Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


предыдущая главасодержаниеследующая глава

Магнитные стрелки

Пусть вместо электронов с магнитными моментами у нас есть много стрелок от компаса, укрепленных в беспорядке на иголках (рис, 19), Так как магнитным стрелкам положено смотреть на север, то они вначале будут колебаться около направления юг -север. Если бы трение в опоре отсутствовало и если бы стрелки не притягивались друг к другу, то такие их колебания продолжались бы сколь угодно долго. В действительности, конечно, колебания прекратятся, так как их энергия истратится на работу против сил трения в опоре, и все стрелки покажут на север. Кроме того, магнитные стрелки действуют друг на друга, их движения "сцеплены" - они могут передавать друг другу часть своей энергии. Нетрудно увидеть в этом поведении стрелок модель установления равновесия в системе спинов.

Рис. 19. Система магнитных стрелок
Рис. 19. Система магнитных стрелок

Опоры стрелок играют роль холодильника, которому стрелки передают свою кинетическую энергию. Остановившиеся стрелки похожи на систему спинов при температуре T=0*). Температура "нуль" появилась из-за того, что энергия всегда передается от стрелок к опорам и равновесие может установиться лишь тогда, когда будет передана вся энергия.

* ( Конечно, стрелки примут температуру комнаты T, а не абсолютного нуля, но и при этом, колебания практически прекращаются.)

Если рассмотреть систему магнитных стрелок более внимательно, то мы выяснили бы, что стрелки не останавливаются окончательно, а под влиянием ударов молекул воздуха и малых колебаний самих опор на самом деле колеблются с очень малой амплитудой, так что их энергия не опускается до нуля, а остается равной (в среднем) кТ. Такое движение называется броуновским. Его теоретическое объяснение было дано Эйнштейном в 1905 г.

Модель электронов в магнитном поле (или магнитных стрелок) полезна для понимания того, что же такое абсолютный нуль температуры.

При любой температуре два возможных направления спина будут встречаться с разной вероятностью. При очень низких температурах почти все электроны будут находиться на нижнем уровне - их спины будут смотреть против поля. Верхний уровень будет практически пустым- не "заселенным". Чем выше температура, тем больше "заселяется" верхний уровень, и, например, при очень высоких температурах (kT>>ε) обе проекции спина будут иметь почти равную вероятность (рис. 20).

Рис. 20 Равные вероятности заселения уровней (><i>T</i>=∞)
Рис. 20 Равные вероятности заселения уровней (T=∞)

Если температура понижается, то все большая доля электронов будет иметь спицы, направленные против поля. Если Т=0, то против поля окажутся направленными спины всех электронов (рис. 21). Такое состояние системы отвечает абсолютному нулю температуры.

Рис. 21 Все электроны на нижнем уровне (><i>T</i>=0)
Рис. 21 Все электроны на нижнем уровне (T=0)

В квантовой теории понятие абсолютного нуля приобретает очень четкий смысл. Среди энергетических уровней любой квантовой системы есть один уровень, который обладает наинизшей энергией. В рассмотренном нами примере такое состояние есть состояние, при котором спины всех электронов направлены против поля. При абсолютном нуле система находится в основном состоянии, и поэтому она не может отдавать энергию никакой другой системе просто потому, что у нее нет более низких уровней, на которые она могла бы перейти, потеряв энергию.

Мы говорили, что не очень ясное представление об абсолютном нуле, связанное с законом Гей-Люссака, существовало давно. Но даже в начале века понятие абсолютного нуля еще казалось не вполне ясным. В "Детской энциклопедии", изданной в 1914 г., писали: "Итак, если при охлаждении газ сжимается, то, следовательно, объем его уменьшается. Является вопрос: не будет ли возможным исчезновение его, когда мы доведем газ до состояния абсолютного холода?" Такие высказывания звучат сейчас наивно. Все же удивительно, как много было заключено в простой дроби 1/266" появившейся в эмпирической формуле Гей-Люссака*.

* (Напомним, что у Гей-Люссака 1/266 - это неточное значение коэффициента расширения идеального газа (современное значение 1/273,15 К-1).)

предыдущая главасодержаниеследующая глава










© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2019
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru