السيولة الفائقة: التأثير الكمي الغامض الذي أصبح العمود الفقري للفيزياء التجريبية – عالم الفيزياء

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics-physics-world-3.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics-physics-world-3.jpg" data-caption="غريب للغاية يمكن وصف العديد من خصائص الهيليوم 3، بما في ذلك موصليته الحرارية غير العادية، باستخدام نموذج ثنائي السوائل. (مجاملة: iStock/XNUMXquarks)">

إن تأثيرات ميكانيكا الكم موجودة في كل مكان حولنا، لكن الخصائص الكمومية للمادة تظهر بشكل عام فقط على المستوى المجهري. ويُعد الهيليوم فائق السيولة استثناءً، ويمكن رؤية بعض خصائصه الغريبة بالعين المجردة. مثل جون وايسند – مهندس في مصدر التبقع الأوروبي و جامعة لوند - يوضح في كتابه الفائقهذه الخصائص جعلت هذه المادة الغريبة مكونًا أساسيًا للعديد من التقنيات المتطورة. بعيدًا عن كونه فضولًا علميًا، يستخدم الباحثون والمهندسون الهيليوم فائق السيولة بكميات متعددة الأطنان اليوم.

في كتابه، الذي استمتعت بقراءته، يستكشف وايسند كيف لعب الهيليوم فائق السيولة دورًا مهمًا في بعض أهم الاكتشافات العلمية في المائة عام الماضية. وتشمل هذه اكتشافات بوزون هيغز في CERN وعدم التجانس في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي - وكلاهما أدى إلى جوائز نوبل في الفيزياء.

بينما الفائق موجهًا إلى غير المتخصصين في الفيزياء، فقد وجدت أن هناك الكثير مما يثير اهتمامي كشخص لديه خلفية في فيزياء المواد المكثفة. في الواقع، يذهب وايسند إلى ما هو أبعد من الفيزياء، ويقدم وصفًا واضحًا وموجزًا ​​لكيفية استخدام المهندسين للهيليوم فائق السيولة في التجارب العلمية. تم توضيح الكتاب باستخدام الرسومات الفنية الأصلية، مما يضفي عليه طابعًا دافئًا وتاريخيًا.

الهيليوم السائل وولادة علم التبريد

تنشأ الخصائص الغريبة للهليوم فائق السيولة (المعروف أيضًا باسم الهيليوم السائل II) بسبب القواعد الكمومية التي تحكم تماثل الوظائف الموجية لذرات الهيليوم. لا يمكن للإلكترونات، وهي الفرميونات، أن تشغل نفس الحالة الكمومية، لكن الأمر نفسه لا ينطبق على ذرات الهيليوم-4. عند تبريدها إلى أقل من 4 كلفن تقريبًا، يمكن لأعداد كبيرة من الذرات أن تحتل أدنى حالة طاقة (أرضية).

عندما يحدث هذا، تشكل الذرات سائلًا فائقًا. يمكن للسوائل الفائقة أن تتدفق صعودًا ومن خلال فتحات صغيرة جدًا، فهي توصل الحرارة بكفاءة عالية، ولن تغلي مثل السوائل التقليدية. يوضح وايسند أن هذه الخصائص تجعل الهيليوم II مفيدًا للغاية لتبريد الأشياء إلى درجات حرارة منخفضة جدًا.

تم توضيح الكتاب باستخدام الرسومات الفنية الأصلية، مما يضفي عليه طابعًا دافئًا وتاريخيًا

الفائق بدأ في أواخر القرن التاسع عشر مع السباق لتسييل الغازات مثل الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين - وهو السباق الذي خلق المجال الحديث لعلم التبريد الشديد. أثبت الهيليوم أنه يمثل تحديًا لأن درجة غليانه البالغة 19 كلفن أقل بكثير من الغازات الأخرى. علاوة على ذلك، لم يتم عزل الهيليوم على الأرض إلا في عام 4.2 وكان نقصًا في المعروض حتى عام 1895، عندما تم العثور عليه في الغاز الطبيعي.

ولكن حدث تقدم كبير في عام 1908 عندما أصبح الفيزيائي الهولندي هايك كامرلينج أونيس أول من قام بتسييل الهيليوم. ثم استخدم أونز النتائج التي توصل إليها لتبريد مواد مختلفة وقياس خصائصها، مما أدى إلى اكتشافه للموصلية الفائقة في عام 1911. وحصل على جائزة نوبل للفيزياء عام 1913 لأبحاثه في علم التبريد الشديد.

توماس كون: رؤى جديدة لفيلسوف ثوري للعلوم

ربما يكون أونز قد رصد تلميحات عن السيولة الفائقة عندما رأى دليلاً على تحول طوري في الهيليوم السائل مع تبريد المادة. ولكن على الرغم من هذا النجاح التجريبي الأولي، ظل من الصعب تسييل الهيليوم حتى فترة طويلة من ثلاثينيات القرن العشرين، عندما تم قياس خاصية السوائل الفائقة المتمثلة في اللزوجة الصفرية لأول مرة. وقد تم ذلك من قبل كل من الفيزيائي السوفييتي بيوتر كابيتزا وبشكل مستقل من قبل الباحثين الكنديين جاك ألين ودون ميسينر. وفي خطوة لم يغفرها بعض الفيزيائيين الكنديين، ومن بينهم هذا المراجع، حصل كابيتزا فقط على جائزة نوبل للفيزياء عام 1930 على هذا الاكتشاف.

أحد الجوانب الأكثر روعة في الهليوم II هو أنه يمكن فهم العديد من خصائصه الفريدة والمفيدة باستخدام نموذج بسيط نسبيًا يصفه بأنه يحتوي على مكونات فائقة السوائل والسوائل العادية. تم تطوير هذا النموذج ثنائي السائل في أواخر الثلاثينيات من قبل الألماني المولد فريتز لندن والمجري لازلو تيسا، وهو جيد بشكل ملحوظ في شرح كيفية نقل الحرارة والكتلة بواسطة الهيليوم الثاني - كما قام فايسند بعمل رائع في وصف الاثنين -نموذج الموائع في كتابه.

تم تطوير الوصف الميكانيكي الكمي الكامل للهيليوم II من قبل الفيزيائي النظري السوفيتي ليف لانداو في عام 1941، والذي حصل على جائزة نوبل في عام 1962. ويصف وايسند النظرية بأنها صعبة الفهم ولا يحاول بحكمة تقديم تفسير متعمق. في كتابه.

يحافظ على البرودة

في حين كان لدى الفيزيائيين فهم جيد للهيليوم 1940 بحلول الأربعينيات من القرن العشرين، لم يكن الأمر كذلك حتى الستينيات عندما بدأ العلماء والمهندسون في استغلال الخصائص الفريدة للمادة - ويخصص فايسند الكثير من الفائق لهذه التطبيقات. ويوضح أن أكثر ميزتين مفيدتين للهيليوم II هما درجة حرارته المنخفضة للغاية وتوصيله الحراري العالي جدًا، ويعود السبب الأخير إلى ظاهرة فريدة تسمى "الحمل الحراري الداخلي".

عندما يكون الهيليوم II في تدرج في درجة الحرارة، فإن المكون الطبيعي للسائل يتحرك بعيدًا عن المنطقة الساخنة، بينما يتحرك المكون فائق السيولة نحوه. يوضح وايسند أن هذه العملية تجعل من الهيليوم II موصلًا حراريًا لا يصدق، فهو أكثر كفاءة بحوالي 1000 مرة من النحاس في إزالة الحرارة. فائدة أخرى للحمل الحراري الداخلي هي أن الحرارة تنتقل بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن أن تتشكل الفقاعات في الهيليوم II أثناء تسخينه، لذلك لا يوجد خطر الغليان المتفجر.

على الرغم من خصائصه الكمومية الغريبة، فإن الهيليوم II يتدفق عبر أنابيب كبيرة مثل السائل العادي، لذلك من السهل نسبيًا التعامل معه. ومع ذلك، فإن مكون السائل الفائق يمكن أن يمر بسهولة شديدة من خلال المسام الصغيرة، في حين أن السائل العادي لا يستطيع ذلك. والنتيجة هي "تأثير النافورة"، الذي يمكن استخدامه لضخ الهيليوم II دون أي وسيلة ميكانيكية.

والنتيجة هي أن الهيليوم 2 يمكنه تبريد مجموعة واسعة من المواد بكفاءة عالية إلى درجات حرارة تصبح عندها فائقة التوصيل. يمكن للموصلات الفائقة أن تحمل تيارات كهربائية كبيرة دون تسخين، وينظر وايسيند إلى تطبيقين مثمرين للغاية للموصلات الفائقة المبردة بالهيليوم II في كتابه.

من تحت الأرض إلى الفضاء الخارجي

كان أول ما ظهر هو تجويف الترددات الراديوية فائق التوصيل (SRF)، والذي تم تطويره في الستينيات لتسريع الجسيمات المشحونة. إن تجويف SRF هو في الأساس غرفة في أنبوب فائق التوصيل يتردد صداه مع إشارة التردد اللاسلكي. عندما يتم ضخ طاقة التردد اللاسلكي في التجويف، يتم إنشاء مجال كهربائي متذبذب ضخم على طول الأنبوب. إذا تم إدخال جسيم مشحون إلى التجويف في الوقت المناسب، فسيتم تسريعه. في الواقع، عندما يتم توصيل عدة تجاويف مختلفة، يمكن تحقيق تسارعات عالية جدًا.

يستطيع الهيليوم II تبريد مجموعة واسعة من المواد بكفاءة عالية إلى درجات حرارة تصبح عندها فائقة التوصيل

يشرح Weisend كيف تم إنجاز العمل الرائد على SRFs في جامعة ستانفورد في الولايات المتحدة، حيث تم بناء معجل ستانفورد فائق التوصيل في الستينيات. ويصف الكتاب أيضًا كيف قام العلماء في الثمانينيات ببناء جهاز مرفق مسرع شعاع الإلكترون المستمر تجنبت شركة (CEBAF) في الولايات المتحدة خطة التسريع عند درجة حرارة الغرفة واغتنمت فرصة استخدام مرشحات الموجات الراديوية المبردة بالهيليوم II. في التسعينيات، تيرا إلكترون فولت مسرع خطي فائق التوصيل للطاقة قاد مشروع TESLA في DESY في ألمانيا حملة تطوير SRFs للمصادم الخطي الدولي (ILC)، والذي يمكن أن يكون خليفة لمصادم الهادرونات الكبير (LHC).

وفي غضون ذلك، تبنت العديد من المختبرات الأخرى جزيئات SRF المبردة بالهيليوم II، بما في ذلك CERN. بالإضافة إلى تبريد جزيئات SRF في CERN، يتم تبريد مغناطيسات LHC باستخدام الهيليوم II. يشير وايسند إلى أن تقنية التبريد المغناطيسي المستخدمة في CERN والمختبرات الأخرى كانت رائدة في تطبيق مختلف تمامًا، وهو السعي إلى إنشاء اندماج نووي في بلازما هيدروجين محصورة مغناطيسيًا. وقد تم ذلك في توري سوبرا، وهو توكاماك فرنسي تم تشغيله من عام 1988 إلى عام 2010 وتمت ترقيته منذ ذلك الحين وإعادة تسميته. غرب. يقع توكاماك في كاداراش، حيث يتم حاليًا بناء مفاعل الطاقة الاندماجية ITER باستخدام مغناطيسات سيتم تبريدها بواسطة الهيليوم السائل العادي، بدلاً من الهيليوم II.

يبدو السائل الفائق وكأنه سطح موصل للحرارة يحيط بجزء داخلي فارغ

أحد الإنجازات الهندسية الفائقة السوائل التي يغطيها Weisend بالتفصيل هو القمر الصناعي الفلكي بالأشعة تحت الحمراء (IRAS)، الذي تم إطلاقه عام 1983 وكان أول استخدام مهم للهيليوم XNUMX في الفضاء. يشرح ويسند كيف تغلب مصممو IRAS على تحديات كبيرة بما في ذلك تطوير طريقة لتنفيس بخار الهيليوم عندما يتم خلطه مع نقاط من السائل في بيئة منخفضة الجاذبية.

حافظ IRAS على تبريد فائق السوائل لمدة 300 يوم أثناء اكتشاف العديد من الأجسام التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء. وقد ألهم نجاحها المهمات المستقبلية التي استخدمت الهيليوم 1989، بما في ذلك مستكشف الخلفية الكونية (COBE). بدأ هذا في عام 2006، وأدى إلى حصول جورج سموت وجون ماثر على جائزة نوبل للفيزياء في عام XNUMX لاكتشافهما تباين الخلفية الكونية الميكروية.

فضلا عن النظر إلى الماضي والحاضر للهليوم الثاني، الفائق يتطلع إلى المستقبل. ويشير وايسند إلى أن عصر الهيليوم 3 في الفضاء قد انتهى على الأرجح بسبب تطور المبردات الميكانيكية التي يمكن أن تصل إلى درجات حرارة منخفضة للغاية. كما يتطرق بإيجاز إلى سائل الهيليوم الفائق الآخر، الهيليوم XNUMX، وكيف يمكن استخدامه مع الهيليوم XNUMX لتبريد الأشياء إلى درجات حرارة منخفضة جدًا في ثلاجة مخففة.

على الرغم من أننا قد لا نتمكن من إطلاق السوائل الفائقة إلى الفضاء بعد الآن، يوضح وايسيند أن هناك العديد من التطبيقات المستقبلية هنا على الأرض. في الواقع، يمكن لمحطات توليد الطاقة بالاندماج النووي المبردة بالهيليوم 2 أن تساعد في إزالة الكربون من الاقتصاد، ويمكن أن تعطينا مسرعات الجيل التالي قريبًا رؤية للفيزياء تتجاوز النموذج القياسي.

• 2023 سبرينغر 150 صفحة 29.99 دولارًا أمريكيًا

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics/