Термодинамика - Базаров И.П.
Скачать (прямая ссылка):
138 V * t I1 / *
\V/ / ч <1
-l''v Ч ( /
г ^ort г=«0
1) Si SJ
Рис. 23.
устойчиво только одно ее положение — вдоль напряженности магнитного поля. В этом состоит отличие квантовой сисіемьі от классической.
При низкой температуре молекулярные магниты устанавливаются в сильном магнитном поле, как показано на рис. 23, а, т. е. приходят в состояние с наименьшей энергией (или, как говорят, в системе заняты преимушесівенно более низкие энергетические уровни). При сообщении системе магнитов энергии (приводящей к увеличению её температуры) уже не все магниты ориен і ируются по напряженности поля, и чем большую энергию получает система, тем более беспорядочным будет распределите магнитов. Наступает такой момент, когда беспорядочность становится полной—система полностью утрачивает намагниченность. Это сооївеїсгвует температуре Т— +оо, характеризующей равномерное распределеше частиц по всем энергетическим уровням (рис. 23,6). Продолжая сообщать энергию системе, можно достигнуть тою, что элементарные магниты ориентируются против напряженности внешнего поля (рис. 23, е) так, что возникает преимущественная заселенность верхних энергетических уровней (инверсная заселенность уровней). В этом состоянии внутренняя энергия системы больше, чем при бесконечно высокой температуре, и, следовательно, система имеет отрицательную температуру.
Сформулируем основное условие. которому должна удовлетворять система, находящаяся в состоянии с любой от рица і ельной термодинамической температурой: энергия термодинамической системы должна иметь конечное предельное значение при T-* со и конечное число энергетических уровней.
Разумеется, система должна быть і еплоизолироваиа от всяких других систем, не удовлетворяющих основному условию, т. е. время установления термодинамического Рис. 24.
139 равновесия в системе должно быть малым по сравнению с временем, за которое заметная энергия теряется или приобретается от других систем.
Зависимость внутренней энергии системы, способной находиться в сосюяниях с отрицательной абсолютной температурой, от температуры показана на рис. 24 (Е,р—граничное значение энергии при Г= сс).
Большинство систем не удовлетворяет указанным выше требованиям, вследсівие чао системы с отрицательными абсолютными температурами встречаются редко. Система ядерных спинов у некоторых кристаллов удовлетворяет зі им условиям**. Термодинамическое равновесие в такой сис теме устанавливается посредством ядерного спин-спинового взаимодействия. Этот спин-спиновой процесс установления термодинамического равновесия характеризуется временем релаксации X2, которое имеет порядок 10"5 с. Взаимодействие спиновой системы с решеткой характеризуется временем релаксации Zi, которое составляет многие минуты, т. е. значительно больше X2- В термодинамике спиновых систем взаимодействие с решеткой соответствует утечке теплоты сквозь стенки системы. Значительное различие времен T1 и T2 приводит к тому, что система спинов по достижении внут реннего і ермодинамического равновесия еще относительно большое время остается в практической изоляции от решетки. В течение этого времени можно говорить о термодинамически равновесной спиновой системе.
Равновесная система с отрицательной абсолютной температурой была впервые осуществлена в 1951 г. Перселлом и Па-ундом**1 в результате экспериментов по изучению свойств системы ядерных спинов в очень чистых кристаллах фтористого лития LiF. У этих кристаллов время t1 спин-решеточной релаксации при комнатной температуре порядка 5 мин, а время X2 спин-спиновой релаксации приблизительно равно периоду ларморопской прецессии ядерного магнитного момента во внешнем магниіном поле, значение которого меньше 10' 5 с.
Во внешнем магнитном поле энергия системы ядерних спинов имеет верхнюю границу при T-*со.
Таким образом, у системы ядерных еттинов LiF в магнитном поле выполняются все условия существования равновесных состоя-
*' Особенностью этой системы частиц, облачающих спином, является отсутствие у нес пространственных степеней свободы
-"См.. Purcell Е. M., Pound R. V. The Physical Review, 81, 1951. С. 279. Подробности интерпретации работы Перселла и Паунда и обсуждение в целом вопроса об отрицательных температурах см. в статье: ІІоулз Л, Отрипаїельньїе абсолютные температуры и температуры во вращающихся сисіемах координат//УФИ 1964. T 84. Вып. 4 C'. 693; в сіаіье- Сгроишапі Г. В., Троиинин В. Н, К термодинамике спиновых систем В кн : Статистическая физика и кпанговая теория поля. M., 1973. С 280.
140 зий с отрицательной температурой. Перселл и Паунд перевели эту систему из состояния с положительной температурой в состояние ; отрицательной температурой, направив напряженность внешнего магнитного поля против ядерных магнитных моментов.
В настоящее время «приведение» спиновой системы в состояние ; отрицательной абсолютной температурой досіигается с помощью 180-градусного высокочастотного импульса, который, действуя на образец в течение промежутка времени At, сравнимою с T2, поворачивает макроскопический магнитный момент на 180°. Гаким образом, процесс перехода системы от положительных термодинамических температур к отрицательным является принципиально неравновесным, гак как изменение внешнего параметра ^напряженности поля), приводящее к такому переходу, происходит ja время, сравнимое с временем релаксации T2. Очевидно, что для необычных систем возможны случаи, когда состояния, достижимые из данного состояния нестатически, недостижимы аз него квазистатически.
