Получение низких температур

Область существования жидкого состояния ограничена критической точкой со стороны высоких и точкой отвердевания со стороны низких температур (последняя зависит от давления). Изменения свойств жидкостей при переходе к низким температурам (близким к точке отвердевания) сводятся к росту коэффициента поверхностного натяжения и к сильному увеличению коэффициента внутреннего трения. У некоторых веществ рост вязкости приводит даже к тому, что жидкость приобретает некоторые признаки твердого тела и прежде всего способность сохранять не только объем, но и форму.

Как уже упоминалось, при самых низких температурах наблюдаются некоторые специфические квантовые явления, которые нельзя считать результатом постепенного изменения свойств вещества с понижением температуры. Явления эти возникают скачком при вполне определенной температуре и не имеют аналогов при высоких температурах. Мы имеем в виду явление сверхпроводимости и сверхтекучести. Первое из них заключается в скачкообразном исчезновении электрического сопротивления в металлах и наблюдается у довольно большого числа чистых металлов и сплавов. Второе относится одному-единственному в природе веществу – жидкому гелию.[2]

Получение низких температур, от 200 К и ниже, имеет огромное значение для лабораторных исследований свойств веществ и для некоторых промышленных целей. Температуру 195 К дает твердая углекислота, кипящий жидкий азот имеет температуру 78 К, кипящий водород 20 К, кипящий гелий 4,19 К. При понижении давления над кипящей жидкостью каждая из этих температур может быть еще понижена. Наибольший интерес представляет получение сверхнизких температур, лежащих ниже температуры кипения гелия. Путем уменьшения давления над гелием можно достигнуть температуры 0,72 К, но это уже предел для данного метода.

Сверхнизкие температуры порядка 0,001 К можно получить, используя метод адиабатного размагничивания. Этот метод основан на зависимости энтропии парамагнитной соли от напряженности магнитного поля, в которое помещен образец. TS-диаграмма такой соли при отсутствии магнитного поля и при его наложении показана на рисунке 1. При наложении магнитного поля парамагнитные ионы таких солей, как, например, хромокалиевые или железоаммониевые квасцы, ориентируются полем подобно тому, как ориентируются магнитные компасные стрелки в поле Земли. Так как энтропия есть мера неупорядоченности, то всякое упорядочение приводит к уменьшению энтропии. Поэтому энтропия при наличии достаточно большого магнитного поля, достигающего 10-15000 а/см, будет значительно меньше, чем в отсутствии поля, как это видно на рисунке 1. Если при некоторой достаточно низкой температуре, полученной в гелиевом испарителе, на образец наложить магнитное поле, то энтропия вследствие упорядочения спинов магнитных моментов электронов уменьшится, и этот процесс изобразится линией аб. При хорошем тепловом контакте соли и гелия процесс будет изотермическим. Так как , то намагничивание происходит с выделением теплоты солью, которая передается гелию. Если теперь устранить тепловой контакт соли и гелия, создав тем самым условие адиабатности, и выключить магнитное поле, то процесс пойдет по линии бв. Действительно, при адиабатном процессе энтропия не меняется. точке в, характеризующей конечное состояние процесса, соответствует очень низкая температура, порядка сотых и тысячных долей градуса по абсолютной шкале. Если при наложении магнитного поля парамагнитные ионы получили параллельную ориентацию, т.е. произошло упорядочение, что вызвало понижение энтропии, то при снятии магнитного поля ионы опять ориентируются беспорядочно, что дает увеличение энтропии ионов. Но поскольку общая энтропия соли при адиабатном процессе не меняется, то должна уменьшится энтропия, связанная с тепловыми колебаниями кристаллической решетки соли, что приводит к понижению температуры. Вследствие неполной адиабатности процесса бв конечное состояние соли будет характеризоваться не точкой в, а точкой г, лежащей несколько выше на кривой энтропии нулевого поля.

Тепловой эффект адиабатного охлаждения весьма велик. Используя для адиабатного размагничивания всего лишь несколько граммов квасцов, можно понизить температуру нескольких килограммов диамагнитного вещества с 1 К до сверхнизких температур порядка 10^-3 К.

Используя рассмотренный принцип, Доунт построил периодически действующую магнитную холодильную машину, работающую по циклу Карно и понижающую температуру с 1 К до 0,25 К. Используя более сложный процесс адиабатного размагничивания системы атомных ядер, обладающих магнитными моментами (ядерных спинов), моно получить температуры порядка 10^-5 – 10^-6 К. Этот метод может дать еще большее понижение температуры до 10^-7 К.

Большие трудности представляет измерение сверхнизких температур. Температуры от нескольких градусов абсолютной шкалы и выше можно измерять термометрами сопротивления и термопарами. Сверхнизкие температуры обычно измеряются путем определения парамагнитной восприимчивости, зависящей от температуры.[4]