Gallery

ზეგამტარობა. მაგნიტური ლევიტაცია.


რაიმე წერტილის გარშემო მბრუნავი სხეულის იმპულსის ვექტორულ ნამრავლს ბრუნვის რადიუს-ვექტორზე იმპულსის მომენტი ეწოდება.

orbital

ასეთი იმპულსის მომენტი გააჩნია ელექტრონსაც, რომელიც ატომბირთვის გარშემო ბრუნავს და მას ორბიტალურ მომენტს ეძახიან.
იმპულსის ორბიტალური მომენტის მსგავსად, ელექტრონს (ისევე, როგორც სხვა ნაწილაკებსაც) გააჩნია, აგრეთვე, ე.წ. იმპულსის საკუთარი მომენტიც, რომელიც არ არის დაკავშირებული მის სივრცულ მოძრაობასთან და მის ქვანტურ მახასიათებელს წარმოადგენს. თუ ელექტრონს წარმოვიდგენთ როგორც ბურთულას, რომელიც თავის ღერძის გარშემო ტრიალებს და ამის გამო გააჩნია ისეთი საკუთარი იმპულსის მომენტი, როგორიც სინამდვილეში აქვს,  მაშინ გამოგვივა, რომ მისი გარე წერტლები სინათლის სიჩქარეზე მეტი სიჩქარით მოძრაობენ, რაც შეუძლებელია. ამრიგად, ნაწილაკის იმპულსის საკუთარი მომენტი მხოლოდ ქვანტური მახასიათებელია და მისი ახსნა რელიატივისტური მექანიკის ფარგლებში შეუძლებელია.
ნაწილაკის იმპულსის საკუთარ მომენტს სპინს (spin – ბრუნვა) უწოდებენ.

სპინი იზომება (h/2п) ერთეულებში, სადაც h – პლანკის მუდმივას წარმოადგენს  (h=6,626 069 . 10-34 ჯოული . წმ) და ტოლია J .  (h/2п) .
J სიდიდეს სპინური ქვანტური რიცხვი, ან უბრალოდ, სპინი ეწოდება და ნაწილაკების სხვადასხვა ჯგუფისათვის იგი მხოლოდ მთელ (ნულის ჩათვლით) ან მთელ-ნახევარ (მაგ.,1/2,  3/2) რიცხვს შეიძლება წარმოადგენდეს.
½ სპინის მქონე ნაწილაკებს წარმოადგენენ ელექტრონები, პროტონები, ნეიტრონები და სხვ. რამოდენიმე ნაწილაკისაგან შედგენილი სისტემის სპინი, უბრალოდ, მისი შემადგენელი ნაწილაკების სპინების ჯამის ტოლია. მაგ., ჰელიუმის ყველაზე გავრცელებული იზოტოპის – ჰელიუმ ოთხის (4He) ბირთვს, რომელიც 2 პროტონისა და 2 ნეიტრონისაგან შესდგება, მთელი სპინი გააჩნია.

spin

spin1

ამრიგად, არსებობენ ორი ჯგუფის ნაწილაკები – მთელი სპინის მქონე და მთელ-ნახევარი სპინის მქონე. პირველი ჯგუფის ნაწილაკებს ბოზონები ეწოდებათ, ხოლო მეორე ჯგუფისას – ფერმიონები და ისინი მკვეთრად განსხვავდებიან ერთმანეთისაგან.
განსხვავება კი იმაში მდგომარეობს, რომ ერთი სისტემის ორი ფერმიონი არ შეიძლება ერთი და იგივე ქვანტურ მდგომარეობაში იყოს, ანუ არ შეიძლება მათ ყველა ქვანტური რიცხვი ტოლი ჰქონდეთ. ამ პრინციპს პაულის აკრძალვის პრიციპი ეწოდება. ელექტრონის სპინი 1/2 -ის ტოლია, ანუ იგი ფერმიონს წარმოადგენს და  სწორედ  ამ აკრძალვით არის განპირობებული ქიმიიდან თქვენთვის კარგად ცნობილი ის გარემოება, რომ ელექტრონები ატომში შრეებად არიან განლაგებულნი და რომ პირველ შრეში მხოლოდ ორი ელექტრონი შეძლება იყოს (-1/2 და +1/2 სპინებით)..
შეიძლება ითქვას, რომ ფერმიონები მკვეთრად გამოხატული ინდივიდუალისტები არიან და არ მოსწონთ კოლექტივი. ბოზონების შემთხვევაში სრულიად განხვავებული სურათი გვაქვს. ალბათობა იმისა, რომ რიგით n  პლუს მეერთე  ბოზონი იგივე ქვანტურ მდგომარეობაში აღმოჩდება, რომელშიც უკვე იმყოფება n რაოდენობის ბოზონი, n-ის პროპორციულია. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ბოზონები ცდილობენ ერთი და იგივე ქვანტურ მდგომარეობაში თავმოყრას.
ქვემოთ ნაჩვენები ვიდეო კლიპები გვიჩვენებენ ფერმიონებისა და ბოზონების ქცევას ტემპერატურის კლების კვალობაზე.

ფერმიონები

 ბოზონები

ბოზონების ის თვისება, რომ ისინი ცდილობენ თავი მოიყარონ ერთ ქვანტურ მდგომარეობაში, ვლინდება საოცარ მოვლენაში, რომელსაც ზედენადობა ეწოდება.
ზედენადობის მოვლენა მდგომარეობს იმაში, რომ თხევადი ჰელიუმი, ტემპერატურის აბსოლუტური ნულის სიახლოვეს (T = 2,172°К  -ს ქვემოთ), სრულიად კარგავს სიბლანტეს და  იძენს უწვრილეს ბზარებში და კაპილარებში უხახუნოდ დინების უნარს.

ზედენადობის მოვლენის ახსნა მდგომარეობს იმაში, რომ ჰელიუმის ატომები ბოზე ნაწილაკებს წარმოადგენენ და ამიტომ, თუ რამოდენიმე მათგანმა შემთხვევით მიაგნო გზას, რაიმე ბზარის გავლით დატოვონ ჭურჭელი, მაშინ დანარჩენი ატომებიც მათ მიბაძავენ და იმავე გზით გაეშურებიან.
ის გარემოება, რომ ზედენადობა ვლინდება მხოლოდ დაბალ ტემპერატურაზე, აიხსნება იმით, რომ ქვანტური თეორიის თანახმად, ნაწილაკების ენერგია იცვლება არა უწყვეტად, არამედ დისკრეტულად, ნახტომებით (პორციებით). ნაწილაკების ენერგია არ შეიძლება შეიცვალოს  უსასრულოდ მცირედ  ან ერთ ასეთ ნახტომზე (პორციაზე) ნაკლები სიდიდით. იმ ტემპერატურებზე, რომლებზეც დაიკვირვება ზედენადობა, ატომები შეჯახებების შედეგად დაკარგავდნენ ერთ პორციაზე ნაკლებ ენერგიას, რაც შეუძლებელია. ამიტომ სითხის სხვადასხვა შრეები ერთმანეთის მიმართ გადაადგილდებიან ისე, რომ  შეჯახებების შედეგად ენერგიის კარგვას ადგილი არ აქვს, ანუ  ხახუნი არ არის.
ჩვენი პუბლიკაციიდან „ომის კანონი“, სადაც დაწვრილებით არის აღწერილი გამტარში დენის აღძვრის პირობები და ელექტრული წინაღობის წარმოშობის მექანიზმი (ყურადღებით წაიკითხეთ), ჩანს, რომ ელექტრული წინაღობა განპირობებულია მეტალის კრისტალური მესერის იონებთან ელექტრონების დაჯახებებით.
მეტალებში მუხტის გადამტანებს ფერმიონი ელექტრონები წარმოადგენენ. მათ ნაცვლად მუხტის გადამტანები ბოზონები რომ ყოფილიყვნენ, მაშინ, საკმარისად დაბალ ტემპერატურებზე, ზედენადობის ანალოგიურად, ზეგამტარობის არსებობაც სრულიად ლოგიკური იქნებოდა.
საბედნიეროდ, ზოგიერთ (არა ყველა) მეტალებში, მათი კრისტალური მესერის თავისებურობების გამო, ადგილი აქვს ელექტრონების დაწყვილებას იმდაგვარად, რომ წყვილი შეიძლება განვიხილოთ როგორც ერთი,  მთელი სპინის მქონე ნაწილაკი (ბოზონი), რომელსაც   იმავდროულად ორი ელექტრონის მუხტის ტოლი მუხტიც გააჩნია. ელექტრონების ელექტრული ურთიერთ განზიდვის მიუხედავად, დაწყვილება შესაძლებელია იმის გამო, რომ კრისტალურ მესერში მოძრაობისას, ელექტრონი იწვევს მესერის იმდაგვარად შეშფოთებას, რომ მის მახლობლობაში არა კომპენსირებული დადებითი მუხტის სიჭარბე წარმოიქმნება, რომელიც, თავის მხრივ, მიიზიდავს მეორე ელექტრონს. ასეთი წყვილები გამუდმებით იშლებიან და ხელახლა წარმოიქმნებიან, მაგრამ საბოლოო ჯამში სურათი ისეთია, თითქოს კრისტალში ერთმანეთზე  ზამბარებით გადაბმული ელექტრონები მოძრაობენ.

ამ დროს ადგილი აქვს გამტარში ელექტრული დენის გავლას წინაღობის გარეშე, ანუ ენერგიის კარგვის გარეშე. ამ მოვლენას ზეგამტარობა ეწოდება. იგი აღმოჩენილია ჰოლანდიელი ფიზიკოსის კამერლინგ-ონესის მიერ 1911 წელს. ზეგამტარობის ახსნა შეუძლებელია კლასიკური ფიზიკის ფარგლებში, და ფიზიკოსებს კიდევ ბევრი დრო დასჭირდათ ამ მოვლენის აღმწერი თეორიის შესაქმნელად. 1955 წელს ამერიკელმა ფიზიკოსებმა ბარდინმა (Bardeen), კუპერმა (Cooper) და შრიფერმა (Schieffer) შექმნეს შესაბამისი თეორია, რომელიც მათი გვარების პირველი ასოების მიხედვით ბ.კ.შ. (B.C.S.) – თეორიის სახელწოდებით არის ცნობილი, ხოლო ელექტრონების წყვილებს თეორიის ერთ-ერთი ავტორის პატივსაცემად კუპერის წყვილებს უწოდებენ.
ზეგამტარობას ადგილი აქვს მთელ რიგ სუფთა მეტალებში და შენადნობებში – მაგ., Pb(ტყვია), Sn(კალა), Ta(ტანტალი), Nb(ნიობიუმი), Nb3Sn(ნიობიუმისა და კალის შენადნობი). ტემპერატურის დაკლების კვალობაზე, ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლა, სხვადასხვა მასალებში სხვადასხვა ტემპერატურაზე დაიკვირვება. ამ ტემპერატურას მოცემული მასალის კრიტიკული ტემპერატურა ეწოდება (Tc).

crit-temp

სუფთა მეტალებიდან ყველაზე მაღალი კრიტიკული ტემპერატურა ნიობიუმს (Nb) გააჩნია და იგი 9.2 K -ს შეადგენს. შენადნობებიდან ლიდერობს Nb3Sn – 18 K. ასეთი დაბალი ტემპერატურების მიღწევა თხევადი ჰელიუმის გამოყენებით არის შესაძლებელი. თხევადი ჰელიუმი ნორმალური ატმოსფერული წნევის პირობებში დუღს 4.2 K ტემპერატურაზე (შეგახსენებთ, რომ კელვინის სკალის 0 K ტემპერატურას ცელსიუსის სკალის დაახლოებით -273 oС შეესაბამება). ჭურჭელში, რომელშიც თხევადი ჰელიუმია მოთავსებული, წნევის ცვლილებით შესაძლებელია სითხის ტემპერატურის რეგულირება – წნევის მომატება იწვევს სითხის ტემპერატურის მატებას, ხოლო დაკლება – ტემპერატურის კლებას.
უკანასკნელ წლებში შექმნილია ე.წ. ზეგამტარი კერამიკები, რომელთათვის ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლის კრიტიკული ტემპერატურა თხევადი აზოტის დუღილის ტემპერატურაზე (77 K) მეტია. ეს, რა თქმა უნდა საგრძნობლად აფართოვებს მათი გამოყენების დიაპაზონს, ვინაიდან თხევადი აზოტის მიღება გაცილებით უფრო ადვილი და იაფია, ვიდრე თხევადი ჰელიუმის.
ნულოვანი ელექტრული წინაღობის გარდა, ზეგამტარებში დაიკვირვება მეორე, არა ნაკლებ საოცარი მოვლენა – ზეგამტარიდან მაგნიტური ველის გამოდევნა. ამ ეფექტს მეისნერის ეფექტი ეწოდება.

EfektMeisneraმეისნერის ეფექტი აიხსნება იმით, რომ მაგნიტურ ველში ზეგამტარის ზედაპირზე აღიძვრება ისეთი სიდიდის და მიმართულების დენი, რომლის მაგნიტური ველი სრულიად აკომპენსირებს გარე მაგნიტურ ველს.
თუ ზეგამტარის ზედაპირზე მოვათავსებთ მუდმივ მაგნიტს, მაშინ ზეგამტარში აღძრული დენი შექმნის ისეთ მაგნიტურ ველს, რომელიც გამოიწვევს მუდმივი მაგნიტის განზიდვას და მაგნიტი ჰაერში ჩამოეკიდება. ამ ეფექტს მაგნიტური ლევიტაცია ეწოდება.

მუდმივი მაგნიტის ლევიტაცია ზეგამტარის თავზე



თხევადი აზოტით გაცივებილი კერამიკული ზეგამტარის ლევიტაცია



მაგნიტური ლევიტაციის გამოყენება



ლექცია ინგლისურ ენაზე

 

სხვა ქართული წყაროები ზეგამტარობის შესახებ:
1.ზეგამტარობა
2.ვიკიპედია.
3.ზეგამტარობის აღმოჩენა 100 წლისაა.
https://www.youtube.com/watch?v=H4SGDS9pzEs&feature=youtu.be

 

 

 

2 responses to “ზეგამტარობა. მაგნიტური ლევიტაცია.

  1. ასეთი ვიდეო ლექციები ქართული რომ იყოს (ან ქართული
    თარგმანი რომ ჰქონდეს) კარგი იქნებოდა!

    • თქვენს შენიშვნას ვეთანხმები და შევეცადე ნაკლი ნაწილობრივ მაინც გამომესწორებინა.

დატოვეთ კომენტარი

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / შეცვლა )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / შეცვლა )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / შეცვლა )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / შეცვლა )

Connecting to %s