Hamish Johnston vélemények Szuperfolyadék: Hogyan forradalmasította a kvantumfolyadék a modern tudományt írta John Weisend
A kvantummechanika hatásai körülöttünk vannak, de az anyag kvantumtulajdonságai általában csak mikroszkopikus szinten látszanak. Ez alól kivételt képez a szuperfolyékony hélium, és néhány furcsa tulajdonsága szabad szemmel is látható. Mint John Weisend – egy mérnök a Európai telepítési forrás és a Lund Egyetem – magyarázza könyvében szuperfolyadék, ezek a tulajdonságok tették ezt a különleges anyagot számos élvonalbeli technológia lényeges alkotóelemévé. Korántsem tudományos érdekesség, a szuperfolyékony héliumot ma több tonnás mennyiségben használják a kutatók és mérnökök.
Könyvében, amelyet szívesen olvastam, Weisend feltárja, hogy a szuperfolyékony hélium milyen fontos szerepet játszott az elmúlt 100 év legfontosabb tudományos áttöréseiben. Ezek közé tartozik a Higgs-bozon felfedezése is CERN és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás inhomogenitásai – mindkettő fizikai Nobel-díjhoz vezetett.
Míg szuperfolyadék A nem fizikusokat célozza meg, azt tapasztaltam, hogy sok minden érdekelt, mint a sűrítettanyag-fizika múltjával. Valójában a Weisend jóval túlmutat a fizikán, és világos és tömör leírást ad arról, hogy a mérnökök hogyan használják fel a szuperfolyékony héliumot tudományos kísérletekben. A könyvet eredeti műszaki rajzokkal illusztrálták, ami meleg és történelmi hangulatot kölcsönöz neki.
A folyékony hélium és a kriogenika születése
A szuperfolyékony hélium-4 (más néven folyékony hélium II) furcsa tulajdonságai a héliumatomok hullámfüggvényeinek szimmetriáját szabályozó kvantumszabályokból fakadnak. Az elektronok, amelyek fermionok, nem foglalhatják el ugyanazt a kvantumállapotot, de ez nem igaz a hélium-4 atomokra. Körülbelül 2 K alá hűtve az atomok nagy része elfoglalhatja a legalacsonyabb energiájú (alapállapotot).
Amikor ez megtörténik, az atomok szuperfolyadékot képeznek. A szuperfolyadékok felfelé és nagyon kis nyílásokon keresztül áramolhatnak, nagyon hatékonyan vezetik a hőt, és nem forrnak fel, mint a hagyományos folyadékok. Weisend elmagyarázza, hogy ezek a tulajdonságok rendkívül hasznossá teszik a hélium II-t a dolgok nagyon alacsony hőmérsékletre történő hűtésében.
A könyvet eredeti műszaki rajzokkal illusztrálták, ami meleg és történelmi hangulatot kölcsönöz neki
szuperfolyadék század végén kezdődik az olyan gázok cseppfolyósításáért folyó versenyfutással, mint az oxigén, a nitrogén és a hidrogén – ez a verseny hozta létre a kriogenika modern területét. A hélium kihívásnak bizonyult, mert 19 K-es forráspontja sokkal alacsonyabb, mint más gázok. Ezenkívül a héliumot csak 4.2-ben izolálták a Földön, és egészen 1895-ig hiánycikk volt, amikor is megtalálták a földgázban.
Ám az áttörés 1908-ban következett be, amikor Heike Kamerlingh Onnes holland fizikus volt az első, aki cseppfolyósította a héliumot. Onnes ezt követően különböző anyagok lehűtésére és tulajdonságaik mérésére használta fel eredményeit, ami 1911-ben a szupravezetés felfedezéséhez vezetett. Kriogenikai munkájáért 1913-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat.
Thomas Kuhn: új betekintések egy forradalmi tudományfilozófusba
A szuperfolyékonyságra utaló jeleket Onnes észlelhetett, amikor bizonyítékot látott a folyékony héliumban az anyag lehűlése közben bekövetkező fázisátalakulásra. A kezdeti kísérleti siker ellenére azonban nehéz volt a hélium cseppfolyósítása egészen az 1930-as évekig, amikor először megmérték a nulla viszkozitás szuperfolyékony tulajdonságát. Ezt Piotr Kapitza szovjet fizikus és egymástól függetlenül Jack Allen és Don Misener kanadai kutatók is megtették. Egy olyan lépést, amelyet egyes kanadai fizikusok, köztük ez a recenzens sem bocsátottak meg, egyedül Kapitza kapott 1978-ban a fizikai Nobel-díjat a felfedezésért.
A hélium II egyik leglenyűgözőbb aspektusa, hogy számos egyedi és hasznos tulajdonsága megérthető egy viszonylag egyszerű modell segítségével, amely azt írja le, hogy szuperfolyékony és normál folyadék komponenseket tartalmaz. Ezt a kétfolyadékos modellt az 1930-as évek végén fejlesztette ki a német származású Fritz London és a magyar Tisza László, és rendkívül jól elmagyarázza, hogyan továbbítja a hőt és a tömeget a hélium II – és Weisend is remekül leírja a kettőt. -fluid modell a könyvében.
A hélium II teljes körű kvantummechanikai leírását Lev Landau szovjet elméleti fizikus dolgozta ki 1941-ben, amiért 1962-ben Nobel-díjat kapott. Weisend az elméletet nehezen érthetőnek írja le, és bölcsen nem kísérel meg mélyreható magyarázatot. könyvében.
Hűvös
Míg a fizikusok már az 1940-es években jól megértették a hélium II-t, az anyag egyedülálló tulajdonságait csak az 1960-as években kezdték kiaknázni a tudósok és mérnökök – Weisend pedig sokat foglalkozik vele. szuperfolyadék ezekhez az alkalmazásokhoz. Kifejti, hogy a hélium II két leghasznosabb tulajdonsága a nagyon alacsony hőmérséklet és a nagyon magas hővezetés, ez utóbbi egy egyedülálló jelenség, az úgynevezett „belső konvekció” következménye.
Amikor a hélium II hőmérsékleti gradiensben van, a folyadék normál komponense eltávolodik a forró tartománytól, míg a szuperfolyékony komponens felé. Weisend elmagyarázza, hogy ez az eljárás hihetetlen hővezetővé teszi a hélium II-t – közel 1000-szer hatékonyabb a hő eltávolításában, mint a réz. A belső konvekció másik előnye, hogy a hő olyan gyorsan szállítódik, hogy a hélium II-ben nem képződhetnek buborékok a melegedés során, így nem áll fenn a robbanásveszélyes forrás.
Különös kvantumtulajdonságai ellenére a hélium II nagy csövekben áramlik, hasonlóan egy normál folyadékhoz, így viszonylag egyszerű a kezelése. A szuperfolyékony komponens azonban nagyon könnyen áthatol az apró pórusokon, míg a normál folyadék nem. Az eredmény a „szökőkút-effektus”, amellyel a hélium II szivattyúzható mechanikai eszközök nélkül.
Ennek eredménye az, hogy a hélium-II nagyon hatékonyan képes az anyagok széles skáláját olyan hőmérsékletre hűteni, amelyen azok szupravezetővé válnak. A szupravezetők felmelegedés nélkül képesek nagy elektromos áramot szállítani, Weisend pedig a hélium II-vel hűtött szupravezetők két nagyon gyümölcsöző alkalmazását vizsgálja könyvében.
A földalattitól a világűrig
Elsőként a szupravezető rádiófrekvenciás (SRF) üreg jelent meg, amelyet az 1960-as években fejlesztettek ki a töltött részecskék felgyorsítására. Az SRF üreg lényegében egy kamra egy szupravezető csőben, amely rezonál egy RF jelre. Ahogy az RF energiát az üregbe pumpálják, hatalmas oszcilláló elektromos tér jön létre a cső mentén. Ha egy töltött részecskét a megfelelő időben juttatunk az üregbe, az felgyorsul. Valójában több különböző üreg összekapcsolásával nagyon nagy gyorsulások érhetők el.
A Hélium II nagyon hatékonyan képes az anyagok széles skáláját olyan hőmérsékletre hűteni, amelyen szupravezetővé válnak
Weisend elmagyarázza, hogyan történt az SRF-ekkel kapcsolatos úttörő munka Stanford Egyetem az Egyesült Államokban, ahol az 1960-as években megépült a Stanford Superconducting Accelerator. A könyv azt is leírja, hogy az 1980-as években a tudósok hogyan építették a Folyamatos elektronsugaras gyorsító berendezés (CEBAF) az Egyesült Államokban elkerülte a szobahőmérsékletű gyorsítási sémát, és megkockáztatta a hélium II-es hűtésű SRF-eket. Az 1990-es években a Tera Electron Volt Energy szupravezető lineáris gyorsító A (TESLA) projekt a németországi DESY-nél vezetett SRF-ek kifejlesztéséhez egy International Linear Collider (ILC) számára, amely a Large Hadron Collider (LHC) utódja lehet.
Időközben sok más laboratórium is alkalmazta a hélium II-vel hűtött SRF-eket, köztük a CERN. A CERN-ben az SRF-ek hűtése mellett az LHC mágneseit hélium II segítségével hűtik. Weisend rámutat arra, hogy a CERN-ben és más laboratóriumokban használt mágneses hűtési technológia egy egészen más alkalmazáshoz vezetett úttörőként, egy mágnesesen zárt hidrogénplazmában magfúzió létrehozására. Ezt a Tore Supra-nál tették, amely egy francia tokamak volt, amely 1988 és 2010 között működött, és azóta frissítették és átnevezték. NYUGAT. A tokamak Cadarache-ban található, ahol jelenleg az ITER fúziós energia demonstrátorát építik mágnesekkel, amelyeket normál folyékony hélium hűt majd, nem pedig hélium II.
A szuperfolyadék olyan, mint egy hővezető felület, amely körülveszi az üres belső teret
Egy másik szuperfolyékony mérnöki teljesítmény, amellyel a Weisend részletesen foglalkozik, az Infravörös csillagászati műhold (IRAS), amelyet 1983-ban indítottak útjára, és ez volt a hélium II első jelentős felhasználása az űrben. Weisend elmagyarázza, hogyan küzdöttek le az IRAS tervezői a jelentős kihívásokkal, beleértve a héliumgőz szellőztetésének módját, amikor az alacsony gravitációs környezetben folyadékfoltokkal keveredik.
Az IRAS 300 napig szuperfolyékony hűtést tartott fenn, miközben számos infravörös objektumot fedezett fel. Sikere inspirálta a jövőbeni hélium II-t használó küldetéseket, köztük a Cosmic Background Explorer (COBE)-t. Ez 1989-ben indult, és 2006-ban George Smoot és John Mather fizikai Nobel-díjat kapott a kozmikus mikrohullámú háttér anizotrópiájának felfedezéséért.
A hélium II múltjának és jelenének pillantása mellett, szuperfolyadék a jövőbe tekint. Weisend rámutat, hogy a hélium II korszaka az űrben valószínűleg véget ért, mert olyan mechanikus hűtőket fejlesztettek ki, amelyek nagyon alacsony hőmérsékletet képesek elérni. Röviden érinti a másik hélium-szuperfolyadékot, a hélium-3-at is, és azt, hogy hogyan használható a hélium II-vel együtt dolgok nagyon alacsony hőmérsékletre történő hűtésére egy hígítós hűtőszekrényben.
Bár lehet, hogy már nem bocsátunk ki szuperfluidokat az űrbe, Weisend világossá teszi, hogy számos jövőbeni alkalmazás létezik itt a Földön. Valójában a hélium-II-hűtéses fúziós erőművek segíthetnek a gazdaság szén-dioxid-mentesítésében, a következő generációs gyorsítók pedig hamarosan a standard modellen túlmutató fizikát is megmutathatnak.
- 2023 Springer 150 oldal 29.99 USD
- SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
- PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
- PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
- Forrás: https://physicsworld.com/a/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics/
- :van
- :is
- :nem
- :ahol
- $ UP
- 100
- 160
- 19th
- 2006
- 300
- 67
- a
- Rólunk
- gyorsul
- felgyorsult
- gyorsulás
- gázpedál
- gyorsítók
- elért
- célzó
- Minden termék
- Allen
- mentén
- Is
- an
- és a
- Másik
- bármilyen
- Már
- látszólagos
- Alkalmazás
- alkalmazások
- VANNAK
- felmerülhet
- körül
- művész
- AS
- szempontok
- At
- kísérlet
- Díjazott
- el
- Hátgerinc
- háttér
- BE
- Gerenda
- lett
- mert
- válik
- óta
- kezdődött
- elkezdődik
- hogy
- lent
- haszon
- Túl
- születés
- könyv
- bozon
- mindkét
- áttörés
- áttörések
- tömören
- Törött
- Épület
- épült
- de
- by
- hívott
- jött
- TUD
- Kanadai
- nem tud
- visz
- Század
- kihívás
- kihívások
- Kamra
- esély
- jellemzők
- töltött
- világos
- összetevő
- alkatrészek
- tömör
- Magatartás
- összefüggő
- hagyományos
- Hűvös
- Réz
- tudott
- Covers
- teremt
- készítette
- kíváncsiság
- kíváncsi
- Jelenleg
- élvonalbeli
- VESZÉLY
- Nap
- széntelenít
- leírt
- körülír
- leíró
- leírás
- tervezők
- Ellenére
- részlet
- Fejleszt
- fejlett
- fejlesztése
- Fejlesztés
- különböző
- nehéz
- hígítás
- felfedezése
- felfedezés
- nem
- Don
- csinált
- Rajzok
- hajtás
- két
- Holland
- föld
- könnyen
- gazdaság
- hatás
- hatások
- hatékony
- eredményesen
- elektromos
- elektronok
- felkarolta
- felmerül
- energia
- mérnök
- Mérnöki
- Mérnökök
- Környezet
- Ez volt
- alapvető
- lényegében
- bizonyíték
- kivétel
- kísérleti
- kísérletek
- magyarázó
- Elmagyarázza
- magyarázat
- Hasznosított
- felfedező
- feltárja
- rendkívüli
- rendkívüli módon
- szem
- messze
- elbűvölő
- tett
- Jellemzők
- érez
- mező
- megállapítások
- vezetéknév
- áramlási
- flow
- folyadék
- A
- forma
- talált
- francia
- ból ből
- gyümölcsöző
- funkciók
- Továbbá
- magfúzió
- jövő
- GAS
- általában
- György
- Németország
- Ad
- ad
- Goes
- jó
- irányító
- nagy
- Földi
- kellett
- fogantyú
- megtörténik
- Legyen
- tekintettel
- he
- fej
- hélium
- segít
- itt
- Magas
- övé
- történeti
- FORRÓ
- Hogyan
- azonban
- HTTPS
- hatalmas
- magyar
- hidrogén
- i
- if
- ii
- fontos
- in
- mélyreható
- tartalmaz
- Beleértve
- hihetetlen
- valóban
- függetlenül
- információ
- kezdetben
- meglátások
- inspirálta
- kamat
- eljáró
- belső
- Nemzetközi
- bele
- Bevezetett
- izolált
- kérdés
- IT
- ITS
- csatlakozó
- Munka
- János
- jpg
- éppen
- ismert
- Labs
- nagy
- Késő
- indított
- indítás
- Led
- szint
- mint
- lineáris
- Folyadék
- található
- London
- keres
- MEGJELENÉS
- sok
- Elő/Utó
- alacsonyabb
- legalacsonyabb
- készült
- Mágnesek
- karbantartott
- csinál
- KÉSZÍT
- sok
- Tömeg
- anyagok
- Anyag
- max-width
- Lehet..
- me
- eszközök
- intézkedés
- mechanikai
- mechanika
- mikroszkopikus
- küldetések
- vegyes
- modell
- modern
- több
- hatékonyabb
- a legtöbb
- mozog
- mozog
- sok
- titokzatos
- Nasa
- Természetes
- Natural Gas
- közel
- Új
- következő generációs
- nem
- Nóbel díj
- normális
- nukleáris
- Nukleáris fúzió
- számok
- objektumok
- of
- on
- csak
- nyílások
- hajtású
- eredeti
- Más
- ki
- felett
- Oxigén
- elhalad
- múlt
- fázis
- jelenség
- fizikus
- Fizika
- Fizika Világa
- úttörő
- úttörő
- Telephelyek (Plants)
- Vérplazma
- Plató
- Platón adatintelligencia
- PlatoData
- játszott
- pont
- hatalom
- erőművek
- be
- díj
- díjak
- valószínűleg
- folyamat
- program
- ingatlanait
- ingatlan
- bizonyított
- biztosít
- szivattyú
- Kvantum
- Kvantummechanika
- keresés
- gyorsan
- Futam
- hatótávolság
- Inkább
- el
- Olvasás
- vidék
- viszonylag
- maradt
- eltávolítása
- kutatók
- rezonál
- eredményez
- forradalmi
- forradalmasította
- jobb
- Szerep
- szabályok
- s
- azonos
- látta
- rendszer
- tudományos
- tudósok
- látott
- számos
- rövid
- Jel
- jelentős
- Egyszerű
- óta
- kicsi
- So
- néhány
- Valaki
- nemsokára
- Hely
- Személyzet
- standard
- Stanford
- Állami
- egyértelmű
- furcsa
- stílus
- anyag
- siker
- ilyen
- szupravezető
- Szupravezetés
- kínálat
- felületi
- Műszaki
- Technologies
- Technológia
- Tesla
- mint
- hogy
- A
- A jövő
- azok
- akkor
- elméleti
- elmélet
- Ott.
- termikus
- Ezek
- ők
- dolgok
- gondolkodó
- ezt
- Keresztül
- miniatűr
- idő
- alkalommal
- nak nek
- Ma
- együtt
- vett
- érintések
- felé
- átment
- átmenet
- igaz
- kettő
- földalatti
- megért
- megértés
- megértett
- egyedi
- -ig
- frissített
- us
- használ
- használt
- hasznos
- segítségével
- különféle
- nagyon
- Megnézem
- Volt
- meleg
- Melegít
- volt
- hullám
- Út..
- we
- JÓL
- amikor
- mivel
- ami
- míg
- széles
- Széleskörű
- lesz
- bölcsen
- val vel
- nélkül
- Munka
- világ
- év
- zephyrnet
- nulla