Süperakışkanlık: Deneysel fiziğin omurgası haline gelen gizemli kuantum etkisi – Fizik Dünyası

<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="Süper garip Olağanüstü termal iletkenliği de dahil olmak üzere helyum II'nin birçok özelliği, iki akışkanlı bir model kullanılarak açıklanabilir. (Nezaket: iStock/3quarks)”>

Kuantum mekaniğinin etkileri her yerdedir, ancak maddenin kuantum özellikleri genellikle yalnızca mikroskobik düzeyde belirgindir. Süperakışkan helyum bir istisnadır ve tuhaf özelliklerinden bazıları çıplak gözle görülebilir. Gibi John Weisend – şirketinde bir mühendis Avrupa spallation Kaynak ve Lund Üniversitesi – kitabında açıklıyor süperakıskanBu özellikler, bu ilginç maddeyi birçok ileri teknolojinin önemli bir bileşeni haline getirmiştir. Süperakışkan helyum, bilimsel bir merak olmaktan uzak olup günümüzde araştırmacılar ve mühendisler tarafından tonlarca miktarda kullanılmaktadır.

Weisend, okumaktan keyif aldığım kitabında süperakışkan helyumun, son 100 yılın en önemli bilimsel buluşlarından bazılarında nasıl önemli bir rol oynadığını araştırıyor. Bunlar arasında Higgs bozonunun keşifleri de yer alıyor. CERN ve kozmik mikrodalga arka plan radyasyonundaki homojensizlikler - her ikisi de fizikte Nobel ödüllerine yol açtı.

Süre süperakıskan fizikçi olmayanları hedef aldığından, yoğun madde fiziği alanında geçmişi olan biri olarak ilgimi çekecek çok şey olduğunu keşfettim. Aslına bakılırsa Weisend, fiziğin çok ötesine geçiyor ve süperakışkan helyumun mühendisler tarafından bilimsel deneylerde nasıl kullanıldığına dair açık ve kısa bir tanım sağlıyor. Kitap, orijinal teknik çizimler kullanılarak resmedilmiş, bu da ona sıcak ve tarihi bir hava katıyor.

Sıvı helyum ve kriyojeniklerin doğuşu

Süperakışkan helyum-4'ün (sıvı helyum II olarak da bilinir) garip özellikleri, helyum atomlarının dalga fonksiyonlarının simetrisini yöneten kuantum kuralları nedeniyle ortaya çıkar. Fermiyon olan elektronlar aynı kuantum durumunu işgal edemezler ancak aynı durum helyum-4 atomları için geçerli değildir. Yaklaşık 2 K'nin altına soğutulduğunda çok sayıda atom en düşük enerji (temel) durumunu işgal edebilir.

Bu olduğunda, atomlar bir süperakışkan oluşturur. Süperakışkanlar yokuş yukarı ve çok küçük açıklıklardan akabilir, ısıyı çok verimli bir şekilde iletirler ve geleneksel sıvılar gibi kaynamazlar. Weisend, bu özelliklerin helyum II'yi, nesneleri çok düşük sıcaklıklara kadar soğutmak için son derece yararlı hale getirdiğini açıklıyor.

Kitap, orijinal teknik çizimler kullanılarak resmedilmiştir, bu da ona sıcak ve tarihi bir hava katmaktadır.

süperakıskan 19. yüzyılın sonlarında, modern kriyojenik alanını yaratan, oksijen, nitrojen ve hidrojen gibi gazları sıvılaştırma yarışıyla başlıyor. Helyumun zorlu bir iş olduğu ortaya çıktı çünkü 4.2 K olan kaynama sıcaklığı diğer gazlardan çok daha düşüktü. Dahası, helyum Dünya'da yalnızca 1895'te izole edilmişti ve doğal gazda bulunduğu 1903 yılına kadar yetersiz miktarda bulunuyordu.

Ancak 1908'de Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes'in helyumu sıvılaştıran ilk kişi olmasıyla bir atılım gerçekleşti. Onnes daha sonra bulgularını çeşitli malzemeleri soğutmak ve özelliklerini ölçmek için kullandı ve bu da 1911'de süperiletkenliği keşfetmesine yol açtı. Kriyojenik alanındaki çalışmaları nedeniyle 1913 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.

Thomas Kuhn: Devrimci bir bilim felsefecisine yeni bakışlar

Onnes, madde soğudukça sıvı helyumda bir faz geçişinin kanıtını gördüğünde süper akışkanlığın ipuçlarını fark etmiş olabilir. Ancak bu ilk deneysel başarıya rağmen, sıfır viskoziteli süperakışkan özelliğinin ilk kez ölçüldüğü 1930'lara kadar helyumu sıvılaştırmak zordu. Bu hem Sovyet fizikçisi Piotr Kapitza hem de bağımsız olarak Kanadalı araştırmacılar Jack Allen ve Don Misener tarafından yapıldı. Bu eleştirmen de dahil olmak üzere bazı Kanadalı fizikçiler tarafından affedilmeyen bir hareketle, bu keşif nedeniyle yalnızca Kapitza 1978 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.

Helyum II'nin en etkileyici yönlerinden biri, onun benzersiz ve kullanışlı özelliklerinin birçoğunun, onu süperakışkan ve normal-akışkan bileşenlere sahip olarak tanımlayan nispeten basit bir model kullanılarak anlaşılabilmesidir. Bu iki akışkanlı model, 1930'ların sonlarında Almanya doğumlu Fritz London ve Macar Laszlo Tisza tarafından geliştirildi ve helyum II tarafından ısı ve kütlenin nasıl aktarıldığını açıklamakta oldukça başarılı. Weisend ayrıca bu ikisini açıklamakta da harika bir iş çıkarıyor. -akışkan modeli kitabında yer alıyor.

Helyum II'nin tam gelişmiş kuantum mekaniği tanımı, 1941'de Sovyet teorik fizikçi Lev Landau tarafından geliştirildi ve bu tanımıyla 1962'de Nobel ödülünü kazandı. Weisend teoriyi anlaşılması zor olarak tanımlıyor ve akıllıca bir şekilde derinlemesine bir açıklamaya girişmiyor. kitabında.

Sakin ol

Fizikçiler 1940'larda helyum II hakkında iyi bir anlayışa sahip olsalar da, maddenin benzersiz özelliklerinden bilim adamları ve mühendisler tarafından faydalanılmaya başlanması ancak 1960'larda gerçekleşti. süperakıskan bu uygulamalara. Helyum II'nin en kullanışlı iki özelliğinin çok düşük sıcaklığı ve çok yüksek ısı iletimi olduğunu, ikincisinin "iç konveksiyon" adı verilen benzersiz bir olaydan kaynaklandığını açıklıyor.

Helyum II bir sıcaklık gradyanında olduğunda, sıvının normal bileşeni sıcak bölgeden uzaklaşırken, süperakışkan bileşen ona doğru hareket eder. Weisend, bu sürecin helyum II'yi inanılmaz bir termal iletken haline getirdiğini, ısıyı uzaklaştırmada bakırdan neredeyse 1000 kat daha verimli olduğunu açıklıyor. İç konveksiyonun bir başka faydası da, ısının o kadar hızlı taşınmasıdır ki, ısındıkça helyum II'de kabarcıklar oluşamaz, dolayısıyla patlayıcı kaynama tehlikesi yoktur.

Tuhaf kuantum özelliklerine rağmen, helyum II büyük borulardan normal bir sıvıya benzer şekilde akar, dolayısıyla kullanımı nispeten kolaydır. Bununla birlikte, süperakışkan bileşen küçük gözeneklerden kolaylıkla geçebilirken normal sıvı geçemez. Sonuç, helyum II'yi herhangi bir mekanik araç olmadan pompalamak için kullanılabilen "çeşme etkisi" dir.

Sonuç olarak helyum II, çok çeşitli malzemeleri süper iletken hale gelecekleri sıcaklıklara kadar verimli bir şekilde soğutabiliyor. Süper iletkenler ısınmadan büyük elektrik akımlarını taşıyabilir ve Weisend kitabında helyum II soğutmalı süper iletkenlerin iki çok verimli uygulamasına bakıyor.

Yeraltından uzaya

İlk ortaya çıkan, yüklü parçacıkları hızlandırmak için 1960'larda geliştirilen süper iletken radyo frekansı (SRF) boşluğuydu. Bir SRF boşluğu, esasen, bir RF sinyaliyle rezonansa giren süper iletken bir tüp içindeki bir bölmedir. RF enerjisi boşluğa pompalanırken tüp boyunca büyük bir salınımlı elektrik alanı yaratılır. Yüklü bir parçacık boşluğa doğru zamanda gönderilirse hızlanacaktır. Aslında birkaç farklı boşluk bağlandığında çok yüksek ivmeler elde edilebilir.

Helyum II, çok çeşitli malzemeleri süper iletken hale gelecekleri sıcaklıklara kadar verimli bir şekilde soğutabilir

Weisend, SRF'ler üzerindeki öncü çalışmanın nasıl yapıldığını açıklıyor Stanford Üniversitesi Stanford Süper İletken Hızlandırıcının 1960'larda inşa edildiği ABD'de. Kitap aynı zamanda bilim adamlarının 1980'lerde nasıl inşa ettiğini de anlatıyor. Sürekli Elektron Demeti Hızlandırıcı Tesisi ABD'deki (CEBAF) oda sıcaklığında hızlandırma planından kaçındı ve helyum II soğutmalı SRF'leri şansını denedi. 1990'larda, Tera Elektron Volt Enerji Süper İletken Doğrusal Hızlandırıcı Almanya'daki DESY'deki (TESLA) projesi, Büyük Hadron Çarpıştırıcısının (LHC) halefi olabilecek Uluslararası Doğrusal Çarpıştırıcı (ILC) için SRF'lerin geliştirilmesine öncülük etti.

Bu arada, CERN dahil diğer birçok laboratuvar helyum II soğutmalı SRF'leri benimsedi. CERN'deki SRF'leri soğutmanın yanı sıra, LHC'nin mıknatısları da helyum II kullanılarak soğutulur. Weisend, CERN'de ve diğer laboratuvarlarda kullanılan mıknatıs soğutma teknolojisinin çok farklı bir uygulamaya, manyetik olarak sınırlandırılmış bir hidrojen plazmasında nükleer füzyon yaratma arayışına öncülük ettiğine dikkat çekiyor. Bu, 1988'den 2010'a kadar faaliyet gösteren ve o zamandan beri geliştirilip yeniden adlandırılan bir Fransız tokamak olan Tore Supra'da yapıldı. BATISINDA. Tokamak, ITER füzyon gücü göstericisinin şu anda helyum II yerine normal sıvı helyumla soğutulacak mıknatıslarla inşa edildiği Cadarache'de bulunuyor.

Süperakışkan, boş bir iç mekanı çevreleyen ısı ileten bir yüzey gibi 'hissediyor'

Weisend'in ayrıntılı olarak ele aldığı bir başka süperakışkan mühendisliği başarısı da Kızılötesi Astronomik Uydu (IRAS), 1983 yılında fırlatılan ve helyum II'nin uzayda ilk önemli kullanımıydı. Weisend, IRAS tasarımcılarının, düşük yerçekimi ortamında sıvı damlacıklarıyla karıştırıldığında helyum buharını havalandırmanın bir yolunu geliştirmek de dahil olmak üzere önemli zorlukların üstesinden nasıl geldiklerini açıklıyor.

IRAS, birçok kızılötesi nesneyi keşfederken 300 gün boyunca süper akışkan soğutmayı sürdürdü. Başarısı, Kozmik Arka Plan Kaşifi (COBE) de dahil olmak üzere helyum II kullanan gelecekteki görevlere ilham kaynağı oldu. Bu, 1989'da başladı ve George Smoot ile John Mather'ın, kozmik mikrodalga arka planın anizotropisini keşfetmeleri nedeniyle 2006'da Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülmesine yol açtı.

Helyum II'nin geçmişine ve bugününe bakmanın yanı sıra, süperakıskan geleceğe bakıyor. Weisend, çok düşük sıcaklıklara ulaşabilen mekanik soğutucuların gelişmesiyle, uzayda helyum II döneminin muhtemelen sona erdiğine dikkat çekiyor. Ayrıca diğer helyum süperakışkanı olan helyum-3'e ve bunun, seyreltme buzdolabında eşyaları çok düşük sıcaklıklara kadar soğutmak için helyum II ile birlikte nasıl kullanılabileceğine kısaca değiniyor.

Artık uzaya süperakışkanlar göndermiyor olsak da Weisend, Dünya'da gelecekte birçok uygulamanın olacağını açıkça belirtiyor. Aslında, helyum II ile soğutulan füzyon enerji santralleri ekonominin karbondan arındırılmasına yardımcı olabilir ve yeni nesil hızlandırıcılar yakında bize Standart Modelin ötesinde bir fizik görünümü sunabilir.

• 2023 Springer 150 pp 29.99 pp

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics/