Có nhieău phương pháp khác nhau đeơ làm giạm nhieơt đoơ moơt vaơt. Ý đoă cụa mĩi phương pháp đó đeău là buoơc vaơt ta muôn làm lánh phại tieđu hao naíng lượng cụa mình. Nhưng làm thê nào? Moơt trong các phương pháp đó là:
l Làm cho khôi lỏng sođi leđn nhưng lái khođng cung câp nhieơt cho nó, muôn vaơy ta chư caăn làm giạm áp suât xuông tới baỉng áp suât hơi bão hoaø. Nhieơt tieđu thú vì sođi sẽ được lây từ khôi lỏng đó và do đó nhieơt đoơ cụa khôi lỏng và áp suât hơi bão hoà sẽ giạm đi. Vì vaơy đeơ cho sự sođi khođng bị ngừng lái mà xạy ra nhanh hơn thì ta phại lieđn túc hút khođng khí từ bình chứa khôi lỏng ra. Tuy nhieđn, vieơc há nhieơt đoơ trong quá trình đó sẽ bị hán chê, bởi vì cuôi cùng thì áp suât cụa hơi sẽ có trị sô khođng đáng keơ, và baỉng các bơm hút mánh nhât ta cũng khođng theơ táo ra áp suât caăn thiêt.
SVTH: Võ Cođng Nghi 47 l Muôn tiêp túc làm giạm nhieơt đoơ ta có theơ làm như sau : làm lánh moơt khôi khí baỉng moơt khôi lỏng vừa thu được đeơ biên đoơi khí đó (do há nhieơt đoơ) thành moơt khôi lỏng thứ hai có nhieơt đoơ sođi thâp hơn. Quá trình hút hơi có theơ laịp lái với khôi lỏng thứ hai đó, nêu tiêp túc như vaơy thì ta sẽ thu được nhieơt đoơ thâp hơn. Đó là phương pháp từng " nâc". Cuôi thê kỷ trước, người ta đã tiên hành như vaơy và đã hoá lỏng được các chât khí như eđtylen, ođxy, nitơ, hidrođ, đó là những chât có nhieơt đoơ sođi là: -1030C, - 1830C, -1960C và-2530C. Với hiđrođ lỏng ta thu được chât lỏng có nhieơt đoơ sođi thâp nhât – đó là heđli lỏng (-2690C).
Phương pháp "từng nâc " đó hieơn nay ít dùng, người ta dùng phương pháp khác đeơ làm giạm nhieơt đoơ chât khí, đó là:
l Làm cho chât khí dãn nở nhanh và sinh cođng. Chẳng hán, nêu ta cho khođng khí bị nén tới vài atmođtphe đi vào trong thiêt bị dãn nở, thì khi thực hieơn cođng làm chuyeơn dời pittođng hay làm quay tuabin, khođng khí sẽ bị làm lánh đoơt ngoơt đên noêi nó biên thành chât lỏng. Nhưng đôi với cođng tác nghieđn cứu khoa hĩc, nhieơt đoơ đó chưa đụ đên mức caăn thiêt. Thực vaơy, nêu dùng nhieơt giai tuyeơt đôi thì nhieơt đoơ cụa khođng khí lỏng văn còn khoạng 1/3 nhieơt đoơ phòng. Nhieơt đoơ thâp nhât thu được khi hút heđli lỏng là 0,70 K.
l Làm thê nào đeơ thu được nhieơt đoơ thâp hơn? Muôn vaơy ta chư caăn làm lánh heơ spin.
Bađy giờ chúng ta hãy xét chi tiêt moơt quá trình đơn giạn mà người ta sử dúng đeơ làm lánh heơ Spin, và qua đó ta sẽ hieơu được là tređn thực tê người ta thu được nhieơt đoơ rât thâp như thê nào. Muôn vaơy, ta lái xét moơt heơ spin naỉm trong moơt từ trường H và có nhieơt đoơθ. Sô spin (eđlectron) naỉm ở mức thâp sẽ baỉng:
θ µ =Nexp H n1
và sô spin ( eđlectron) ở mức cao baỉng :
θ µ = θ µ − = H 2 exp n n có Ta H exp N n 2 1 2
Bađy giờ, ta làm giạm cường đoơ cụa từ trường H ( nghĩa là tiêđn hành khử từ ) đên giá trị H1 moơt cách khá thaơn trĩng sao cho khi đó các spin (eđlectron ) khođng heă chuyeơn từ tráng thái này sang tráng thái khác và
SVTH: Võ Cođng Nghi 48 tráng thái mới cụa heơ văn còn cađn baỉng. Các cođng trình nghieđn cứu lý thuyêt và thực nghieơm đã chư rõ raỉng đieău này hoàn toàn có theơ thực hieơn được. Khi đó ta có theơ thu được ( Hình 12 ) moơt heơ thức naíng lượng mới với khoạng cách giữa các mức baỉng 2µH nhỏ hơn. Tuy nhieđn, do các spin trong heơ khođng thay đoơi tráng thái cụa mình, neđn sô spin tređn các mức mới
n'1 và n'2 văn baỉng sô spin tređn các mức cũ, nghĩa là n'1= n1 và n'2= n2
Maịt khác trong tráng thái mới xuât hieơn cụa heơ văn là cađn baỉng, do đó nó văn được dieên tạ baỉng phađn bô Ghipxơ và có nhieơt đoơ θ1 . Từ đó ta có: 2 1 2 1 1 1 2 1 ' ' : 2 exp ' ' n n n n vì Bởi H n n = = θ µ
neđn giữa nhieơt đoơ mới θ1 và nhieơt đoơ θ cụa heơ có heơ thức:
2 1 1 H H = θ θ
có nghĩa là từ trường giạm đi bao nhieđu laăn thì nhieơt đoơ cũng giạm đi bây nhieđu laăn.
Nhaơn xét chung: Thốt nhìn ta có theơ tưởng tượng raỉng: nêu ta tiên hành khử từ cho đên khi từ trường baỉng 0, thì cuôi cùng ta phại thu được nhieơt đoơ 0 tuyeơt đôi. Nhưng đieău đó trong thực tê là khođng đúng. Thực vaơy, ta caăn phại nhaĩc lái raỉng phương pháp neđu tređn mà ta dùng đeơ xét heơ spin chư đúng khi mà naíng lượng cụa spin trong từ trường ngoài lớn hơn nhieău so với naíng lượng tương tác giữa các spin. Khi từ trường ngoài là khá yêu thì đieău kieơn đó khođng còn được thỏa mãn nữa( trị sô tuyeơt đôi cụa naíng lượng cụa spin (eđlectron ) trong từ trường ngoài là │µH│), vì vaơy ở đađy ta chưa đi tới kêt luaơn nào cạ. Tuy nhieđn, veă phương dieơn vaơt lý cũng có theơ
thây rõ đieău sau đađy. Tương tác giữa các momen từ cụa các hát (heơ
H1
E1= +µΗ1 E1= -µΗ1 H
SVTH: Võ Cođng Nghi 49 eđlectron ) có spin khođng ghép đođi được theơ hieơn như sau : moêi mođmen từ (hát ) đên chịu tác dúng cụa từ trường do các mođmen từ (hát) beđn cánh gađy neđn ( vì có theơ coi hát có mođmen từ như moơt nam chađm rât nhỏ) .Vì vaơy ta khođng theơ nào làm giạm từ trường tác dúng leđn spin (hát ) đên baỉng 0 được. Bởi vì dù ta có làm cho từ trường beđn ngoài baỉng 0 đi chaíng nữa thì văn còn lái từ trường địa phương này xác định nhieơt đoơ thâp nhât có theơ đát được.
Ta cũng có theơ hieơu được ý nghĩa vaơt lý cụa vieơc há nhieơt đoơ cụa heơ spin baỉng cách khử từ nêu ta tiên hành laơp luaơn như sau.
Giạ sử ta có moơt heơ spin naỉm ở tráng thái có nhieơt đoơ θ trong từ trường H và giạ sử ta tiên hành khử từ cho đên khi từ trường còn baỉng H1. Sau khi khử từø sô hát tređn các mức naíng lượng mới cụa heơ sẽ khođng tương ứng với tráng thái cađn baỉng nhieơt đoơng ở nhieơt đođï θ, bởi vì ở đađy sô spin (hát) ở mức tređn chưa có đụ như yeđu caău đòi hỏi. Nêu ta cho heơ bị khử từ từ đó tiêp xúc nhieơt với moơt vaơt nào đó naỉm ở nhieơt đoơ θ, thì heơ phức táp (bao goăm heơ bị khử từ và vaơt) sẽ khođng còn naỉm trong tráng thái cađn baỉng nhieơt đoơng nữa, bởi vì hai phaăn cụa heơ phức táp này có nhieơt đoơ khác nhau. Vì vaơy, baĩt đaău xạy ra quá trình thiêt laơp cađn baỉng nhieơt đoơng mà kêt quạ là: moơt phaăn spin cụa heơ spin bị khử từ sẽ chuyeơn leđn mức tređn. Muôn chuyeơn như vaơy naíng lượng các spin phại taíng leđn và đieău đó có theơ xạy ra nêu như naíng lượng đó được lây ra từ moơt vaơt naỉm tiêp xúc với heơ spin. Như vaơy, heơ spin sẽ nóng leđn, còn vaơt thì lánh đi. Naíng lượng sẽ được chuyeơn từ vaơt có nhieơt đoơ θ sang heơ spin, nhieơt đoơ cụa vaơt giạm đi và trở thành nhỏ hơn θ. Vì vaơy sau khi khử từ nhieơt đoơ cụa heơ spin sẽ là θ1 < θ.
Bađy giờ ta nhaĩc lái raỉng, đeơ khạo sát heơ spin chúng ta đã tách ra moơt cách nhađn táo moơt taơp hợp spin, eđlectron (hát) ra khỏi hợp phaăn cụa máng tinh theơ chứa chúng. Đieău đó là hợp lý bởi vì tương tác giữa heơ spin và vaơt raĩn chứa nó (phaăn còn lái cụa vaơt raĩn) là tương đôi nhỏ. Nhưng xét moơt cách chính xác thì tương tác đó khođng theơ coi baỉng 0, vì chính tương tác đó đã dăn đên kêt quạ là chuyeơn đoơng nhieơt cụa các nguyeđn tử gađy ra moơt ạnh hưởng nào đó tới chuyeơn đoơng hoên lốn cụa các spin.
Thaơt vaơy, các spin eđlectron là moơt phaăn cụa các nguyeđn tử và cùng với các nguyeđn tử các spin eđlectron này đã thực hieơn những dao đoơng nhỏ ở gaăn vị trí cađn baỉng trong máng tinh theơ. Đieău đóù dăn đên kêt quạ là: các từ trường địa phương do các spin beđn cánh tác dúng leđn moơt spin nào đó cũng baĩt đaău biên đoơi theo thời gian. Maịt khác, theo thuyêt lượng tử từ trường biên thieđn có theơ làm cho các spin thay đoơi tráng thái, nhạy từ vị trí
SVTH: Võ Cođng Nghi 50 spin eđlectron hướng theo từ trường sang vị trí spin eđlectron hướng ngược lái. Trong trường hợp thứ nhât naíng lượng cụa spin taíng leđn nhưng naíng lượng chuyeơn đoơng nhieơt cụa các nguyeđn tử lái giạm đi (do bị tieđu hao naíng lượng do các spin chuyeơn tráng thái). Trong trường hợp thứ hai naíng lượng cụa spin giạm đi và lượng dư cụa nó được truyeăn cho các dao đoơng nhieơt cụa các nguyeđn tử.
Như vaơy, có nghiã là luođn có sự tiêp xúc nhieơt giữa heơ spin và vaơt raĩn (chứa heơ spin). Baỉng cách laơp lái y nguyeđn các laơp luaơn đã neđu ra ở tređn ta có theơ kêt luaơn raỉng: khi khử từ heơ spin cụa vaơt thuaơn từ cođ laơp sẽ há xuông. Trị sô cụa đoơ há nhieơt đoơ đó phú thuoơc vào ba yêu tô: moơt là đoơ lớn cụa từ trường địa phương (đái lượng này sẽ quy định nhieơt đoơ thâp nhât có theơ đát được cụa heơ spin); hai là nhieơt dung cụa heơ spin; ba là nhieơt dung cụa bạn thađn vaơt thuaơn từ.
ƠÛû các nhieơt đoơ thođng thường, nhieơt dung cụa các vaơt raĩn có giá trị lớn, còn nhieơt dung cụa heơ spin thì trái lái là nhỏ. Và vì vaợy khi khử từ heơ spin chư lây moơt ít nhieơt ở vaơt raĩn và vaơt raĩn bị lánh đi khođng đáng keơ. Tuy nhieđn, khi há nhieơt đoơ xuông nhieơt dung cụa vaơt raĩn giạm nhanh còn nhieơt dung cụa heơ spin lái taíng leđn. Chính vì vaơy mà baĩt đaău từ nhieơt đoợ vào khoạng từ 1ψ1,5 0K, quá trình khử từ cụa vaơt thuaơn từ cođ laơp đã baĩt đaău trở thành moơt phương pháp hieơu nghieơm đeơ làm há nhieơt đoơ cụa nó. Khi đó do khử từ heơ spin lây mât nhieău naíng lương ở vaơt raĩn và vaơt raĩn lánh đi rât nhanh. Có moơt đieău lý thú là ở những nhieơt đoơ thâp như vaơy tât cạ các phương pháp làm lánh đã sử dúng trước đađy (đã neđu ra ở tređn) đieău tỏ ra bât lực. Baỉng cách khử từ người ta đã làm cho các muôi thuaơn từ đát đên nhieơt đoợ chư baỉng vài phaăn nghìn đoơ tređn đoơ 0 tuyeơt đôi.
Vieơc tiêp túc há nhieơt đoơ xuông thâp nữa sẽ gaịp trở ngái do có từ trường địa phương (tức là do có tương tác giữa các spin eđlectron). Nêu ta tiên hành khử từ, từ heơ spin hát nhađn thì có theơ đát đên nhieơt đoơ thâp hơn nữa, gaăn đoơ 0 tuyeơt đôi. Thực vaơy, hát nhađn nguyeđn tử cũng như eđlectron có moơt spin và mođmen từ rieđng xác định. Chư có đieău khác là mođmen từ hát nhađn có trị sô nhỏ hơn mođmen từ eđlectron xâp xư moơt nghìn laăn. Do đó từ trường địa phương nhỏ hơn nhieău. Thê nhưng khi đó nhieơt dung cụa heơ spin cũng giạm đi nhieău và đieău này là bât lợi. Tuy vaơy, baĩt đaău nhieơt đoơ vào khoạng 0,010K (là nhieơt đoơ mà ta có theơ thu được baỉng cách khử từ các vaơt từ eđlectron) quá trình khử từ cụa heơ spin hát nhađn baĩt đaău có tác dúng làm giạm nhieơt đoơ. Baỉng cách khử từ hát nhađn cụa đoăng đaịt trong moơt
SVTH: Võ Cođng Nghi 51 miêng kim lối thực hieơn naím 1963 ở moơt sô phòng thí nghieơm người ta đã táo ra được nhieơt đoơ sieđu thâp là 0,000010K.
Ơû các nhieơt đoơ thâp như vaơy, có đieău gì xạy ra trong vaơt chât? Các tính chât cụa vaơt chât có quan heơ với nhieơt đoơ như thê nào?
wwwwwwwwYYYYYYwwwwwwww
§ 7.2. MOƠT SÔ TÍNH CHÂT CỤA VAƠT CHÂT Ở NHIEƠT ĐOƠ THÂP HIEƠN TƯỢNG SIEĐU CHẠY
@@@&???
Khi nhieơt đoơ rât thâp vaơt chât có moơt sô tính chât khác với khi ở nhieơt đoơ thường. Thí dú cao su trở neđn dòn như thụy tinh, còn chì lái có tính chât đàn hoăi. Ơû nhieơt đoơ 1,2 0K moơt sô kim lối trở neđn khođng có đieơn trở đó là hieơn tượng sieđu dăn.
Moơt trong những tính chât lí thú cụa vaơt chât ở nhieơt đoơ thâp là hieơn tượng sieđu chạy cụa heđli (He) lỏng ,mà ta sẽ xét sau đađy: