Termin "temperatura" pojavio se u vrijeme kada su fizičari mislili da se topla tijela sastoje od više specifične tvari - kalorijske - nego ista tijela, ali hladna. A temperatura se tumačila kao vrijednost koja odgovara količini kalorija u tijelu. Od tada se temperatura svakog tijela mjeri u stepenima. Ali u stvari, to je mjera kinetičke energije pokretnih molekula i, na osnovu toga, treba je mjeriti u džulima, u skladu sa sistemom jedinica C.
Koncept "apsolutne nulte temperature" dolazi iz drugog zakona termodinamike. Prema njemu, proces prenosa toplote sa hladnog tela na toplo je nemoguć. Ovaj koncept je uveo engleski fizičar W. Thomson. Za svoja dostignuća u fizici dobio je plemićku titulu “Lord” i titulu “Baron Kelvin”. 1848. W. Thomson (Kelvin) je predložio korištenje temperaturne skale u kojoj je uzeo apsolutnu nultu temperaturu, koja odgovara ekstremnoj hladnoći, kao početnu tačku, a uzeo stepene Celzijusa kao vrijednost podjele. Kelvinova jedinica je 1/27316 temperature trostruke tačke vode (oko 0 stepeni C), tj. temperatura na kojoj čista voda odmah postoji u tri oblika: led, tečna voda i para. temperatura je najniža moguća niska temperatura pri kojoj prestaje kretanje molekula i više nije moguće izvući toplinsku energiju iz tvari. Od tada apsolutna temperaturna skala nosi njegovo ime.
Temperatura se mjeri na različitim skalama
Najčešće korištena temperaturna skala naziva se Celzijeva skala. Zasniva se na dvije točke: temperaturi faznog prijelaza vode iz tekućine u paru i vode u led. A. Celzius je 1742. godine predložio da se razmak između referentnih tačaka podeli na 100 intervala, i da se voda uzme kao nula, sa tačkom smrzavanja kao 100 stepeni. Ali Šveđanin K. Linnaeus je predložio da se radi suprotno. Od tada se voda smrzla na nula stepeni A. Celzijusa. Iako bi trebalo da ključa tačno na celzijusu. Apsolutna nula Celzijusa odgovara minus 273,16 stepeni Celzijusa.
Postoji još nekoliko temperaturnih skala: Fahrenheit, Reaumur, Rankin, Newton, Roemer. Imaju različite cijene podjela. Na primjer, Reaumurova skala je također izgrađena na referentnim tačkama ključanja i smrzavanja vode, ali ima 80 podjela. Farenhajtova skala, koja se pojavila 1724. godine, koristi se u svakodnevnom životu samo u nekim zemljama svijeta, uključujući SAD; jedna je temperatura mješavine vodenog leda i amonijaka, a druga je temperatura ljudskog tijela. Skala je podijeljena na stotinu podjela. Nula Celzijusa odgovara 32 Pretvaranje stepeni u Farenhajt se može obaviti korišćenjem formule: F = 1,8 C + 32. Reverzna konverzija: C = (F - 32)/1,8, gde je: F - stepeni Farenhajta, C - stepeni Celzijusa. Ako ste previše lijeni da brojite, idite na online servis za pretvaranje Celzijusa u Farenhajte. U polje unesite broj stepeni Celzijusa, kliknite na "Izračunaj", odaberite "Farenhajt" i kliknite na "Start". Rezultat će se pojaviti odmah.
Ime je dobio po engleskom (tačnije škotskom) fizičaru Williamu J. Rankinu, koji je bio Kelvinov savremenik i jedan od tvoraca tehničke termodinamike. Tri su važne tačke u njegovoj skali: početak je apsolutna nula, tačka smrzavanja vode je 491,67 stepeni Rankine i tačka ključanja vode je 671,67 stepeni. Broj podjela između zamrzavanja vode i njenog ključanja i za Rankinea i za Farenhajta je 180.
Većinu ovih skala koriste isključivo fizičari. A 40% američkih srednjoškolaca ispitanih danas reklo je da ne znaju šta je temperatura apsolutne nule.
Svako fizičko tijelo, uključujući sve objekte u svemiru, ima minimalnu temperaturu ili svoju granicu. Polazna tačka bilo koje temperaturne skale smatra se vrijednošću apsolutne nulte temperature. Ali to je samo u teoriji. Haotično kretanje atoma i molekula, koji u ovom trenutku odustaju od svoje energije, još uvijek nije zaustavljeno u praksi.
To je glavni razlog zašto se apsolutna nula temperatura ne može postići. Još uvijek se vode rasprave o posljedicama ovog procesa. Sa stajališta termodinamike, ova granica je nedostižna, jer se termičko kretanje atoma i molekula potpuno zaustavlja i formira se kristalna rešetka.
Predstavnici kvantne fizike predviđaju prisustvo minimalnih nultih oscilacija na apsolutnim nultim temperaturama.
Koja je vrijednost apsolutne nulte temperature i zašto se ona ne može postići
Na Generalnoj konferenciji za utege i mjere po prvi put je uspostavljena referentna ili referentna tačka za mjerne instrumente koji određuju temperaturne indikatore.
Trenutno, u Međunarodnom sistemu jedinica, referentna tačka za Celzijusovu skalu je 0°C za smrzavanje i 100°C za ključanje, vrijednost apsolutne nulte temperature je jednaka -273,15°C.
Koristeći temperaturne vrijednosti na Kelvinovoj skali prema istom međunarodnom sistemu jedinica, ključanje vode će se dogoditi na referentnoj vrijednosti od 99,975°C, apsolutna nula je jednaka 0. Na Farenhajtovoj skali indikator odgovara -459,67 stepeni .
Ali, ako se ovi podaci dobiju, zašto je onda nemoguće postići apsolutnu nultu temperaturu u praksi? Za poređenje možemo uzeti dobro poznatu brzinu svjetlosti, koja je jednaka konstantnoj fizičkoj vrijednosti od 1.079.252.848,8 km/h.
Međutim, ova vrijednost se ne može postići u praksi. To zavisi od talasne dužine prenosa, uslova i zahtevane apsorpcije velike količine energije od strane čestica. Da bi se dobila vrijednost apsolutne nulte temperature, potreban je veliki izlaz energije i odsustvo njenih izvora koji bi spriječili da uđe u atome i molekule.
Ali čak iu uslovima potpunog vakuuma, naučnici nisu bili u stanju da dobiju ni brzinu svetlosti ni apsolutnu nultu temperaturu.
Zašto je moguće postići približno nultu temperaturu, ali ne i apsolutnu nulu?
Šta će se dogoditi kada se nauka približi postizanju ekstremno niske temperature apsolutne nule ostaje samo u teoriji termodinamike i kvantne fizike. Koji je razlog zašto se apsolutna nula temperatura ne može postići u praksi.
Svi poznati pokušaji da se tvar ohladi do najniže granice zbog maksimalnog gubitka energije doveli su do toga da je i toplinski kapacitet tvari dostigao minimalnu vrijednost. Molekuli jednostavno više nisu bili u stanju da se odreknu preostale energije. Kao rezultat toga, proces hlađenja je zaustavljen bez dostizanja apsolutne nule.
Proučavajući ponašanje metala u uslovima blizu apsolutne nulte temperature, naučnici su otkrili da bi maksimalno smanjenje temperature trebalo da izazove gubitak otpora.
Ali prestanak kretanja atoma i molekula doveo je samo do formiranja kristalne rešetke, kroz koju prolazeći elektroni prenose dio svoje energije na stacionarne atome. Opet, nije bilo moguće doći do apsolutne nule.
Godine 2003. temperatura je bila samo pola milijarde od 1°C manja od apsolutne nule. NASA-ini istraživači su koristili molekul Na za izvođenje eksperimenata, koji je uvijek bio u magnetnom polju i odustajao od svoje energije.
Najbliže dostignuće postigli su naučnici sa Univerziteta Yale, koji su 2014. godine postigli cifru od 0,0025 Kelvina. Nastalo jedinjenje, stroncijum monofluorid (SrF), trajalo je samo 2,5 sekunde. I na kraju se ipak raspao na atome.
Fizički koncept "apsolutne nulte temperature" vrlo je važan za modernu nauku: usko je povezan sa konceptom supravodljivosti, čije je otkriće stvorilo pravu senzaciju u drugoj polovini dvadesetog veka.
Da biste razumjeli šta je apsolutna nula, trebali biste se obratiti radovima poznatih fizičara kao što su G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac i W. Thomson. Oni su odigrali ključnu ulogu u stvaranju glavnih temperaturnih skala koje se i danas koriste.
Prvi koji je predložio svoju temperaturnu skalu bio je njemački fizičar G. Fahrenheit 1714. godine. Istovremeno, temperatura mješavine, koja je uključivala snijeg i amonijak, uzeta je kao apsolutna nula, odnosno kao najniža tačka ove skale. Sljedeći važan pokazatelj bio je koji je postao jednak 1000. Shodno tome, svaki dio ove skale nazvan je „stepen Farenhajta“, a sama skala je nazvana „farenhajtova skala“.
30 godina kasnije, švedski astronom A. Celsius je predložio sopstvenu temperaturnu skalu, gde su glavne tačke bile temperatura topljenja leda i vode. Ova skala je nazvana „Celzijeva skala“ i još uvijek je popularna u većini zemalja svijeta, uključujući i Rusiju.
Godine 1802, dok je izvodio svoje čuvene eksperimente, francuski naučnik J. Gay-Lussac otkrio je da zapremina gasa pri konstantnom pritisku direktno zavisi od temperature. Ali najzanimljivije je bilo da kada se temperatura promijeni za 10 Celzijusa, volumen plina se povećava ili smanjuje za istu količinu. Nakon što je napravio potrebne proračune, Gay-Lussac je otkrio da je ova vrijednost jednaka 1/273 zapremine gasa na temperaturi od 0C.
Ovaj zakon je doveo do očiglednog zaključka: temperatura jednaka -2730C je najniža temperatura, čak i ako joj se približite, nemoguće je postići. Upravo se ta temperatura naziva "temperatura apsolutne nule".
Štaviše, apsolutna nula je postala polazna tačka za stvaranje apsolutne temperaturne skale, u kojoj je aktivno učestvovao engleski fizičar W. Thomson, poznat i kao Lord Kelvin.
Njegovo glavno istraživanje odnosilo se na dokazivanje da se nijedno tijelo u prirodi ne može ohladiti ispod apsolutne nule. Istovremeno je aktivno koristio i drugu, pa se apsolutna temperaturna skala koju je uveo 1848. počela zvati termodinamička ili "Kelvinova skala".
U narednim godinama i decenijama došlo je samo do numeričkog pojašnjenja koncepta "apsolutne nule", koji se nakon brojnih dogovora počeo smatrati jednakom -273,150C.
Također je vrijedno napomenuti da apsolutna nula igra vrlo važnu ulogu u tome da je 1960. godine, na sljedećoj Generalnoj konferenciji za utege i mjere, jedinica termodinamičke temperature - kelvin - postala jedna od šest osnovnih mjernih jedinica. . Istovremeno, posebno je propisano da je jedan stepen Kelvina brojčano jednak jedan, ali se referentnom tačkom "prema Kelvinu" obično smatra apsolutna nula, odnosno -273,150C.
Glavno fizičko značenje apsolutne nule je da je, prema osnovnim fizikalnim zakonima, na takvoj temperaturi energija kretanja elementarnih čestica, kao što su atomi i molekuli, jednaka nuli, a u ovom slučaju bi svako haotično kretanje tih istih čestica trebalo prestati. Na temperaturi jednakoj apsolutnoj nuli, atomi i molekuli moraju zauzeti jasnu poziciju u glavnim tačkama kristalne rešetke, formirajući uređen sistem.
Danas, koristeći specijalnu opremu, naučnici su uspeli da dobiju temperature koje su samo nekoliko delova na milion iznad apsolutne nule. Fizički je nemoguće postići ovu vrijednost samu zbog drugog zakona termodinamike opisanog gore.
APSOLUTNA NULA
APSOLUTNA NULA, temperatura na kojoj sve komponente sistema imaju najmanju količinu energije dozvoljenu zakonima KVANTNE MEHANIKE; nula na Kelvinovoj temperaturnoj skali, ili -273,15°C (-459,67° Farenhajta). Na ovoj temperaturi, entropija sistema - količina energije koja je dostupna za obavljanje korisnog rada - takođe je nula, iako ukupna količina energije sistema može biti različita od nule.
Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik.
Pogledajte šta je "APSOLUTNA NULA" u drugim rječnicima:
Temperatura je minimalna granica temperature koju fizičko tijelo može imati. Apsolutna nula služi kao početna tačka za apsolutnu temperaturnu skalu, kao što je Kelvinova skala. Na Celzijusovoj skali apsolutna nula odgovara temperaturi od -273 ... Wikipedia
APSOLUTNA NULA TEMPERATURA- početak termodinamičke temperaturne skale; nalazi se na 273,16 K (Kelvin) ispod (vidi) vode, tj. jednako 273,16°C (Celzijus). Apsolutna nula je najniža temperatura u prirodi i praktično nedostižna... Velika politehnička enciklopedija
Ovo je minimalna temperaturna granica koju fizičko tijelo može imati. Apsolutna nula služi kao početna tačka za apsolutnu temperaturnu skalu, kao što je Kelvinova skala. Na Celzijusovoj skali apsolutna nula odgovara temperaturi od -273,15 °C.... ... Wikipedia
Apsolutna nulta temperatura je minimalna temperaturna granica koju fizičko tijelo može imati. Apsolutna nula služi kao početna tačka za apsolutnu temperaturnu skalu, kao što je Kelvinova skala. Na Celzijusovoj skali, apsolutna nula odgovara... ... Wikipediji
Razg. Zanemareno Beznačajna, beznačajna osoba. FSRJ, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 ...
nula- apsolutna nula… Rječnik ruskih idioma
Nula i nula imenica, m., korištena. uporedi često Morfologija: (ne) šta? nula i nula, zašto? nula i nula, (vidi) šta? nula i nula, šta? nula i nula, o čemu? oko nule, nula; pl. Šta? nule i nule, (ne) šta? nule i nule, zašto? nule i nule, (vidim)… … Dmitriev's Explantatory Dictionary
Apsolutna nula (nula). Razg. Zanemareno Beznačajna, beznačajna osoba. FSRJ, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 V nula. 1. Jarg. oni kazu Šalim se. gvožđe. O jakoj intoksikaciji. Yuganovs, 471; Vakhitov 2003, 22. 2. Zharg. muzika Tačno, u potpunosti u skladu sa ... ... Veliki rječnik ruskih izreka
apsolutno- apsolutni apsurd, apsolutni autoritet, apsolutna besprijekornost, apsolutni nered, apsolutna fikcija, apsolutni imunitet, apsolutni lider, apsolutni minimum, apsolutni monarh, apsolutni moral, apsolutna nula... Rječnik ruskih idioma
Knjige
- Apsolutna nula, Apsolutni Pavel. Život svih kreacija ludog naučnika rase Nes je veoma kratak. Ali sljedeći eksperiment ima šansu da postoji. Šta ga čeka ispred...
Kada vremenska prognoza predviđa temperature blizu nule, ne biste trebali ići na klizalište: led će se otopiti. Za temperaturu topljenja leda se uzima nula stepeni Celzijusa, najčešća temperaturna skala.
Vrlo smo upoznati sa negativnim stepenom Celzijusa - stepenima<ниже
нуля>, stepeni hladnoće. Najniža temperatura na Zemlji zabilježena je na Antarktiku: -88,3°C. Izvan Zemlje moguće su još niže temperature: na površini Mjeseca u lunarnu ponoć može dostići -160°C.
Ali proizvoljno niske temperature ne mogu postojati nigdje. Ekstremno niska temperatura - apsolutna nula - odgovara -273,16° na Celzijusovoj skali.
Apsolutna temperaturna skala, Kelvinova skala, potiče od apsolutne nule. Led se topi na 273,16° Kelvina, a voda ključa na 373,16° K. Dakle, stepen K je jednak stepenu C. Ali na Kelvinovoj skali, sve temperature su pozitivne.
Zašto je 0°K granica hladnoće?
Toplina je haotično kretanje atoma i molekula neke supstance. Kada se supstanca ohladi, iz nje se uklanja toplotna energija, a nasumično kretanje čestica je oslabljeno. Na kraju, uz jako hlađenje, termalno<пляска>čestice se gotovo potpuno zaustavljaju. Atomi i molekuli bi se potpuno smrzli na temperaturi koja se uzima kao apsolutna nula. Prema principima kvantne mehanike, na apsolutnoj nuli bi prestalo toplotno kretanje čestica, ali se same čestice ne bi smrzle, jer ne mogu biti u potpunom mirovanju. Stoga, na apsolutnoj nuli, čestice i dalje moraju zadržati neku vrstu kretanja, što se naziva nultom gibanjem.
Međutim, ohladiti supstancu na temperaturu ispod apsolutne nule ideja je jednako besmislena kao, recimo, namjera<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Štaviše, čak je i postizanje tačne apsolutne nule gotovo nemoguće. Možete mu se samo približiti. Jer nikako ne možete oduzeti apsolutno svu toplinsku energiju od tvari. Dio toplotne energije ostaje pri najdubljem hlađenju.
Kako postižete ultra niske temperature?
Zamrzavanje tvari je teže nego zagrijavanje. To se može vidjeti čak i iz poređenja dizajna peći i hladnjaka.
U većini kućnih i industrijskih hladnjaka toplina se uklanja isparavanjem posebne tekućine - freona, koja cirkulira kroz metalne cijevi. Tajna je u tome što freon može ostati u tekućem stanju samo na dovoljno niskoj temperaturi. U odjeljku hladnjaka, zbog topline komore, zagrijava se i ključa, pretvarajući se u paru. Ali para se komprimira kompresorom, ukapljuje i ulazi u isparivač, nadoknađujući gubitak isparenog freona. Energija se troši za rad kompresora.
U uređajima za duboko hlađenje, nosač hladnoće je ultra-hladna tečnost - tečni helijum. Bezbojan, lagan (8 puta lakši od vode), ključa pod atmosferskim pritiskom na 4,2°K, au vakuumu na 0,7°K. Još nižu temperaturu daje lagani izotop helijuma: 0,3°K.
Postavljanje trajnog helijumskog frižidera je prilično teško. Istraživanje se provodi jednostavno u kupkama s tekućim helijumom. A za ukapljivanje ovog gasa, fizičari koriste različite tehnike. Na primjer, prethodno ohlađeni i komprimirani helij se ekspandira, ispušta kroz tanku rupu u vakuumsku komoru. Istovremeno, temperatura se dalje smanjuje i dio plina se pretvara u tekućinu. Efikasnije je ne samo proširiti ohlađeni plin, već ga i prisiliti da radi - pomaknite klip.
Dobijeni tečni helijum se pohranjuje u posebne termoze - Dewarove boce. Ispostavilo se da je cijena ove vrlo hladne tekućine (jedine koja se ne smrzava na apsolutnoj nuli) prilično visoka. Ipak, tečni helijum se danas sve više koristi, ne samo u nauci, već iu raznim tehničkim uređajima.
Najniže temperature su postignute na drugačiji način. Ispostavilo se da se molekuli nekih soli, na primjer kalijum krom alum, mogu rotirati duž linija magnetske sile. Ova so je prethodno ohlađena tečnim helijumom na 1°K i stavljena u jako magnetno polje. U tom slučaju molekuli rotiraju duž linija sile, a oslobođenu toplinu oduzima tekući helijum. Tada se magnetsko polje naglo uklanja, molekuli se ponovo okreću u različitim smjerovima i troše se
Ovaj rad dovodi do daljeg hlađenja soli. Tako smo dobili temperaturu od 0,001° K. Koristeći u principu sličan metod, koristeći druge supstance, možemo dobiti još nižu temperaturu.
Najniža temperatura do sada na Zemlji je 0,00001°K.
Supstanca smrznuta do ultraniskih temperatura u kupkama s tečnim helijumom se primjetno mijenja. Guma postaje lomljiva, olovo postaje tvrdo poput čelika i elastično, mnoge legure povećavaju čvrstoću.
Sam tečni helijum se ponaša na neobičan način. Na temperaturama ispod 2,2°K, poprima svojstvo bez presedana za obične tekućine - superfluidnost: dio potpuno gubi viskozitet i teče kroz najuže pukotine bez ikakvog trenja.
Ovaj fenomen je 1937. godine otkrio sovjetski fizičar akademik P. JI. Kapitsa, objasnio je tada akademik JI. D. Landau.
Ispostavilo se da na ultraniskim temperaturama kvantni zakoni ponašanja materije počinju da imaju primetan efekat. Kao što jedan od ovih zakona nalaže, energija se može prenositi od tijela do tijela samo u dobro definiranim dijelovima - kvantima. U tekućem helijumu ima toliko malo kvanta toplote da ih nema dovoljno za sve atome. Dio tekućine, lišen kvanta topline, ostaje kao na temperaturi apsolutne nule; njeni atomi uopće ne sudjeluju u nasumičnom toplinskom kretanju i ni na koji način ne stupaju u interakciju sa zidovima posude. Ovaj dio (zvao se helijum-H) ima superfluidnost. Kako temperatura opada, helijum-P postaje sve više i više, a na apsolutnoj nuli sav helijum bi se pretvorio u helijum-H.
Superfluidnost je sada detaljno proučavana i čak je našla korisnu praktičnu primjenu: uz nju je moguće odvojiti izotope helijuma.
Blizu apsolutne nule, dešavaju se izuzetno zanimljive promjene u električnim svojstvima nekih materijala.
Godine 1911. holandski fizičar Kamerlingh Onnes napravio je neočekivano otkriće: pokazalo se da na temperaturi od 4,12 ° K električni otpor u živi potpuno nestaje. Merkur postaje superprovodnik. Električna struja inducirana u supravodljivom prstenu ne izumire i može teći gotovo zauvijek.
Iznad takvog prstena, supravodljiva lopta će lebdjeti u zraku i neće pasti, kao iz bajke<гроб Магомета>, jer je njegova gravitacija kompenzirana magnetskim odbijanjem između prstena i lopte. Na kraju krajeva, kontinuirana struja u prstenu će stvoriti magnetsko polje, a ono će, zauzvrat, inducirati električnu struju u kugli i s njom suprotno usmjereno magnetsko polje.
Pored žive, kalaj, olovo, cink i aluminijum imaju supravodljivost blizu apsolutne nule. Ovo svojstvo je pronađeno u 23 elementa i više od stotinu različitih legura i drugih hemijskih jedinjenja.
Temperature na kojima se pojavljuje supravodljivost (kritične temperature) pokrivaju prilično širok raspon - od 0,35° K (hafnij) do 18° K (legura niobijum-kalaj).
Fenomen supravodljivosti, poput super-
fluidnost je detaljno proučavana. Utvrđene su zavisnosti kritičnih temperatura od unutrašnje strukture materijala i spoljašnjeg magnetnog polja. Razvijena je duboka teorija supravodljivosti (važan doprinos dao je sovjetski naučnik akademik N. N. Bogoljubov).
Suština ovog paradoksalnog fenomena je opet čisto kvantna. Na ultraniskim temperaturama ulaze elektroni
superprovodnici formiraju sistem parno vezanih čestica koje ne mogu da daju energiju kristalnoj rešetki ili troše kvante energije na njeno zagrevanje. Parovi elektrona se kreću kao da se<танцуя>, između<прутьями решетки>- jone i zaobići ih bez sudara i prijenosa energije.
Superprovodljivost se sve više koristi u tehnologiji.
Na primjer, u praksi se koriste supravodljivi solenoidi - zavojnice supravodiča uronjene u tekući helijum. Jednom indukovana struja i, posljedično, magnetsko polje mogu se pohraniti u njima koliko god se želi. Može dostići gigantsku veličinu - preko 100.000 oersteda. U budućnosti će se nesumnjivo pojaviti moćni industrijski supravodljivi uređaji - elektromotori, elektromagneti itd.
U radio elektronici, ultraosjetljiva pojačala i generatori elektromagnetnih valova, koji posebno dobro rade u kupkama s tekućim helijumom, počinju da igraju značajnu ulogu - tu je unutrašnja<шумы>oprema. U tehnologiji elektronskih računara, obećana je briljantna budućnost za supravodljive prekidače male snage - kriotrone (vidi čl.<Пути электроники>).
Nije teško zamisliti koliko bi bilo primamljivo unaprijediti rad ovakvih uređaja u područje viših, pristupačnijih temperatura. Nedavno je otkrivena nada u stvaranje polimernih filmskih supravodiča. Posebna priroda električne provodljivosti u takvim materijalima obećava sjajnu priliku za održavanje supravodljivosti čak i na sobnim temperaturama. Naučnici uporno traže načine da ostvare ovu nadu.
A sada pogledajmo u carstvo najtoplijeg na svijetu - u dubine zvijezda. Gde temperature dostižu milione stepeni.
Nasumično toplotno kretanje u zvijezdama je toliko intenzivno da cijeli atomi ne mogu postojati tamo: oni su uništeni u bezbrojnim sudarima.
Supstanca koja je tako vruća stoga ne može biti ni čvrsta, ni tečna, ni gasovita. Nalazi se u stanju plazme, odnosno mješavine električno nabijenih<осколков>atomi - atomska jezgra i elektroni.
Plazma je jedinstveno stanje materije. Budući da su njegove čestice električno nabijene, osjetljive su na električne i magnetske sile. Stoga je bliska blizina dva atomska jezgra (one nose pozitivan naboj) rijedak fenomen. Samo pri visokim gustoćama i ogromnim temperaturama atomske jezgre koje se sudaraju jedna s drugom mogu se približiti. Tada se odvijaju termonuklearne reakcije - izvor energije za zvijezde.
Nama najbliža zvijezda, Sunce, sastoji se uglavnom od vodonične plazme, koja se u utrobi zvijezde zagrijava do 10 miliona stepeni. U takvim uslovima dolazi do bliskih susreta brzih jezgara vodonika - protona, iako retki. Ponekad protoni koji se približe međusobno djeluju: nakon što su savladali električnu odbojnost, brzo padaju u moć gigantskih nuklearnih sila privlačenja.<падают>jedno na drugo i spajaju se. Ovdje dolazi do trenutnog restrukturiranja: umjesto dva protona pojavljuju se deuteron (jezgro teškog izotopa vodika), pozitron i neutrino. Oslobođena energija je 0,46 miliona elektron volti (MeV).
Svaki pojedinačni solarni proton može ući u takvu reakciju u prosjeku jednom u 14 milijardi godina. Ali ima toliko protona u utrobi svjetlosti da se tu i tamo dogodi ovaj malo vjerojatan događaj - i naša zvijezda gori svojim ravnomjernim, blistavim plamenom.
Sinteza deuterona samo je prvi korak solarnih termonuklearnih transformacija. Novorođeni deuteron vrlo brzo (u prosjeku nakon 5,7 sekundi) spaja se s drugim protonom. Pojavljuje se lagano jezgro helijuma i gama kvant elektromagnetnog zračenja. Oslobađa se 5,48 MeV energije.
Konačno, u proseku, jednom u milion godina, dva laka jezgra helijuma mogu da se konvergiraju i kombinuju. Tada se formira jezgro običnog helijuma (alfa čestica) i dva protona se odvajaju. Oslobađa se 12,85 MeV energije.
Ovo trostepeno<конвейер>termonuklearne reakcije nisu jedine. Postoji još jedan lanac nuklearnih transformacija, onih bržih. Atomska jezgra ugljika i dušika učestvuju u tome (a da se ne troše). Ali u obje opcije, alfa čestice se sintetiziraju iz jezgri vodika. Slikovito rečeno, hidrogenska plazma Sunca<сгорает>, pretvarajući se u<золу>- helijum plazma. A tokom sinteze svakog grama helijum plazme oslobađa se 175 hiljada kWh energije. Odlična količina!
Svake sekunde Sunce emituje 4.1033 erga energije, gubeći 4.1012 g (4 miliona tona) materije na težini. Ali ukupna masa Sunca je 2.1027 tona, što znači da će za milion godina, zahvaljujući zračenju, Sunce<худеет>samo jedan desetmilioniti deo njegove mase. Ove brojke elokventno ilustruju efikasnost termonuklearnih reakcija i gigantsku kalorijsku vrijednost sunčeve energije.<горючего>- vodonik.
Termonuklearna fuzija je očigledno glavni izvor energije za sve zvijezde. Na različitim temperaturama i gustoćama unutrašnjosti zvijezda javljaju se različite vrste reakcija. Konkretno, solarna<зола>-jezgra helijuma - na 100 miliona stepeni ona sama postaje termonuklearna<горючим>. Tada se iz alfa čestica mogu sintetizirati još teže atomske jezgre - ugljik, pa čak i kisik.
Prema mnogim naučnicima, cijela naša Metagalaksija u cjelini je također plod termonuklearne fuzije, koja se odvijala na temperaturi od milijardu stepeni (vidi čl.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Izvanredna kalorijska vrijednost termonukleara<горючего>podstakao je naučnike da postignu umjetnu implementaciju reakcija nuklearne fuzije.
<Горючего>- Na našoj planeti ima mnogo izotopa vodonika. Na primjer, superteški vodik tricij može se proizvesti iz metalnog litija u nuklearnim reaktorima. A teški vodonik - deuterijum je dio teške vode, koji se može izdvojiti iz obične vode.
Teški vodonik ekstrahovan iz dvije čaše obične vode proizveo bi onoliko energije u termonuklearnom reaktoru koliko se sada proizvodi spaljivanjem bureta vrhunskog benzina.
Poteškoća je u prethodnom zagrijavanju<горючее>do temperatura na kojima se može zapaliti snažnom termonuklearnom vatrom.
Ovaj problem je prvi put riješen hidrogenskom bombom. Tamošnji izotopi vodonika zapaljuju se eksplozijom atomske bombe, koja je praćena zagrijavanjem tvari na više desetina miliona stupnjeva. U jednoj od verzija hidrogenske bombe, termonuklearno gorivo je hemijsko jedinjenje teškog vodonika sa lakim litijumom - lakim litijum deuteridom. Ovaj bijeli prah, sličan kuhinjskoj soli,<воспламеняясь>od<спички>, koja je atomska bomba, momentalno eksplodira i stvara temperaturu od stotine miliona stepeni.
Da bi se pokrenula mirna termonuklearna reakcija, prvo se mora naučiti kako zagrijati male doze dovoljno guste plazme vodonikovih izotopa na temperature od stotina miliona stepeni bez upotrebe atomske bombe. Ovaj problem je jedan od najtežih u modernoj primijenjenoj fizici. Naučnici širom svijeta rade na tome dugi niz godina.
Već smo rekli da je haotično kretanje čestica ono što stvara zagrijavanje tijela, a prosječna energija njihovog slučajnog kretanja odgovara temperaturi. Zagrijati hladno tijelo znači stvoriti ovaj poremećaj na bilo koji način.
Zamislite dvije grupe trkača koje jure jedna prema drugoj. Tako su se sudarili, pomešali, počela je simpatija i zabuna. Odličan nered!
Na sličan način, fizičari su u početku pokušavali da postignu visoke temperature - sudarajući mlazove gasa pod visokim pritiskom. Plin se zagrijao do 10 hiljada stepeni. Nekada je to bio rekord: temperatura je bila viša nego na površini Sunca.
Ali ovom metodom nemoguće je dalje, prilično sporo, neeksplozivno zagrijavanje plina, jer se toplinski poremećaj trenutno širi u svim smjerovima, zagrijavajući zidove eksperimentalne komore i okolinu. Nastala toplota brzo napušta sistem i nemoguće ga je izolovati.
Ako se mlaznice plina zamijene strujanjima plazme, problem toplinske izolacije ostaje vrlo težak, ali postoji i nada za njegovo rješenje.
Istina, plazma se ne može zaštititi od gubitka topline posudama napravljenim čak ni od najvatrostalnije tvari. U kontaktu sa čvrstim zidovima, vruća plazma se odmah hladi. Ali možete pokušati zadržati i zagrijati plazmu stvaranjem njenog nakupljanja u vakuumu tako da ne dodiruje zidove komore, već visi u praznini, ne dodirujući ništa. Ovdje treba iskoristiti činjenicu da čestice plazme nisu neutralne, kao atomi plina, već električno nabijene. Stoga su prilikom kretanja izloženi magnetnim silama. Postavlja se zadatak: stvoriti magnetsko polje posebne konfiguracije u kojem bi vruća plazma visila kao u vrećici s nevidljivim zidovima.
Najjednostavniji oblik takve plazme nastaje automatski kada se jaki impulsi električne struje prođu kroz plazmu. U ovom slučaju, oko plazma kabla se induciraju magnetne sile, koje teže da stisnu kabl. Plazma se odvaja od zidova cijevi za pražnjenje, a na osi kabela u drobljenju čestica temperatura raste do 2 miliona stepeni.
Kod nas su ovakvi eksperimenti izvođeni još 1950. godine pod rukovodstvom akademika JI. A. Artsimovich i M. A. Leontovich.
Drugi pravac eksperimenata je upotreba magnetne boce, koju je 1952. predložio sovjetski fizičar G. I. Budker, sada akademik. Magnetna boca je smeštena u plutenu komoru - cilindričnu vakuumsku komoru opremljenu spoljnim namotajem, koji se kondenzuje na krajevima komore. Struja koja teče kroz namotaj stvara magnetsko polje u komori. Njegove linije polja u srednjem dijelu nalaze se paralelno sa generatrisama cilindra, a na krajevima su komprimirane i formiraju magnetne čepove. Čestice plazme ubrizgane u magnetnu bocu savijaju se oko linija polja i reflektuju se od čepova. Kao rezultat toga, plazma se zadržava u boci neko vrijeme. Ako je energija čestica plazme unesenih u bocu dovoljno visoka i ima ih dovoljno, one stupaju u složene interakcije sila, njihovo prvobitno uređeno kretanje se zbunjuje, postaje neuređeno – temperatura jezgri vodika raste na desetine miliona stepeni.
Dodatno grijanje se postiže elektromagnetnim<ударами>plazmom, kompresijom magnetnog polja, itd. Sada se plazma teških jezgara vodonika zagreva na stotine miliona stepeni. Istina, to se može učiniti na kratko vrijeme ili pri niskoj gustini plazme.
Da bi se pokrenula samoodrživa reakcija, temperatura i gustina plazme moraju se dodatno povećati. To je teško postići. Međutim, problem je, kako su naučnici uvjereni, nesumnjivo rješiv.
G.B. Anfilov
Objavljivanje fotografija i citiranje članaka s naše web stranice na drugim resursima je dozvoljeno pod uvjetom da je naveden link do izvora i fotografija.
