Лекционный курс «Физические основы измерений и эталоны» Раздел

Лекционный курс
«Физические основы
измерений и эталоны»
Раздел
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
(ЭЛЕМЕНТЫ КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКИ)
Тема
«ЭЛЕКТРОННЫЙ» И «ЯДЕРНЫЙ»
ХОЛОДИЛЬНИКИ
НАПОМИНАНИЕ НЕКОТОРЫХ СВЕДЕНИЙ
ИЗ КУРСА
ОБЩЕЙ ФИЗИКИ,
ХОРОШЕЕ ЗНАНИЕ КОТОРЫХ
ПОДТВЕРЖДЕНО ОЦЕНКАМИ,
ПОЛУЧЕННЫМИ ВАМИ
НА ЭКЗАМЕНАХ
Учебник: И. В. Савельев «Курс общей физики»
(любого года издания)
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О МАГНИТНЫХ МОМЕНТАХ
(УПРОЩЕННОЕ ОПИСАНИЕ)
МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ (определение)
Направление вектора
магнитного момента
Величина
магнитного момента
.
pm = I S
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО МОМЕНТА
С ОДНОРОДНЫМ
МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Действует вращательный
момент, устанавливающий
Pm параллельно линиям
индукции магнитного поля В
Величина и направление
вращательного момента
(векторное произведение)
 
  
N  pm B
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО МОМЕНТА
С НЕОДНОРОДНЫМ
МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Дополнительно к
вращательному моменту
действует сила,
втягивающая pm
в область более сильного
магнитного поля
Величина силы
B
Fx  pm
cos 
x
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
МАГНИТНОГО МОМЕНТА
С МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Величина энергии
(скалярное произведение)
Энергия минимальна,
когда вектора
pm и В
параллельны
Энергия максимальна,
когда вектора
pm и В
антипараллельны
 
E p   pm B
СОБСТВЕННЫЕ МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ,
ИМЕЮЩИХ СОБСТВЕННЫЙ
МЕХАНИЧЕСКИЙ МОМЕНТ
( СПИН )
Направление вектора
собственного магнитного момента
(pm)s
всегда параллельно
направлению вектора спина
S
Величина
(pm)s пропорциональна
величине S
(коэффициент пропорциональности –
гиромагнитное отношение)


( pm ) s  S
ОРБИТАЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ
ЭЛЕКТРОНОВ В АТОМАХ
Направление
(pm)o
совпадает с направлением
орбитального момента импульса
M   l (l  1)
М
Величина (pm)o пропорциональна величине М
(коэффициент пропорциональности – магнетон Бора )
e
( pm ) o    B M  
 l (l  1)
2me c
ИНДУЦИРОВАННЫЕ
МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ
При помещении атома
во внешнее магнитное поле,
из-за проявления эффекта
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
величина
ВЕКТОРА ОРБИТАЛЬНОГО
МАГНИТНОГО МОМЕНТА ЭЛЕКТРОНА
УМЕНЬШАЕТСЯ
Это ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ изменение
называют
ИНДУЦИРОВАННЫМ
МАГНИТНЫМ МОМЕНТОМ
Вектор индуцированного магнитного момента
ВСЕГДА АНТИПАРАЛЛЕЛЕН
вектору индукции магнитного поля
МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ
АТОМОВ
(УПРОЩЕННОЕ ОПИСАНИЕ)
МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ АТОМА –
ВЕКТОРНАЯ СУММА
СОБСТВЕННЫХ И ОРБИТАЛЬНЫХ
МАГНИТНЫХ МОМЕНТОВ
ЭЛЕКТРОНОВ
АТОМНЫХ ОБОЛОЧЕК



( pm ) A   ( pm ) s i  ( pm ) o i
i
ПРИ НАЛИЧИИ
СПИН – ОРБИТАЛЬНОГО
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
НАПРАВЛЕНИЯ
(pm)s
И
(pm)o
СОВПАДАЮТ
В РЕЗУЛЬТАТЕ ДЕЙСТВИЯ ПРИНЦИПА ПАУЛИ
СПИНЫ КАЖДОЙ ПАРЫ ЭЛЕКТРОНОВ
ИМЕЮТ
ПРОТИВОПОЛОЖНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
ПОЭТОМУ МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ
ЭЛЕКТРОНОВ ТАКЖЕ ИМЕЮТ
ПРОТИВОПОЛОЖНЫЕ
НАПРАВЛЕНИЯ
И ВЕКТОРНАЯ СУММА
(pm)s и (pm)o
ДЛЯ ПАРЫ ЭЛЕКТРОНОВ
РАВНА НУЛЮ
У атомов с хорошо заполненными
электронными оболочками
магнитного момента
НЕТ
ПОЭТОМУ
БОЛЬШИЕ МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ
ОБЫЧНО ИМЕЮТ
АТОМЫ С НЕСПАРЕННЫМИ
ВАЛЕНТНЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ
И
АТОМАРНЫЕ ИОНЫ
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
ВЕЩЕСТВА
(УПРОЩЕННОЕ ОПИСАНИЕ)
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ


1
НАМАГИЧЕННОСТЬ
J
pm

( вектор )
V V
МАГНИТНАЯ
ВОСПРИИМЧИВОСТЬ
МАГНИТНАЯ
ПРОНИЦАЕМОСТЬ
МАГНИТНЫЕ ИНДУКЦИИ
В
Во
ВНУТРИ ВЕЩЕСТВА
И ВНЕ ВЕЩЕСТВА


J  H
  1 
В =  Во
ПАРАМАГНЕТИКИ
Суммарный магнитный момент атома не равен нулю
(pm)A  0
Наличием индуцированных магнитных моментов
можно пренебречь
Магнитная восприимчивость положительна
>0
Магнитная проницаемость больше единицы
> 1
Магнитное поле внутри вещества усиливается
В > Во
ДИАМАГНЕТИКИ
Суммарный магнитный момент атома равен нулю
(pm)A = 0
Индуцированные магнитные моменты
играют основную роль
Магнитная восприимчивость отрицательна
<0
Магнитная проницаемость меньше единицы
< 1
Магнитное поле внутри вещества ослабляется
В < Во
ФЕРРОМАГНЕТИКИ
Суммарный магнитный момент атома не равен нулю
(pm)A  0
За счет спин-спинового взаимодействия
магнитные моменты ориентируются
в одном направлении ( домены )
Магнитная восприимчивость очень велика
Магнитная проницаемость значительно больше единицы
 > > > >1
Магнитное поле внутри вещества многократно усиливается
В > > > > Во
МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ
АТОМНЫХ ЯДЕР
(УПРОЩЕННОЕ ОПИСАНИЕ)
НУКЛОНЫ,
СОСТАВЛЯЮЩИЕ АТОМНОЕ ЯДРО
ИМЕЮТ НЕНУЛЕВЫЕ СПИНЫ
И, СЛЕДОВАТЕЛЬНО,
КАЖДЫЙ НУКЛОН ИМЕЕТ
СОБСТВЕННЫЙ
МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ,
направление которого
параллельно направлению
вектора спина


( pm ) n  S
ПРОТОН :
НЕЙТРОН :
В РЕЗУЛЬТАТЕ ДЕЙСТВИЯ ПРИНЦИПА ПАУЛИ
СПИНЫ КАЖДОЙ ПАРЫ НУКЛОНОВ
ИМЕЮТ
ПРОТИВОПОЛОЖНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
ПОЭТОМУ МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ
НУКЛОНОВ ТАКЖЕ ИМЕЮТ
ПРОТИВОПОЛОЖНЫЕ
НАПРАВЛЕНИЯ
И ВЕКТОРНАЯ СУММА
(pm)n
ДЛЯ ПАРЫ НУКЛОНОВ
РАВНА НУЛЮ
У ядер с четными А и четными Z
магнитного момента
НЕТ
ПОЭТОМУ
БОЛЬШИЕ МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ
ОБЫЧНО ИМЕЮТ
ЯДРА С НЕЧЕТНЫМ
МАССОВЫМ ЧИСЛОМ А
РЕПЕРНЫЕ ТОЧКИ НИЖЕ 30К
(ШКАЛА ВПТШ-76 )
Реперные точки
Т,К
Точка перехода сверхпроводимости кадмия
0,519
Точка перехода сверхпроводимости цинка
0,851
Точка перехода сверхпроводимости алюминия
1,1796
Точка перехода сверхпроводимости индия
3,4145
Точка кипения гелия
4,2221
Точка перехода сверхпроводимости свинца
7,1999
Тройная точка водорода
13,8044
Точка кипения водорода при р= 33 330,6 Па
17,0373
Точка кипения водорода при р=101 325 Па
20,2735
Тройная точка неона
24,5591
Точка кипения неона
27,102
ЭЛЕКТРОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК
Адиабатическое размагничивание
парамагнитных
солей
Рабочее тело –
кристалл хромо-калиевых квасцов
Cr2(SO4)3K2SO424H2O
ЭЛЕКТРОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК
Ориентация магнитных моментов ионов в кристалле.
а) вне магнитного поля (высокая магнитная энтропия);
б) в магнитном поле (низкая магнитная энтропия).
ЭЛЕКТРОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК
Рабочий цикл “электронного холодильника”
Т1
температура
жидкого гелия
( 1 К).
Т3
0,1 -0,01 K
ЭЛЕКТРОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК
Конструкция
электронного
холодильника
ЯДЕРНЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК
Адиабатическое размагничивание
системы
атомных ядер
Рабочее тело –
кристалл
меди
ЯДЕРНЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК
Рабочий цикл “ядерного холодильника”
Т1
температура
электронного
холодильника
( 0,1-0,01 К).
Т3
до 10-6 K !!!
ЯДЕРНЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК
Вводятся
дополнительные
элементы в
конструкцию
электронного
холодильника