Нейтрино
При бэта-распаде ядер должен выполняться закон сохранения момента импульса. Поэтому необходимо признать существование нейтрино.
Ядерные силы, связанные с образованием и поглощением нейтрино назвали слабым взаимодействием. Сечение взаимодействия нейтрино с ядром ~ 10-44 см2. Длина пробега нейтрино в веществе ~ 1017 км.
Слабое взаимодействие – четвертое фундаментальное взаимодействие в природе.
Таблица.
Радиоактивные ряды
Квантовая физика твердого тела
Физика твердого тела самый сложный раздел современной фундаментальной физики, которым занято значчительная часть ныне действующих физиков. Число объектов исследования в этом разделе физики по существу бесконечно. Невозможно даже перечислить все явления, свойства и реакции этих объектов на разнообразные воздействия.
Твердое состояние вещества характеризуется стабильностью формы и может быть кристаллическим или аморфным.
Исследования научным методом твердых тел начались в 17 в. Первые физические законы, относящиеся к этому разделу физики, хорошо известны. Некоторые из них включены в школьные курсы физики. Это закон упругости Гука (1678), закон теплоемкости Дюлонга и Пти (1819), закон Ома (1826), закон Видемана Франца (1853) (при данной температуре отношение теплопроводности всех металлов к их электропроводности постоянно).
Представления о кристалле, как совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве, в окончательном виде сформулировано О. Браве в 1848 г. В 1890 г. Е.С. Федоров и независимо Шёнфлис доказали возможность существования 230 вариантов упорядоченного расположения частиц в кристаллах.
Окончательные экспериментальные доказательства кристаллической структуры твердого тела были получены в опытах по дифракции рентгеновских лучей в кристаллах (Лауэ и др. 1912). Дифракционные опыты дали метод измерения межатомных расстояний и порядка расположения атомов в кристалле. Этот метод назвали рентгеноструктурным анализом.
Сверхпроводимость
В 1908 г. Камерлинг-Оннес впервые получил жидкий гелий. Это дало возможность исследований свойств веществ при температурах, близких к температуре абсолютного нуля (-273,15º С). Такие исследования привели к открытию целого ряда уникальных квантовых явлений, происходящих не с отдельными атомами, а в макроскопических телах, содержащих неисчислимо большое число атомов.
Охлаждение металлической проволоки приводит к уменьшению ее электрического сопротивления. Это свойство металла позволяет использовать его в качестве термометра, так как электрическое сопротивление можно точно измерить с помощью электрического моста. Сопротивление медной проволоки мало, поэтому точность измерений низких температур с ее помощью оказалась недостаточной. Для исправления этого недостатка своей установки в 1911 г. Камерлинг-Оннес в качестве термометрического тела решил применить проволоку, длинный тонкий капилляр, заполненный замороженной ртутью, электрическое сопротивление которой значительно больше, чем у меди. К его удивлению при температуре ниже 4 К электрическое сопротивление ртути полностью исчезало, обратившись в ноль. Так было открыто явление сверхпроводимости.
Иногда думают, что при переходе в сверхпроводящее состоянии электрическое сопротивление не исчезает, а просто становится очень малым. Опыты показывают, что это не так. Сопротивление действительно исчезает полностью. Если изготовить кольцо из сверхпроводящего материала и возбудить в нем электрический ток, то он будет без ослабления циркулировать в кольце сотни тысяч лет.
Свойством сверхпроводимости, как оказалось, обладают многие элементы и сплавы, если их охладить ниже некоторой критической температуры, характерной для каждого вещества. Как ни парадоксально, медь и серебро, являющиеся лучшими проводниками при комнатной температуре, сверхпроводниками не являются.
Удовлетворительное объяснение сверхпроводимости сумели дать только спустя 50 лет после ее открытия Бардин, Купер и Шрифер (теория БКШ). Оказалось, что сверхпроводимость – квантовое явление.
Обычная электрическая проводимость обусловлена присутствием в металлах электронов, не связанных с атомами кристаллической решетки, которые назвали электронами проводимости. Если к металлической проволоке приложить разность потенциалов, то по ней потечет постоянный электрический ток, то есть электроны в металле движутся с некоторой в среднем постоянной скоростью. Почему ток оказывается постоянным? Ведь на электроны проводимости постоянно действует электродвижущая сила, которая должна приводить к их ускоренному движению после подключения источника тока. Ответ заключается в том, что электроны при своем движении постоянно сталкиваются с неоднородностями кристалличской решетки и передают ей часть своей кинетической энергии. Поэтому при протекании тока проводник нагревается.
Что же происходит в сверхпроводнике? Полный ответ на этот вопрос сложен. Суть явления заключается в том, что в сверхпроводнике положительные заряды атомных ядер экранируют отрицательные заряды электронов, в результате чего возникает слабое притяжение электронов. Электроны проводимости в этом случае передвигаются парами. Размер такой пары примерно равен 30 мкм и значительно больше межатомного расстояния металла (доли микрометра). Поэтому электронные пары распространяются в кристаллической решетке без рассеяния. Такова причина возникновения сверхпроводимости.
Слабая связь электронов в паре приводит к тому, что сверхпроводящее состояние сохраняется только при очень низких, гелиевых температурах.
В 1986 г. Беднорцем и Мюллером был открыт новый класс металлооксидных сверхпроводников из керамики Bi2Sr2CaCu2O8 оксид висмута-калия-стронция –меди (сокращенно BSCCO),( (Нобелевская премия по физике 1988 г). Критическая температура новых материалов лежит в области 120 К. Это уже температура выше точки кипения жидкого азота при нормальном давлении (77 К). Эти сверхпроводники интенсивно изучают.
В 2001 г. открыта сверхпроводимость металлического соединения диборида магния MgB2, критическая температура которого – 39 К. В отличие от керамики этот материал лучше подходит для изготовления проводов и, следовательно, создания нового класса электрических машин и трансформаторов.
Исключительная подвижность зарядов в сверхпроводнике приводит к поразительным явлениям. Например, если поместить магнит в сверхпроводящую чашку, то он будет висеть в воздухе не падая на ее дно (эффект Мейснера).
Замечательными свойствами обладает жидкий гелий. При температуре ниже некоторой критической он превращается в квантовую жидкость, обладающую свойством сверхтекучести. Сверхтекучая жидкость перемещается без трения по капиллярам, вытекает из сосуда вверх по стенкам (туннельный эффект), и проникает через сколь угодно узкие отверстия. Явление сверхтекучести жидкого гелия было открыто российским ученым П.Л. Капицей в 1938 г. (Нобелевская премия по физике 1978 г.).