Pająk Kapicy, efekt Meissnera i skraplanie tlenu

Cykl - Nadciekłość Wideo

Eksperymenty z wykorzystaniem ekstremalnie niskich temperatur.

Fizyka to dziedzina nauki niezwykle ciekawa. Dla wielu też tajemnicza, niekiedy trudna do pojęcia. Choć kiedy się ją bliżej pozna — okazuje się logiczna, wciągająca i piękna – szczególnie, gdy sięga zjawisk, które nie łatwo zaobserwować na co dzień.

Zakład Fizyki Niskich Temperatur w Odolanowie jest częścią Instytutu Fizyki Molekularnej PAN w Poznaniu. Tutaj byliśmy świadkami doświadczeń prezentujących zjawiska fizyki w specjalnych warunkach, które swego czasu były przełomowymi dla nauki, a teraz stanowią podstawę do poszukiwania materiałów niespotykanych w warunkach naturalnych – jakimi są np. nadprzewodniki.
Długo trwało, zanim udało się naukowcom skroplić gazy — tlen czy azot. Trudno było uzyskać podczas badań odpowiednio niskie temperatury i odpowiednio wysokie ciśnienie. Ciekły hel zaś, jest jeszcze bardziej „chłodny”. Umożliwił demonstrację zjawisk, w które by uwierzyć, trzeba je po prostu zobaczyć. Potem widząc … jeszcze raz postarać się zrozumieć … by już wiedząc … ciągle nie być w pełni przekonanym, że to dzieje się na prawdę.

Poniżej prezentujemy eksperymenty, które pozwalają zajrzeć odrobinę w głąb niezwykłości świata fizyki – nawet tej, którą nazywa się fizyką kwantową.

Przemiana Lambda i pająk Kapicy

Przemiana Lambda i pająk Kapicy

Doświadczenie z wykorzystaniem ciekłego helu — Przemiana Lambda i pająk Kapicy.

Pierwszym, który skroplił hel, był Kammerlingh Onnes w Lejdzie w 1908 roku. Z kolei w 1927 roku, W. H. Keeson i Mieczysław Wolfke (Polak) starając się schłodzić ciekły hel jeszcze bardziej — stwierdzili, że przekraczając temperaturę 2,17 K, zmienia się on w sposób diametralny. Bardzo gwałtownie wrzący hel — nagle — uspokaja się, staje się idealnie przeźroczysty, nie ma w nim najmniejszych, jakichkolwiek pęcherzyków. Naukowcy nadali więc temu „spokojnemu” helowi nazwę helu II, w odróżnieniu od helu I, czyli tego sprzed przemiany w temperaturze 2,17 K. Wykazali w ten sposób, że hel występuje w dwóch różnych fazach (hel I, hel II), a punktem krytycznym tej przemiany jest temperatura 2,17 K.

W 1937 Piotr Kapica zaobserwował zanik lepkości helu II. Stwierdził, że przepływa on, bez straty energii, przez najmniejsze szczeliny, drobniutkie kapilary. Kapica nazwał ten stan nadciekłością. Taki hel nadciekły jest niemal doskonałym przewodnikiem ciepła.Laszlo Tisza w 1938 zaproponował, by własności helu II opisać za pomocą modelu dwupłynowego. Hel II składa się z dwóch składowych: nadciekłej — pozbawionej entropii oraz składowej normalnej. Model dwupłynowy ilustruje m.in. działanie aparatu nazwanego „pająkiem Kapicy”. Składowa nadciekła nie przenosi energii cieplnej, nie ma lepkości, płynie do źródła ciepła, w kierunku przeciwnym do składowej normalnej.

Nadciekły hel „pełznie” po powierzchni ciał stałych, wypełniając sobą całą możliwą przestrzeń. Pełznąc, warstewka nadciekłego helu ogrzewa się i traci nadciekłość, wtedy wyparowuje. Wprawianie nadciekłego helu w ruch obrotowy powoduje powstawanie uporządkowanej sieci wirów kwantowych. W miejscu występowania wiru składowa nadciekła zanika.

Nadciekły hel ma jeszcze więcej zaskakujących własności. Pojawiły się takie pojęcia jak efekt fontannowy, drugi dźwięk (a nieco później trzeci, czwarty i piąty), zjawisko mechanokaloryczne, rotony …Skroplony hel jest to „ciecz kwantowa”. W normalnych warunkach (ciśnienia atmosferycznego) hel schładzany zawsze pozostaje cieczą, aż do temperatury 0 K (czyli zera bezwzględnego). Dopiero pod znacznie zwiększonym ciśnieniem udaje się schładzany hel doprowadzić do stanu stałego – zamrozić.To właśnie bardzo niskie temperatury umożliwiają obserwowanie zjawisk fizyki kwantowej. Niezbędnym medium jest tutaj właśnie hel.Dotąd mowa była ciągle o izotopie helu-4, którego na ziemi jest niewielka ilość. Wydobywa się go razem gazem ziemnym i oddziela z od innych składników gazu poprzez destylację frakcyjną. Wykorzystując zaś to, że przechodzi on w stan nadciekły, udaje się poprzez sita entropowe, oddzielić z niego, niewielką ilość izotopu 3He. Sądzi się, że w nieodległej perspektywie dzięki reakcji izotopu helu-3 z deuterem (izotopem wodoru), można będzie otrzymać doskonałe, bo bezpieczne (bez szkodliwego promieniowania) źródło tzw. energii jądrowej.

Efekt Meissnera

Efekt Meissnera

Doświadczenie z wykorzystaniem ciekłego azotu — Efekt Meissnera

Materiał, w którym całkowicie zanika opór elektryczny, staje się nadprzewodnikiem. Nadprzewodnik jest też doskonałym diamagnetykiem — to znaczy, że jeżeli znajdzie się w polu magnetycznym, to nie będzie ono wnikać do jego wnętrza. Lub inaczej — pole magnetyczne zostanie wypchnięte z jego wnętrza (poza niewielką warstwą powierzchniową). Zjawisko to ilustruje doświadczenie nazwane „efektem Meissnera”.W warstwie powierzchniowej nadprzewodnika — jeśli w jego pobliżu znajdzie się magnes — pojawi się prąd elektryczny o natężeniu takim, by wytworzyć pole magnetyczne kompensujące to docierające z zewnątrz, z magnesu. Powstaje wtedy poduszka magnetyczna utrzymująca magnes nad nadprzewodnikiem lub nadprzewodnik nad magnesem. Mówimy wtedy o efekcie lewitacji.Materiały nadprzewodzące otrzymujemy w bardzo niskich temperaturach. Dzieli się je na niskotemperaturowe, czyli przechodzące w stan nadprzewodzący poniżej temperatury wrzenia ciekłego azotu oraz wysokotemperaturowe. Daleko nam jednak, do wytworzenia materiału, który byłby nadprzewodnikiem w temperaturach bliskich tych, w jakich działamy na co dzień.Fizyka klasyczna nie tłumaczy zjawisk nadprzewodnictwa. Jest kilka teorii wyjaśniających je w oparciu o zasady fizyki kwantowej.

Skraplanie tlenu

Skraplanie tlenu

Doświadczenie z wykorzystaniem ciekłego azotu — Skraplanie tlenuW XIX wieku tlen i azot były nazywane „twardymi gazami”, czyli takimi, których nie można zamienić w ciecz. Byli jednak sceptycy tej teorii, więc próby skraplania coraz to innych gazów odbywały się nieprzerwanie. W końcu Francuz Louis-Paul Cailletet dzięki tzw. metodzie kaskadowej zobaczył nietrwałą, ale widoczną mgiełkę tlenu. Do przełomu więc było już bardzo blisko.5 kwietnia 1883 roku, w Krakowie — Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski korzystając z metody Cailleteta, używając jednak wrzącego etylenu pod wysokim ciśnieniem, otrzymali — po raz pierwszy w świecie — ciekły tlen. Po kilku kolejnych doświadczeniach otrzymali również ciekły azot.Było to wielkie wydarzenie w świecie nauki. Zniknęło pojęcie „gazów twardych”, więc niemożliwe stało się rzeczywistością.

 

Eksperymenty z ciekłym helem przeprowadzono z użyciem układu, którego konstrukcja została sfinansowana w ramach projektu NCBiR:
INNOTECH-K1/IN1/11/159127/NCBR/12 w Zakładzie Fizyki Niskich Temperatur w Odolanowie

Realizację filmu dofinansowała:

Film

  • Przemiana Lambda i pająk Kapicy04:48
  • Efekt Meissnera01:49
  • Skraplanie tlenu01:49

Polecane artykuły

Nadpłynność helu – prof. Wojciech Kempiński

Nadpłynność, czasami nazywana nadciekłością, jest zjawiskiem z obszaru fizyki kwantowej, a więc z obszaru, w którym intuicja nie zawsze podpowiada poprawne rozwiązania. Zjawisko to zostało odkryte u początków fizyki kwantowej więc pierwsze próby jego wyjaśnienia z konieczności oparte były o podstawy fizyki klasycznej. Pierwsze badania helu ciekłego możliwe były oczywiście po jego skropleniu, a to zawdzięczamy Heike Kamerligh-Onnesowi – rok 1908. Za datę powstania fizyki kwantowej uznaje się natomiast dzień 14 grudnia 1900 roku, gdy na posiedzeniu Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego w Berlinie Max Planck przedstawił wyprowadzenie prawa promieniowania ciała doskonale czarnego.

czytaj dalej

Eksperymenty z ciekłym azotem i ciekłym helem

Doświadczenia z tlenem lub azotem w stanie ciekłym są zawsze ekscytujące. Mamy do czynienia przecież z czymś bardzo specyficznym. W eksperymentach z ciekłym helem zaś zaczynają się dziać zdarzenia — zwyczajnie niemożliwe. Ciekły hel otwiera dla nas świat fizyki kwantowej.

czytaj dalej

Różnorodność biologiczna

Jednym z organizmów żywych, który jest ważną częścią różnorodności biologicznej Ziemi, jest drzewo. Na nim, przede wszystkim skupiliśmy, się realizując cykl dotyczący bioróżnorodności.

czytaj dalej

Czysta energia

Z pojęciem energii związany jest współcześnie zespół zagadnień dotyczących jej źródeł, produkcji, przesyłu, handlu i wykorzystania w wielu przestrzeniach ludzkiej codzienności. Połączone są z nią zagadnienia technologii jej wytwarzania, transportu i racjonalnego...

czytaj dalej