[ Pobierz całość w formacie PDF ]
FIZYKA
szósty stan materii
Zrobili
KW
Amerykańskim uczonym udało się otrzymać nowy stan
skupienia, stan materii − kondensat fermionowy. Tradycyjnie
wyróżniamy trzy stany skupienia: ciało stałe, ciecz i gaz.
W XX w. dodano do nich dwa nowe: plazmę i kondensat
Bosego−Einsteina nazywany płynną plazmą.
próżni. Najniższa naturalna temperatura wy−
stępująca we wszechświecie wynosi 3 K. La−
boratoryjnie kondensat wytworzono w nie−
wielkiej szklanej komorze próżniowej. Bada−
cze wstrzeliwali do środka atomy rubidu.
Następnie oświetlali naczynie promieniami
lasera, co doprowadziło do nagłego odparo−
wywania atomów. Potem dobierając odpo−
wiednią sekwencję błysków kilku innych
wiązek laserowego światła, zabierali, za−
miast dodawać, energię atomom, tak że ich
temperatura gwałtownie spadła do poziomu
S
tan skupienia to forma wy−
stępowania danej substancji
określająca jej podstawowe
cechy fizyczne. Co to jest
ciecz, gaz i ciało stałe zapewne każdy
zCzytelników MT wie. Przypomnimy tutaj
kilka wiadomości na temat pozostałych sta−
nów skupienia.
C
iecz i ciało
stałe
Czy plazma to twór pisarzy
SF?
Plazma to zjonizowany gaz o dużej
koncentracji cząstek (na przykład w błyska−
wicy) zawierający w przybliżeniu takie same
ilości ładunków ujemnych, jak i dodatnich.
Pod względem właściwości elektrycznych
plazma podobna jest do metalu. Ze względu
na specyficzne zjawiska wyróżnia się pla−
zmę:
− ZIMNĄ − o temperaturze rzędu 10 tys.
kelwinów, która wykorzystywana jest w pla−
zmotronach, w napędzie plazmowym, w ge−
neratorach magnetohydrodynamicznych.
− GORĄCĄ − o temperaturze ponad 1 mln
K, wytwarzaną w celu badania warunków
powstawania kontrolowanej reakcji termoją−
drowej. Na Ziemi plazma występuje rzadko,
natomiast w przestrzeni kosmicznej stanowi
najczęściej występujący stan materii − z pla−
zmy zbudowane są niektóre gwiazdy, np.
Słońce i galaktyki.
P
lazma
kilku tysięcznych części kelwina.
Aby ostudzone atomy nie stykały
się z o wiele od nich cieplejszymi
ściankami naczynia, dwa elektroma−
gnesy utrzymywały rubidowy gaz
dokładnie pośrodku komory. Na−
stępnie tak dobrano natężenie pól
magnetycznych, by atomy o wyż−
szej temperaturze, czyli poruszające
się najszybciej, mogły uciec z pułap−
ki. Wtedy też te atomy, które pozo−
stały w naczyniu, były już napraw−
dę zimne − temperatura ich spadła
do 170 nanokelwinów (1,7x10
–7
Co to jest
kondensat Bosego−Einsteina?
Kondensat Bosego−Einsteina powstaje
w szczególnych warunkach − w skrajnie ni−
skich temperaturach, rzędu 0,000 000 001 K
(powyżej zera bezwzględnego) i w wysokiej
18
kelwina), czyli zaledwie stu siedemdziesię−
ciu miliardowych części stopnia powyżej ze−
ra absolutnego. Wówczas straciły indywidu−
alne właściwości i chęć do poruszania się
każdy po swojemu i zamieniły w kondensat
Bosego−Einsteina. Oznacza to, że atomy te,
w liczbie 5−10 mln, które w normalnych
temperaturach poruszają się chaotycznie, w
Leksykon trudniejszych pojęć
Bozon
– obiekt kwantowy o symetrycznej funkcji falowej. Ma spin cał−
kowity. Bozonami są pewne cząstki elementarne, takie jak: fotony,
bozony pośredniczące i gluony, ale również pewne quasi−cząstki
pojawiające się w kryształach (np. fonon) oraz mezony. Bozon jest
też układem parzystej liczby fermionów. Charakterystyczną cechą
bozonów jest to, że wiele ich może znajdować się w tym samym
stanie kwantowym.
Fermion
– obiekt kwantowy o antysymetrycznej funkcji falowej. Posiada
ułamkową (1/2, 3/2,... w jednostkach stałej Plancka) wartość spi−
nu. Fermionami są kwarki, elektrony, neutrina, miony, bariony oraz
pewne quasi−cząstki (np. dziury). Układ cząstek (np. jądro atomo−
we) zbudowany z nieparzystej liczby fermionów pozostaje fermio−
nem, przy parzystej liczbie fermionów staje się bozonem.
Spin
– własny (wewnętrzny) − to moment pędu cząstki mierzony w ukła−
dzie odniesienia, w którym cząstka spoczywa. Każdy rodzaj cząst−
ki elementarnej posiada właściwy sobie spin. Cząstki, których spin
jest ułamkowy, mają własności kwantowe różne od cząstek o spinie
całkowitym (fermiony, bozony). Fundamentalne cząstki elementarne
(kwarki, leptony) mają spin ułamkowy, kwanty pól fundamentalnych
(foton, gluon, bozony pośredniczące W, Z) − mają spin całkowity
W
oda w stanie
kondensacie zachowują się tak, jakby były
jednym wielkim atomem (niektórzy fizycy
mówią „superatomem”). W takim stanie
materii nie można odróżnić jednego atomu
od drugiego − wszystkie są identyczne i znaj−
dują się w tym samym miejscu. Stan ten
udało się utrzymać przez ponad 15 sekund,
a więc jak na współczesną fizykę kwantową
przez „całą wieczność”. Wszystkie atomy
schłodzone do tak niskiej temperatury znaj−
dują się w jednym podstawowym stanie
kwantowym − o najniższej energii. Jak wia−
domo, wraz ze zmniejszaniem się tempera−
tury, zmniejsza się ruchliwość atomów. Oka−
zuje się, że gdy atomy tracą naturalną w
wyższych temperaturach „żywotność”, wy−
kazują pewne specjalne własności. Można to
sobie wyobrazić tak, że wszystkie atomy ga−
zu zaczynają poruszać się, drgać w ten sam
sposób. Nasuwa się porównanie z filharmo−
nią − zanim wejdzie dyrygent, panuje szum i
hałas, ale po wejściu dyrygenta następuje
korelacja poszczególnych dźwięków, pojawia
się nowa, zsynchronizowana jakość − mówił
prof. Gawlik z Wydziału Fizyki Uniwersytetu
Jagiellońskiego. Sama przemiana przypomi−
na nieco kondensację − skraplanie się cieczy
z gazu, dlatego też ten stan zwany jest kon−
densatem.
wiązką lase−
rową kondensat
Bosego−Einsteina,
udało się za pomo−
cą kamery CCD
uzyskać obraz je−
go cienia. Kolory
odpowiadają stop−
niowi absorpcji
światła: natężenie
czerwieni jest pro−
porcjonalne do gę−
stości atomów;
kolor niebieski to
tzw. negatywna
absorpcja, czyli
przezroczystość
materii. Zdjęcie
z lewej − 120 000
atomów w tempe−
raturze 590 nK
(590 miliardowych
kelwina powyżej
zera bezwzględne−
go), z prawej −
20 000 atomów
w temperaturze
100 nK. Badany
kondensat miał
kształt zbliżony do
kuli i średnicę oko−
ło 3 mikrometrów
śnie zachowywać się tak samo. Można jed−
nak połączyć fermiony w pary, zwane parami
Coopera. Wtedy para fermionów ma spin cał−
kowity i może zachowywać się jak bozon.
Do tworzenia kondensatu użyto atomów po−
tasu−40. Schłodzono je do temperatury 300
nanokelwinów (3 x10
–7
kelwina). Odpo−
wiednio dobrane pole magnetyczne i umiejęt−
ne manipulowanie laserem pozwoliło połą−
czyć atomy w pary, nie pozwalając im jedno−
cześnie utworzyć dwuatomowych cząste−
czek. Pomiary potwierdziły, że tak otrzyma−
ny gaz ma wszelkie cechy kondensatu − mi−
mo że tworzą go fermiony. Innymi słowy,
wszystkie pary fermionów w gazie zachowu−
ją się identycznie.
Naukowcy z uniwersytetu Kolorado,
którzy uzyskali kondensat, mówią, że ich
odkrycie może doprowadzić do opracowania
nadprzewodników działających w temperatu−
rze pokojowej − takie materiały znalazłyby
zastosowanie w budowie komputerów, urzą−
dzeń medycznych, a nawet w transporcie.
Dotychczas „najcieplejsze” nadprzewodniki
wymagają temperatury minus 135 stopni C.
Znowu zrobili coś nowego!
Amerykańskim uczonym udało się otrzy−
mać nowy stan materii − kondensat fermiono−
wy. Jest on tak naprawdę odmianą konden−
satu Bosego−Einsteina, tyle że składającą się
z fermionów. Kondensat Bosego−Einsteina
mogą tworzyć jedynie bozony − cząsteczki al−
bo atomy o spinie całkowitym. W przypadku
fermionów − cząsteczek lub atomów o spinie
połówkowym − na przeszkodzie staje tzw.
zakaz Pauliego, który mówi, że w jednym
układzie dwa fermiony nie mogą jednocze−
C
ztery stany
19
gazowym
O
świetlając
materii
[ Pobierz całość w formacie PDF ]