что электрон не занимает определённого положения в атоме и не может двигаться там по какой-либо траектории. Взамен этого они пока что усвоили довольно туманную идею о том, что при движении в атоме электр он "расплывается". Эту расплывчатую идею Шрёдингеру удалось выразить вес ьма точно на однозначном языке формул. Уравнение Шрёдингера, как и всяк ий глубокий закон природы, нельзя вывести строго из более простых законо в. Его можно только угадать. Шрёдингер впоследствии признался, что и сам не вполне понимает, как ему удалось это сделать. Но после того, как уравнен ие угадано, надо ещё научиться им пользоваться: надо знать, что означают в се символы в уравнении и какие явления в атоме они отображают. Всё послед ующее поколение физиков тем и занимается до настоящего времени. Таковы некоторые общие свойства волновых процессов, описываемых групп ой волн получившее название соотношения неопределенности Гейзенберга . Пока лишь укажем, что соотношение неопределенностей в квантовой теори и является проявлением корпускулярно-волнового дуализма. Согласно соо тношению неопределенностей всегда имеют место неточности или ошибки в теоретическом предсказании координаты и импульса, причем всякая локал изация частицы связана с неизбежным размазыванием ее импульса. Очевидн о, что это обстоятельство делает невозможным предвычислить классическ ую траекторию движения микрочастиц, т. е. квантовая теория вскрывает при нципиально новые свойства микрообъектов, не укладывающихся в рамки обы чных классических представлений движения материальных точек. Первая интерпретация связи между корпускулой и волной была предложена Шредингером. Согласно его гипотезе, частица должна представлять собой образование из волн, причем плотность распределения такого сгустка вол н в пространстве равна . Таким образом, по Шредингеру, волновая функция связана непосредственно со структурой микрочастицы. Однако такая интерпретация волновой функц ии оказалась несостоятельной. Действительно, хотя теоретически всегд а возможно с помощью суперпозиции волн образовать волновой пакет с прот яженностью в пространстве порядка радиуса частицы (например, электрона ), однако, фазовая скорость каждой монохроматической волны, образующей волновой пакет, различна. Благодаря этому волновой пакет с те чением времени начнет расплываться. Корпускулярно-волновой дуализм, столь очевидный в эксперименте, создае т одну из самых трудных проблем физической интерпретации математическ ого формализма квантовой механики. Рассмотрим, например, волновую функц ию, которая описывает частицу, свободно движущуюся в пространстве. Тради ционное представление о частице, помимо прочего, предполагает, что она д вижется по определенной траектории с определенным импульсом p. Волновой функции приписывается длина волны де Бройля ? = h/p, но это характеристика та кой волны, которая бесконечна в пространстве, а потому не несет информац ии о местонахождении частицы. Волновую функцию, локализующую частицу в о пределенной области пространства протяженностью ?x, можно построить в ви де суперпозиции (пакета) волн с соответствующим набором импульсов, и есл и искомый диапазон импульсов равен ?p, то довольно просто показать, что для величин ?x и ?p должно выполняться соотношение ?x?p ? h/4?. Этим соотношением, вп ервые полученным в 1927 Гейзенбергом, выражается известный принцип неопре деленности: чем точнее задана одна из двух переменных x и p, тем меньше точн ость, с которой теория позволяет определить другую. Соотношение Гейзен берга могло бы рассматриваться просто как недостаток теории, но, как пок азали Гейзенберг и Бор, оно соответствует глубокому и ранее не замечавше муся закону природы: даже в принципе ни один эксперимент не позволит опр еделить величины x и p реальной частицы точнее, чем это допускает соотноше ние Гейзенберга. Гейзенберг и Бор разошлись в интерпретации этого вывод а. Гейзенберг рассматривал его как напоминание о том, что все наши знания по своему происхождению – экспериментальные и что эксперимент неизбе жно вносит в исследуемую систему возмущение, а Бор рассматривал его как ограничение точности, с которой само представление о волне и частице при менимо к миру атома. БОЗОНЫ И ФЕРМИОНЫ. Одним из принципиальных различий между частицами яв ляется различие между бозонами и фермионами. Все частицы делятся на эти два основных класса. Одинаковые бозоны могут налагаться друг на друга или перекрываться, а одинаковые фермионы – нет. Наложение происходит (и ли не происходит) в дискретных энергетических состояниях, на которые ква нтовая механика делит природу. Эти состояния представляют собой как бы о тдельные ячейки, в которые можно помещать частицы. Так вот, в одну ячейку м ожно поместить сколько угодно одинаковых бозонов, но только один фермио н. В качестве примера рассмотрим такие ячейки, или «состояния», для элек трона, вращающегося вокруг ядра атома. Электрон по законам квантовой мех аники не может обращаться по любой эллиптической орбите, для него сущест вует только дискретный ряд разрешенных «состояний движения». Наборы та ких состояний, группируемые в соответствии с расстоянием от электрона д о ядра, называются орбиталями. В первой орбитали имеются два состояния с разными моментами импульса и, следовательно, две разрешенные ячейки, а в более высоких орбиталях – восемь и более ячеек. Поскольку электрон от носится к фермионам, в каждой ячейке может находиться только один электр он. Отсюда вытекают очень важные следствия – вся химия, поскольку химич еские свойства веществ определяются взаимодействиями между соответст вующими атомами. Если бы электроны были бозонами, то все электроны атома могли бы занимать одну и ту же орбиталь, соответствующую минимальной эне ргии. При этом свойства всего вещества во Вселенной были бы совершенно д ругими, и в том виде, в котором мы ее знаем, Вселенная была бы невозможна. Все лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино – являются фермионами. То же можно сказать о кварках. Таким образом, все ч астицы, которые образуют «вещество», основной наполнитель Вселенной, а т акже невидимые нейтрино, являются фермионами. Это весьма существенно: фе рмионы не могут совмещаться, так что то же самое относится к предметам ма териального мира. В то же время все «калибровочные частицы», которыми о бмениваются взаимодействующие материальные частицы и которые создают поле сил являются бозонами, что тоже очень важно. Так, например, много фото нов могут находиться в одном состоянии, образуя магнитное поле вокруг ма гнита или электрическое поле вокруг электрического заряда. Благодаря э тому же возможен лазер. Спин. Различие между бозонами и фермионами связ ано с еще одной характеристикой элементарных частиц – спином. Как это н и удивительно, но все фундаментальные частицы имеют собственный момент импульса или, проще говоря, вращаются вокруг своей оси. Момент импульса – характеристика вращательного движения, так же как суммарный импульс – поступательного. В любых взаимодействиях момент импульса и импульс с охраняются. В микромире момент импульса квантуется, т.е. принимает диск ретные значения. В подходящих единицах измерения лептоны и кварки имею т спин, равный 1/2, а калибровочные частицы – спин, равный 1 (кроме гравитона, который экспериментально пока не наблюдался, а теоретически должен име ть спин, равный 2). Поскольку лептоны и кварки – фермионы, а калибровочные частицы – бозоны, можно предположить, что «фермионность» связана со спи ном 1/2, а «бозонность» – со спином 1 (или 2). Действительно, и эксперимент, и т еория подтверждают, что если у частицы полуцелый спин, то она – фермион, а если целый – то бозон Спин электрона и принцип запрета Паули. В то время, когда формировались идеи квантовой механики, для объяснения характери стик линейчатых спектров атомов была выдвинута гипотеза спина электро на. Спектроскопия более высокого разрешения показала, что многие линии п редставляют собой дублеты, которые не удается объяснить, исходя из орбит ального движения электронов. Особенно показательный пример – дублет желтых линий натрия 589,0 и 589,6 нм, который четко разделяется даже простыми спе ктрометрическими приборами. Для объяснения частого появления дублет ов в линейчатых спектрах Дж.Уленбек (1900– 1988) и С.Гаудсмит (1902– 1978) выдвинули в 1925 предположение, что электрон имеет собственный момент импульса, или сп ин, т.е. его можно представить себе вращающимся вокруг собственной оси од новременно с вращением по орбите вокруг ядра, аналогично вращению Земли при ее движении вокруг Солнца. Спин характеризуется еще одним квантовым числом, s. Поскольку вектор спинового момента импульса имеет (2s + 1) различн ых ориентаций, а наблюдаемая кратность энергетических уровней равна дв ум, имеем (2s + 1) = 2, или s = 1/2. Проекции вектора s на некое выделенное направление (н аправление внешнего магнитного поля) характеризуются спиновым магнитн ым квантовым числом ms, которое может быть равно либо +1/2, либо -1/2. Вращающийс я вокруг собственной оси электрон подобен крошечному магниту с магнитн ым моментом [pic] В конечном итоге получается 4 независимых квантовых чис ла, характеризующих состояние электрона в атоме: n – главное квантовое ч исло; l – орбитальное квантовое число; ml – орбитальное магнитное квантовое чи сло; ms – спиновое магнитное квантовое число. Хотя квантовая механика позво ляет, если заданы квантовые числа, определить энергию состояния и простр анственное распределение электронной плотности вероятностей (заменяю щее орбиты в модели Бора), для фиксации числа электронов в каждом состоян ии требуются дальнейшие предположения. В 1925 В.Паули (1900– 1958) сформулировал «принцип запрета», который сразу внес ясность в очень многие атомные явл ения. Он предложил простое правило: в каждом отдельном квантовом состоян ии может находиться только один электрон. Это означает, что набор чисел, о твечающих данным n, l и ml, зависит от n. Например, при n = 1 возможно лишь l = 0; следова тельно, ml = 0 и единственное различие состояний связано с ms = +1/2 и -1/2. В таблице п риведены возможности, отвечающие различным n. Отметим, что в первой «обо лочке» (n = 1) имеются 2 электрона, в следующей оболочке (n = 2) имеется 8 электроно в, образующих две подоболочки, и т.д. Максимальное число электронов в подо болочке равно 2(2l + 1), а максимальное число подоболочек составляет n. Для кажд ого n полностью заполненная оболочка содержит 2n2 электронов. Соответств ие принципа Паули эксперименту было подтверждено огромным числом спек троскопических наблюдений, а также многочисленными данными электронно й теории металлов, физики ядерных процессов, низкотемпературных явлени й. Это один из наиболее фундаментальных объединяющих принципов физики, о ткрывший путь к пониманию электронной структуры сложных атомов. Правда, принципом Паули определяется лишь возможность заполнения различных электронных оболочек, а для проверки фактического заполнения тех или ин ых состояний необходимы данные, полученные на основе оптических и рентг еновских спектров. Но в атомах вплоть до аргона с Z = 18 каждый дополнительны й электрон просто добавляется в низшую из незаполненных подоболочек. О тступления от этого порядка наблюдаются у более сложных атомов, оболочк и которых частично перекрываются. Квантовая механика объясняет это отс тупление тем, что в первую очередь заполняются состояния с самой низкой энергией. Детальный анализ электронной структуры и распределения эле ктронов с точки зрения квантовой механики и принципа Паули в более тяжел ых атомах весьма сложен. Для состояния 1s (n = 1, l = 0) возможно только сферически симметричное распределение (причем наиболее вероятным оказывается пол ожение электрона в центре атома). В состоянии 2p (n = 2, l = 1) момент импульса элект рона уже не равен нулю, и поэтому масимум плотности находится на ненулев ом расстоянии от ядра. Распределение электронной плотности зависит от к вантового числа ml в соответствии с требованием квантования компонент мо мента импульса вдоль направления магнитного поля. СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ, уникальное состояние жидкости, во зникающее в гелии при очень низких температурах. Сверхтекучая жидкость отличается от обычных жидкостей тем, что ее вязкость равна нулю. Она може т протекать через тончайшие капилляры без всякого сопротивления. Необы чные свойства сверхтекучей жидкости объясняются тем, что поведение жид кости в целом определяется законами квантовой механики. Два изотопа ге лия – жидкий 3Не и жидкий 4Не – это единственные жидкости, которые станов ятся сверхтекучими при низких температурах (атом 3Не имеет такие же хими ческие свойства, как и атом 4Не, но в его ядре одним нейтроном меньше). Свер хтекучий 4Не. Жидкий 4Не, который впервые был получен в 1908, имеет температур у кипения 4,2 К (нуль абсолютной термодинамической шкалы соответствует те мпературе – 273,16° С). Откачивая пар над поверхностью жидкого гелия, можно по низить температуру жидкости примерно до 1 К. В 1930 ученые обратили внимание на то, что при охлаждении жидкого гелия ниже 2,17 К резко меняются многие ег о свойства. Наиболее заметным изменением является прекращение кипения, указывающее на резкое увеличение теплопроводности. Теплоемкость тож е резко увеличивается, а вязкость, измеренная в тонких капиллярных трубк ах, падает до нуля. Все это показывает, что в жидком 4Не при температуре ниж е 2,17 К происходит фазовый переход в сверхтекучее состояние. Двухжидкост ная модель. В 1940– 1941 физики Л.Ландау и Л.Тиса независимо друг от друга предло жили теоретическую модель сверхтекучего гелия. Ниже 2,17 К жидкий гелий рас сматривается как смесь двух жидкостей: нормальной и сверхтекучей. Норма льная жидкость имеет свойства обычной вязкой жидкости. Сверхтекучая ж е компонента имеет нулевую вязкость, а также нулевую энтропию и энтальпи ю. Чуть ниже температуры перехода 2,17 К большую часть жидкости составляет нормальная компонента, а сверхтекучая – только малую часть. При дальней шем охлаждении жидкости сверхтекучей фракции становится все больше, и н иже 1 К жидкость почти полностью оказывается сверхтекучей. На основе так ой модели предсказан новый тип звуковых волн (второй звук), которые могут распространяться в сверхтекучей жидкости. Второй звук – это волна темп ературы, которая регистрируется при помощи термометра (обычные звуковы е волны – это волны давления, которые детектируются микрофоном). Экспе риментальное наблюдение второго звука (Москва, 1944) подтвердило многие асп екты двухжидкостной модели. Фонтанный эффект. Свойства течения сверхт екучей компоненты необычны, потому что такое течение может быть вызвано не только разностью давлений, но и разностью температур (обычная жидкост ь течет только вследствие разности давлений). Если погрузить в жидкий ге лий электронагреватель, то сверхтекучая компонента потечет к нагревае мой области, а нормальная – к холодной в соответствии с законом сохране ния масс. На этом основан впечатляющий эффект, называемый фонтанным. Кон ец тонкой трубки, набитой очень мелким порошком, опускают в жидкий гелий. Если с помощью электронагревателя нагревать жидкость в трубке, то сверх текучая компонента потечет внутри трубки, а нормальная вязкая жидкость не сможет течь из-за сопротивления, создаваемого порошком. В результате уровень жидкости внутри трубки повышается и, если продолжать нагрев, жид кость будет бить фонтаном из верхнего конца трубки. Эффект весьма значит елен: разность температур в несколько сотых кельвина может создать фонт ан до метра высотой. Квантовые эффекты. Необычные свойства сверхтекуче й компоненты объясняются тем, что большая часть атомов гелия движется ко герентной группой, а не независимо, как атомы любого другого вещества. На ибольшее впечатление эти квантовые эффекты производят, если привести в о вращение контейнер с жидким гелием. Вместо того чтобы вращаться вместе с контейнером, как обычная жидкость, сверхтекучая жидкость превращаетс я в сплетение мелких водоворотов, которые называются квантованными вих рями. Картина течения в каждом таком вихре подобна картине течения в сме рче, но в гелии скорость потока определяется постоянной Планка, фундамен тальной константой квантовой механики. Существование этих квантованны х вихрей во вращающемся гелии было предсказано в 1950 Л.Онсагером и Р.Фейнма ном и подтверждено множеством экспериментов. В 1974 были получены первые фо тографии квантованных вихрей. Это оказалось возможным благодаря захв ату электронов ядром вихря (подобно тому как камни и обломки втягиваются в центр смерча). Захваченные электроны, создающие изображение на люмино форном экране, отмечают положение каждого вихря и наглядно свидетельст вуют о макроскопической квантовой природе сверхтекучей жидкости. Фаз овые переходы в сверхтекучей жидкости. Уменьшение плотности сверхтеку чей жидкости до нуля при температуре 2,17 К и острый пик теплоемкости в этой же точке указывают на то, что при переходе сверхтекучей жидкости в норма льную происходит термодинамический фазовый переход. В своих ранних ста тьях Онсагер и Фейнман высказывали мнение, что механизм квантованных в ихрей может лежать в основе этого фазового перехода, но ни тот, ни другой н е проводил расчетов, чтобы подтвердить свою догадку. Только в 1987 математи ческая теория фазового перехода показала, что их мысль была верна. В это й теории увеличение тепловой энергии жидкости приводит к образованию в ихревых витков, подобных кольцам дыма, которые пускают курильщики. При т емпературе значительно ниже 2,17 К возбуждаются только очень малые вихри, д иаметром в несколько ангстрем. Эти вихри, соответствующие нормальной ко мпоненте двухжидкостной модели Ландау, оказывают сопротивление сверхт екучей жидкости, но, будучи очень малыми, они лишь частично уменьшают ее п лотность. При повышении температуры образуются вихри все больших и боль ших размеров. При 2,17 К вихри приобретают размеры, ограниченные только раз мерами сосуда; это приводит к тому, что плотность сверхтекучей жидкости обращается в нуль и гелий становится нормальной жидкостью. Сверхтекуч ий 3Не. Редкий изотоп 3Не начали исследовать лишь в 1949. В первых эксперимент ах 3Не не был сверхтекучим при температурах выше 1 К. Однако физики-теоре тики предсказывали, что эта жидкость может стать сверхтекучей, если ее о хладить до температур ниже 1 К. Благодаря достижениям техники низких тем ператур группе ученых из Корнеллского университета удалось охладить ж идкий 3Не до температур ниже 0,003 К и обнаружить фазовый переход в жидкости. Последующие измерения подтвердили, что жидкий 3Не становится сверхтеку чим при охлаждении до сверхнизких температур. Многие свойства сверхте кучего 3Не весьма отличны от свойств 4Не. В 3Не сверхтекучая жидкость состо ит из пар атомов 3Не, связанных силами взаимного притяжения. Это похоже на ситуацию в металлических сверхпроводниках, сверхпроводимость которых обусловлена образованием связанных пар электронов. Еще одно различие с остоит в том, что атомы 3Не имеют магнитный момент, а атомы 4Не – нет. Это оз начает, что на сверхтекучий 3Не должны действовать внешние магнитные пол я. Дальнейшие исследования сделают более понятной квантовую природу св ерхтекучести. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ, cостояние, в которое при низкой темпе ратуре переходят некоторые твердые электропроводящие вещества. Сверхп роводимость была обнаружена во многих металлах и сплавах и в некоторых п олупроводниковых и керамических материалах, число которых все возраст ает. Два из наиболее удивительных явлений, которые наблюдаются в сверхпр оводящем состоянии вещества, – исчезновение электрического сопротивл ения в сверхпроводнике и выталкивание магнитного потока из его объема. П ервый эффект интерпретировался ранними исследователями как свидетель ство бесконечно большой электрической проводимости, откуда и произошл о название сверхпроводимость. Исчезновение электрического сопротивл ения может быть продемонстрировано возбуждением электрического тока в кольце из сверхпроводящего материала. Если кольцо охладить до нужной температуры, то ток в кольце будет существовать неограниченно долго даж е после удаления вызвавшего его источника тока. Магнитный поток – это с овокупность магнитных силовых линий, образующих магнитное поле. Пока на пряженность поля ниже некоторого критического значения, поток выталки вается из сверхпроводника. Твердое тело, проводящее электрический ток, п редставляет собой кристаллическую решетку, в которой могут двигаться э лектроны. Решетку образуют атомы, расположенные в геометрически правил ьном порядке, а движущиеся электроны – это электроны с внешних оболочек атомов. Поскольку поток электронов и есть электрический ток, эти электр оны называются электронами проводимости. Если проводник находится в но рмальном (несверхпроводящем) состоянии, то каждый электрон движется нез ависимо от других. Способность любого электрона перемещаться и, следова тельно, поддерживать электрический ток ограничивается его столкновени ями с решеткой, а также с атомами примесей в твердом теле. Чтобы в проводни ке существовал ток электронов, к нему должно быть приложено напряжение; это значит, что проводник имеет электрическое сопротивление. Если же про водник находится в сверхпроводящем состоянии, то электроны проводимос ти объединяются в единое макроскопически упорядоченное состояние, в ко тором они ведут себя уже как «коллектив»; на внешнее воздействие реагиру ет также весь «коллектив». Столкновения между электронами и решеткой ст ановятся невозможными, и ток, однажды возникнув, будет существовать и в о тсутствие внешнего источника тока (напряжения). Сверхпроводящее состо яние возникает скачкообразно при температуре, которая называется темп ературой перехода. Выше этой температуры металл или полупроводник нахо дится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем. Температур а перехода данного вещества определяется соотношением двух «противопо ложных сил»: одна стремится упорядочить электроны, а другая – разрушить этот порядок. Например, тенденция к упорядочиванию в таких металлах, как медь, золото и серебро, столь мала, что эти элементы не становятся сверхпр оводниками даже при температуре, лежащей лишь на несколько миллионных к ельвина выше абсолютного нуля. Абсолютный нуль (0 К, – 273,16° С) – это нижняя граница температуры, при которой вещество теряет все свое тепло. Сверхпр оводящее состояние физики называют макроскопическим квантово-механич еским состоянием. Квантовая механика, которой обычно пользуются для опи сания поведения вещества в микроскопическом масштабе, здесь применяет ся в макроскопическом масштабе. Именно то обстоятельство, что квантова я механика здесь позволяет объяснить макроскопические свойства вещест ва, и делает сверхпроводимость столь интересным явлением. О бнаружено новое состояние вещества: Бозе-Эйнштейновский конденсат Лазерный луч отличается от света, испус каемого обычной лампочкой по нескольким параметрам. В лазере все светов ые частицы имеют одинаковую энергию и колеблются вместе (излучение коге рентно и монохроматично). Заставить вещество вести себя подобным контр олируемым образом долгое время являлось задачей для исследователей. Но белевские лауреаты этого года добились успеха: они заставили атомы "петь в унисон", открыв таким образом новое состояние вещества - Бозе-Эйнштейно вский конденсат (BEC). В 1924 г. индийский физик Бозе сделал важные теоретическ ие расчеты, касающиеся частиц света. Он послал свои результаты Эйнштейну , который расширил теорию на атомы определенного типа. Эйнштейн предсказ ал, что если газ из таких атомов будет охлажден до очень низкой температу ры, все атомы внезапно окажутся в состоянии с наименьшей возможной энерг ией. Процесс похож на образование капель жидкости из газа, поэтому он и бы л назван конденсацией. Должно было пройти 70 лет, прежде чем в 1995 г. Нобелевс ким лауреатам удалось получить вещество в этом экстремальном состояни и. Корнелл и Виман получили чистый конденсат из около 2000 атомов рубидия пр и температуре 20 нанокельвинов, то есть 0.00000002 градуса выше абсолютного нуля. Независимо от работы Корнелла и Вимана, Кеттерле осуществил соответст вующие эксперименты с атомами натрия. Конденсат, который ему удалось пол учить, содержал большее количество атомов и мог использоваться для даль нейшего исследования этого явления. Используя два отдельных конденсат а, которые имели возможность расширяться один в другой, он получил четку ю интерференционную картину. Подобную картину образуют волны на воде, ес ли одновременно бросить в воду два камня. Эксперимент показал, что повед ение атомов в конденсате полностью согласовано. Кеттерле также получил маленькие "капли конденсата", падающие под действием силы тяжести. Это м ожно рассматривать как примитивный "лазерный луч", использующий веществ о вместо света. Представляют интерес предположения о сферах применени я BEC. Новый способ "контроля" за веществом с помощью этой технологии может найти революционные применения в таких областях, как прецизионные изме рения и нанотехнология. Управление бозе-эйнштейновским конденсатом Группой исследователей из Германии под руководством J.Reichel разработана ме тодика получения бозе-эйнштейновского конденсата на плоской поверхнос ти и перемещения его вдоль поверхности с помощью электрических полей. На диэлектрическую подложку литографическим способом были нанесены два параллельных золотых проводника шириной 50 мкм. На поверхность этого уст ройства, называемого чипом, из обычной магнитооптической ловушки посту пали атомы рубидия. Магнитное поле тока, текущего через проводники чипа, создавало микроловушку, в которой атомы рубидия охлаждались переменны м электромагнитным полем до состояния бозе-эйнштейновского конденсата . Путем пропускания через проводники электрических импульсов удавалос ь перемещать конденсат вдоль поверхности чипа на расстояния до 1,6 мм. Оказ алось, что близость конденсата к поверхности не нарушает когерентности состояний атомов, хотя ранее считалось, что в таких условиях когерентнос ть должна разрушиться. 9 октября 2001 г. Шведская Королевская Академия Наук решила присудить Нобелевскую Премию по физике 2001 года "за достижение Бозе-Эйнштейновской конденсации в разреженных газах щел очных элементов, и за ранние фундаментальные исследования свойств конд енсатов".
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
- Батя посмотрел фильм про бокс. Отмудохал меня и брата.
- Молись, чтобы он порнуху не посмотрел!
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, реферат по физике "Бозе-Эйнштейновский конденсат", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru