Физика низких температур. Влияние низких температур на живой организм и неживую материю

      Криостат растворения

     В процессе охлаждения используется смесь  двух изотопов гелия: ³He и ⁴He. При охлаждении ниже 700 мК, смесь испытывает самопроизвольное разделение фаз, образуя фазы богатую ³He и богатую ⁴He. Смесь ³He / ⁴He ожижается в конденсаторе, который подсоединен через дроссель к области богатой ³He смесительной камеры. Атомы ³He, проходя через границу раздела фаз, отбирают энергию у системы. Рефрижераторы растворения с непрерывным циклом обычно используются в низкотемпературных физических экспериментах. 
 

Измерение низких температур

     Первичным термометрическим прибором для измерения  термодинамической температуры вплоть до 1 К служит газовый термометр. Другими вариантами первичного термометра являются акустический и шумовой термометры, действие которых основано на связи термодинамической температуры соответственно со значением скорости звука в газе и интенсивностью тепловых флуктуаций напряжения в электрической цепи.

     Первичные прецизионные термометры используются в основном для определения температур легковоспроизводимых фазовых равновесий в однокомпонентных системах (реперных точек), которые служат опорными температурными точками Международной практической температурной шкалы (МПТШ-68). В области низких температур такими реперными точками являются: тройная точка равновесного водорода (13,81 К), точка равновесия между жидкой и газообразной фазами равновесного водорода при давлении 25/76 нормальной атмосферы (17,042 К), точка кипения равновесного водорода (20,28 К), неона (27,102 К), тройная точка кислорода (54,361 К).

     Для воспроизведения любого значения температуры  от 630,74 °С до 13,81 К по МПТШ-68 с точностью ~0,001 К служит платиновый термометр сопротивления. В диапазоне низких температур температура по МПТШ-68 отличается от истинного термодинамического значения не более чем на 0,01К.

     МПТШ-68 пока не продлена ниже 13,8 К, ввиду отсутствия в этой области низких температур вторичного термометра, не уступающего по чувствительности, точности и воспроизводимости показаний платиновому термометру сопротивления при более высоких температурах.

     В диапазоне 0,3-5,2 К низкотемпературная термометрия основана на зависимости давления насыщенных паров ps гелия от температуры Т, устанавливаемой с помощью газового термометра. Эта зависимость была принята в качестве международной температурной шкалы в области 1,5-5,2 К (шкала ⁴He, 1958) и 0,3-3,3 К (шкала ³He, 1962). Зависимость ps (T) в этих температурных диапазонах не может быть представлена простой аналитической формулой и поэтому табулируется; табличные данные обеспечивают точность определения температуры до тысячной доли Кельвина.

     В области низких температур для целей практической термометрии применяют главным образом термометры сопротивления (до 20 К - медный; в области водородных и гелиевых температур - вплоть до 1 мК - угольные, сопротивление которых возрастает при понижении температуры). Применяют также термометры сопротивления из чистого германия. Высокая стабильность и достаточная чувствительность делают их удобным инструментом измерения температуры ниже 100 К.

     Существует  ряд других чувствительных к изменениям температуры устройств, которые могут быть использованы в качестве вторичных термометров для измерения низких температур: термопары, термисторы, полупроводниковые диоды, датчики из сверхпроводящих сплавов (в области гелиевых и водородных температур).

     Ниже 1 К газовым термометром пользоваться практически нельзя. Для определения  термодинамической температуры  в этой области используют магнитные  и ядерные методы.

     В магнитной термометрии пользуются понятием магнитной температуры Т*, которую определяют из измерений магнитной восприимчивости c парамагнитной соли. Согласно закону Кюри, при достаточно высоких температурах c ~ 1/T*. Для многих солей закон Кюри справедлив и при гелиевых температурах. Экстраполируя эту закономерность в область сверхнизких температур, определяют магнитную температуру как величину, обратно пропорциональную восприимчивости. Для получения точных результатов необходимо учитывать различные побочные факторы: анизотропию восприимчивости, геометрическую форму образца и др. Область температур, в которой магнитная температурная шкала достаточно близка к термодинамической, зависит от конкретной соли. Наиболее широко для измерения сверхнизких температур до 6 мК применяют церий-магниевый нитрат, для которого расхождение шкал при указанной температуре меньше 0,1 мК.

     В основе ядерных методов измерения низких температур лежит принцип квантовой статистической физики, согласно которому равновесная заселенность дискретных уровней энергии системы зависит от температуры. В одном из таких методов измеряется интенсивность линии ядерного магнитного резонанса, определяемая разностью заселённости уровней ядерных магнитных моментов в магнитном поле. В другом методе определяется зависящее от температуры отношение интенсивностей компонент, на которые расщепляется линия резонансного гамма-излучения ( эффект Мёссбауэра) во внутреннем магнитном поле ферромагнетика.

     Аналогом  термометрии по давлению насыщенных паров в области сверхнизких  температур является измерение температуры  в диапазоне 30-100 мК по осмотическому давлению ³He в смеси ³He-⁴He. Абсолютная точность измерений - около 2 мК при чувствительности осмотического термометра 0,01 мК. 
 
 

Значение  и применение исследований физики низких температур

     Исследование  низких температур привело к открытию двух удивительных явлений – сверхпроводимости и сверхтекучести. Оба эти явления весьма отличаются от свойств, которыми обладают вещества при обычных температурах. При понижении температуры в свойствах веществ начинают проявляться особенности, связанные с наличием взаимодействий, которые при обычных температурах подавляются сильным тепловым движением атомов. Новые закономерности, обнаруженные при низких температурах, могут быть последовательно объяснены только на основе квантовой механики.

     В частности, принцип неопределённости квантовой механики и вытекающее из него существование нулевых колебаний при абсолютном нуле температуры объясняют тот факт, что гелий остаётся в жидком состоянии вплоть до 0.

     С 60-х гг. 20 в. открыт ряд интересных эффектов, в которых особое значение имеет пространственная когерентность волновых функций на макроскопических расстояниях (сверхпроводящее туннелирование, эффект Джозефсона).

     Большое значение имеет изучение свойств  жидкого ³He, который представляет собой пример нейтральной квантовой ферми-жидкости. Как теперь выяснено, при температурах около 3 мК и давлении около 34 бар ³He претерпевает фазовое превращение, сопровождающееся значительным уменьшением вязкости (переходит в сверхтекучее состояние).

     Развитие  физики низких температур в значительной степени способствовало созданию квантовой теории твёрдого тела, в частности общей теоретической схемы, согласно которой состояние вещества при низких температурах может рассматриваться как суперпозиция идеально упорядоченного состояния, соответствующего 0 К, и газа элементарных возбуждений - квазичастиц. Введение различных типов квазичастиц (фононы, дырки, магноны и др.) позволяет описать многообразие свойств веществ при низких температурах.

     Термодинамические свойства газа элементарных возбуждений  определяют наблюдаемые макроскопические равновесные свойства вещества. В свою очередь, методы статистической физики позволяют предсказать свойства газа возбуждений из характера связи энергии и импульса квазичастиц (закона дисперсии).

     Изучение  теплоёмкости, теплопроводности и других тепловых и кинетических свойств твёрдых тел при низких температурах даёт возможность установить закон дисперсии для фононов и других квазичастиц. Температурная зависимость намагниченности ферро- и антиферромагнетиков объясняется в рамках закона дисперсии магнонов (спиновых волн). Изучение закона дисперсии электронов в металлах составляет ещё один важный раздел физики низких температур.

     Ослабление  тепловых колебаний решётки при  гелиевых температурах и применение чистых веществ позволили выяснить особенности поведения электронов в металлах. Применение низких температур играет большую роль при изучении различных видов магнитного резонанса.

     Охлаждение  до сверхнизких температур применяется  в ядерной физике для создания мишеней и источников с поляризованными ядрами при изучении анизотропии рассеяния элементарных частиц. Такие источники позволили, в частности, поставить решающие эксперименты по проблеме несохранения чётности.

     Низкие  температуры применяются при  изучении полупроводников, оптических свойств молекулярных кристаллов и во многих других случаях.

     В химической промышленности низкие температуры используют при производстве синтетического аммиака, красителей, для сжижения и разделения газовых смесей, выделения солей из растворов и т.д.

     В нефтеперерабатывающей промышленности холод необходим при производстве высокооктановых бензинов, некоторых сортов смазочных масел и др.

     Искусственное охлаждение применяется и в машиностроении (например, для холодной посадки деталей), строительстве (замораживание грунтов), медицине, при сооружении искусственных катков круглогодичной эксплуатации, для опреснения морской воды и т.д.

     Одна  из главных областей применения низких температур в технике – разделение газов. Производство кислорода и азота в больших количествах основано на сжижении воздуха с последующим разделением его в ректификационных колоннах на азот и кислород. Применение жидких кислорода и азота многообразно, в частности кислород служит окислителем в ракетном топливе.

     Низкие  температуры используют для получения высокого вакуума методом адсорбции на активированном угле или цеолите (адсорбционный насос) или непосредственной конденсации на металлических стенках сосуда с хладоагентом. Высокий вакуум и охлаждение до низких температур позволяют имитировать условия, характерные для космического пространства, и проводить испытания материалов и приборов в этих условиях.

     Охлаждение  до температур жидкого воздуха или  азота начало находить важные применения в медицине. Используя приборы, способные производить локальное замораживание тканей до низких температур, осуществляют оперативное лечение мозговых опухолей, урологических и других заболеваний. Имеется также возможность длительного хранения живых тканей при низких температурах.

     Другое направление технических применений низких температур связано с приложениями сверхпроводимости. Здесь наиболее важную роль играет создание сильных магнитных полей (~ 103 кэ), необходимых для ускорителей заряженных частиц, трековых приборов (пузырьковых камер и др.), магнитогидродинамических генераторов и многообразных лабораторных исследований. 
 

Влияние низких температур на живой организм и неживую материю

     Температура играет важную роль в повседневной жизни, в познании природы, исследовании новых явлений. Температура тела человека и высших животных поддерживается на относительно постоянном уровне, несмотря на колебания температуры внешней среды. Это постоянство температуры носит название изотермии и свойственно только теплокровным животным в отличие от холоднокровных, у которых температура тела переменна и мало отличается от температуры окружающей среды.

     В условиях целостного организма изменение  температуры может влиять на скорость химических реакций как непосредственно, так и косвенным образом. Так, понижение температуры организма, как и в любой неживой системе, замедляет реакции. Но вместе с тем оно может ввести в действие механизмы терморегуляции, ускоряющие реакции.

     В отличие от реакций, протекающих  в неживых системах, большинство  биологических процессов имеют температурный оптимум – интервал температур, в котором реакция протекает с максимальной скоростью. Влияние температуры на скорость биологических процессов часто оценивают с помощью температурного коэффициента Вант-Гоффа. Он показывает, во сколько раз ускоряется процесс при повышении температуры на 10° и зависит от природы протекающих реакций.