Температура - Смородинский Я.А.
Скачать (прямая ссылка):
Чтобы ответить на этот вопрос, надо привлечь на помощь энтропию. Энтропия
спинов должна возрастать; это значит, что должен возникнуть поток тепла
от решетки (колебаний атомов), которая находится в тепловом равновесии, к
спинам, спины возвратятся в хаотическое состояние, а колебания атомов
несколько затухнут.
Это означает, что кристалл охладился. Так следует из теории. На рис. 28
схематически изображено, как
112
изменяются температура и энтропия в такой системе. Верхняя кривая
описывает зависимость энтропии кристалла от температуры, когда величина
поля равна нулю; нижняя кривая - ту же зависимость при включенном внешнем
поле. Когда поле быстро включают, так что его энтропия не изменяется (это
и называется адиабатическим размагничиванием), то температура падает,
поскольку точки с одинаковым значением S лежат на разных кривых при
разных Т. Опыты подтвердили предсказания. Можно ли было придумать такой
способ охлаждения, если бы ие знать тонкости теории?
Метод магнитного охлаждения был предложен в 1926 г. Джиоком в США и
независимо (даже несколькими неделями раньше) Дебаем в Германии. Этим
методом были достигнуты температуры примерно до 0,003 К. Более низких
температур получить таким способом не удается, так как спины перестают
двигаться свободно; их упорядоченность (все смотрят в одну сторону),
возникающая из-за взаимодействия между ними (как между стрелками
компасов, расположенных друг около друга), не разрушается слабым тепловым
движением атомов.
Можно спуститься по температурной шкале еще ниже, если использовать очень
большие магнитные поля - в десятки тысяч эрстед. В таких полях
можноориентиро-вать магнитные моменты ядер и повторять все операции с
ядрами.
В 1956 г. Симон достиг таким способом температуры 0,000016 К. К
сожалению, этот рекорд не вполне реален. Ядра очень слабо взаимодействуют
с электронами (такое взаимодействие в спектроскопии называют
сверхтонким), и им почти невозможно получить от решетки энтропию. Ядра на
самом деле медленно нагреваются, а температура решетки не падает -
решетка успевает восполнить потерянное тепло из окружающей среды
(несмотря на всяческие ухищрения экспериментаторов). Путь в область
милликельвинов (тысячных градуса) казался закрытым. Как охладить до 0,001
К и ниже не иллюзорную систему спинов, а кусок вещества?
Оказалось, возможно и это!
Растворение соли понижает температуру раствора. Этот простой и хорошо
известный эффект помог физикам. Оказалось, что если растворять газ гелий
с атомным весом 3 (гелий-3) в обычном жидком гелии, то температура
раствора понижается. Так получают температуру до 0,001 К.
113
Но есть более хитрый способ; его придумал И. Поме-ранчук. Способ этот
тоже связан с гелием-3.
Чтобы понять, в чем состоит этот метод, надо нарисовать кривые энтропии
двух фаз гелия-3 - твердого и жидкого - вблизи абсолютного куля (рис.
29). Согласно квантовой механике, при абсолютном куле все системы
находятся в своем наиниз-шем состоянии и энтропия такого состояния равна
нулю *) - энергия же минимальная. При этом, что очень важно, энтропия
обеих фаз - жидкости и твердого тела - при Т = О одинакова, переход из
одной фазы в другую происходит без изменения энтропии, без изменения
энергии. Это свойство было постулировано Нернстом и является одной из
формулировок третьего начала термодинамики.
Для метода Померан-чука важно, что кривые расположены так, что энтропия
твердой фазы больше энтропии жидкой фазы. Если бы кривые расположились
иначе, метода не существовало бы.
Суть метода можно понять из рисунка. Если вести процесс охлаждения,
адиабатически сжимая жидкость и переводя ее в твердую фазу, то, как это
видно из рисунка, температура гелия-3 будет понижаться. Так получена
сейчас температура около 1 мК. При 2 мК жидкий гелий-3 становится,
подобно гелию-4, сверхтекучим, и в этой области сейчас открылся
необычайно сложный и интересный мир физических явлений. Их описание, к
сожалению, уже выходит за рамки нашей темы.
Внешне метод Померанчука похож на магнитное охлаждение. В
действительности эта аналогия даже более
Рис. 29. Энтропия Не3 в жидкой и твердой фазах.
*) Точнее, она обращается в постоянную, одинаковую для обеих фаз.
Сравнение абсолютных значений энтропии разных веществ, не превращающихся
одно в другое, не имеет смысла.
114
глубокая. Весь эффект связан с тем, что ядра гелия-3 имеют спин (ядра
обычного гелия-4 спина не имеют). В жидком гелии-3 спины при очень низких
температурах упорядочиваются, выстраиваются параллельно друг другу. В
твердом гелии-3 эти же спины "раскиданы" в беспорядке вплоть до
температуры около 0,003 К. Переход из жидкого состояния в твердое похож
поэтому ка адиабатическое выключение магнитного поля (спины
разбрасываются), а обратный переход - это намагничивание. Энтропия
твердой фазы (при той же температуре) больше энтропии жидкости из-за
спинов. На самом деле картина расположения спинов в твердом гелии-3 более
