Граничну температуру, коли обсяг ідеального газу стає рівним нулю, приймають за абсолютний нуль температури. Однак обсяг реальних газів за абсолютного нуля температури звертатися в нуль не може. Чи має сенс це граничне значення температури?

Гранична температура, існування якої випливає із закону Гей-Люссака, має сенс, тому що практично можна наблизити властивості реального газу до властивостей ідеального. Для цього треба брати більш розріджений газ, так щоб його щільність прагнула до нуля. У такого газу дійсно обсяг зі зниженням температури прагнутиме граничного, близького до нуля.

Знайдемо значення абсолютного нуля за шкалою Цельсія. Прирівнюючи обсяг Vвформулі (3.6.4) нулю та враховуючи, що

Звідси абсолютний нуль температури дорівнює

* Точніше значення абсолютного нуля: -273,15 °С.

Це гранична, найнижча температура у природі, той «найбільший чи останній ступінь холоду», існування якої передбачив Ломоносов.

Шкала Кельвіна

Кельвін Вільям (Томсон У.) (1824-1907) - видатний англійський фізик, один із засновників термодинаміки та молекулярно-кінетичної теорії газів.

Кельвін ввів абсолютну шкалу температур і дав одне з формулювань другого початку термодинаміки у формі неможливості повного перетворення теплоти на роботу. Він розрахував розміри молекул на основі вимірювання поверхневої енергії рідини. У зв'язку з прокладання трансатлантичного телеграфного кабелю Кельвін розробив теорію електромагнітних коливань і вивів формулу для періоду вільних коливань у контурі. За наукові нагороди У. Томсон отримав титул лорда Кельвіна.

Англійський учений У. Кельвін запровадив абсолютну шкалу температур. Нульова температура за шкалою Кельвіна відповідає абсолютному нулю, і одиниця температури за шкалою дорівнює градусу за шкалою Цельсія, тому абсолютна температура Тпов'язана з температурою за шкалою Цельсія формулою

(3.7.6)

На малюнку 3.11 для порівняння зображені абсолютна шкала та шкала Цельсія.

Одиниця абсолютної температури в СІ називається кельвіном (скорочено К). Отже, один градус за шкалою Цельсія дорівнює одному градусу за шкалою Кельвіна: 1°С = 1К.

Таким чином, абсолютна температура за визначенням, що дається формулою (3.7.6), є похідною величиною, яка залежить від температури Цельсія і від експериментально визначеного значення а. Однак вона має фундаментальне значення.

З погляду молекулярно-кінетичної теорії абсолютна температура пов'язана із середньою кінетичною енергією хаотичного руху атомів чи молекул. При Т =ОК тепловий рух молекул припиняється. Докладніше про це йтиметься у розділі 4.

Залежність об'єму від абсолютної температури

Застосовуючи шкалу Кельвіна, закон Гей-Люссака (3.6.4) можна записати у простішій формі. Так як

(3.7.7)

Об'єм газу даної маси при постійному тиску прямо пропорційний до абсолютної температури.

Звідси випливає, що відношення обсягів газу однієї і тієї ж маси в різних станах при тому самому тиску дорівнює відношенню абсолютних температур:

(3.7.8)

Існує мінімально можлива температура, коли обсяг (і тиск) ідеального газу перетворюються на нуль. Це абсолютний нуль температури:-273 °С. Зручно відраховувати температуру від абсолютного нуля. Так будується абсолютна шкала температури.

Абсолютний нуль (absolute zero) – початок відліку абсолютної температури, що починає звіт від 273.16 До нижче потрійної точки води (точка рівноваги трьох фаз – льоду, води та водяної пари); при абсолютному нулі рух молекул припиняється, і вони перебувають у стані «нульових» рухів. Або: найнижча температура, за якої речовина не містить теплової енергії.

Абсолютний нуль початоквідліку абсолютної температури. Відповідає -273,16 °С. В даний час у фізичних лабораторіях вдалося отримати температуру, що перевищує абсолютний нуль всього на кілька мільйонних часток градуса, досягти ж його, згідно із законами термодинаміки, неможливо. При абсолютному нулі система знаходилася б у стані з найменшою можливою енергією (у цьому стані атоми і молекули здійснювали б "нульові" коливання) і мала нульову ентропію (нульову невпорядкованістю). Обсяг ідеального газу в точці абсолютного нуля повинен дорівнювати нулю, і щоб визначити цю точку, вимірюють обсяг реального газу гелію при послідовномузниження температури аж до його зрідження при низькому тиску (-268,9 ° С) і проводять екстраполяцію до температури, при якій обсяг газу без зрідження звернувся б в нуль. Температура з абсолютної термодинамічнійшкалою вимірюється в кельвінах, що позначаються символом До. Абсолютна термодинамічнашкала і шкала Цельсія просто зміщені одна щодо іншої та пов'язані співвідношенням К = ° C + 273,16 °.

Історія

Слово «температура» виникло в ті часи, коли люди вважали, що в нагрітих тілах міститься більша кількість особливої ​​речовини - теплороду, ніж у менш нагрітих. Тому температура сприймалася як міцність суміші речовини тіла та теплороду. З цієї причини одиниці виміру міцності спиртних напоїв та температури називаються однаково – градусами.

З того, що температура - це кінетична енергія молекул, ясно, що найбільше природно вимірювати її в енергетичних одиницях (тобто в системі СІ в джоулях). Однак вимірювання температури почалося задовго до створення молекулярно-кінетичної теорії, тому практичні шкали вимірюють температуру в умовних одиницях – градусах.

Шкала Кельвіна

У термодинаміці використовується шкала Кельвіна, в якій температура відраховується від абсолютного нуля (стан, що відповідає мінімальній теоретично можливої ​​внутрішньої енергії тіла), а один кельвін дорівнює 1/273.16 відстані від абсолютного нуля до потрійної точки води (стану, при якому лід, вода та водяна) пар перебувають у рівновазі). Для перерахунку кельвінів у енергетичні одиниці служить постійна Больцмана. Використовуються також похідні одиниці: кілокельвін, мегакельвін, мілікельвін і т.д.

Шкала Цельсія

У побуті використовується шкала Цельсія, де за 0 приймають точку замерзання води, а й за 100° точку кипіння води при атмосферному тиску. Оскільки температура замерзання і кипіння води недостатньо добре визначена, нині шкалу Цельсія визначають через шкалу Кельвіна: градус Цельсія дорівнює кельвіну, абсолютний нуль приймається за -273,15 °C. Шкала Цельсія практично дуже зручна, оскільки вода є дуже поширеною на нашій планеті і на ній засноване наше життя. Нуль Цельсія – особлива точка для метеорології, оскільки замерзання атмосферної води суттєво все змінює.

Шкала Фаренгейта

В Англії і, особливо, США використовується шкала Фаренгейта. У цій шкалі на 100 градусів поділено інтервал від температури найхолоднішої зими у місті, де жив Фаренгейт, до температури людського тіла. Нуль градусів Цельсія - це 32 градуси Фаренгейта, а градус Фаренгейта дорівнює 5/9 градусів Цельсія.

В даний час прийнято наступне визначення шкали Фаренгейта: це температурна шкала, 1 градус якої (1 °F) дорівнює 1/180 різниці температур кипіння води та танення льоду при атмосферному тиску, а точка танення льоду має температуру +32 °F. Температура за шкалою Фаренгейта пов'язана з температурою за шкалою Цельсія (t °С) співвідношенням t °С = 5/9 (t °F - 32), 1 °F = 5/9 °С. Запропонована Г. Фаренгейтом у 1724 році.

Шкала Реомюра

Запропонована в 1730 Р. А. Реомюром, який описав винайдений ним спиртовий термометр.

Одиниця - градус Реомюра (°R), 1 °R дорівнює 1/80 частини температурного інтервалу між опорними точками - температурою танення льоду (0 °R) та кипіння води (80 °R)

1°R = 1,25°C.

В даний час шкала вийшла з вживання, найдовше вона зберігалася у Франції, на батьківщині автора.

Порівняння температурних шкал

Нормальна температура людського тіла – 36.6 °C ±0.7 °C, або 98.2 °F ±1.3 °F. Значення, що наводиться зазвичай 98.6 °F - це точне перетворення в шкалу Фаренгейта прийнятого в Німеччині в XIX столітті значення 37 °C. Оскільки це значення не входить до діапазону нормальної температури за сучасними уявленнями, можна говорити, що воно містить надмірну (невірну) точність. Деякі значення у цій таблиці були округлені.

Зіставлення шкал Фаренгейта та Цельсія

(o F- шкала Фаренгейта, o C- шкала Цельсія)

Для переведення градусів цельсію в кельвіни необхідно скористатися формулою T=t+T 0де T температура в кельвінах, t температура в градусах цельсія, T 0 = 273.15 кельвіна. За розміром градус цельсія дорівнює кельвіну.

Будь-яке фізичне тіло, включаючи всі об'єкти у Всесвіті, має мінімальний показник температури або її межу. За точку відліку будь-якої температурної шкали прийнято вважати значення абсолютного нуля температур. Але це лише теоретично. Хаотичний рух атомів і молекул, які віддають у цей час свою енергію, зупинити поки що на практиці не вдалося.

Це і є основною причиною, чому не можна досягти абсолютного нуля температур. Досі точаться суперечки і про наслідки цього процесу. З погляду термодинаміки ця межа недосяжна, оскільки тепловий рух атомів і молекул припиняється повністю, утворюється кристалічна решітка.

Представники квантової фізики передбачають наявність за абсолютного нуля температур мінімальних нульових коливань.

Яке значення абсолютного нуля температур і чому його не можна досягти

На генеральній конференції з мір і ваг було встановлено вперше реперну або точку відліку для вимірювальних приладів, що визначають показники температури.

В даний час у Міжнародній системі одиниць реперна точка для шкали Цельсія становить 0°C при замерзанні та 100°C в процесі кипіння, значення абсолютного нуля температур дорівнює -273,15°C.

Використовуючи температурні значення за шкалою Кельвіна за тією ж Міжнародною системою вимірювання одиниць, кипіння води відбуватиметься при реперному значенні 99,975°C, абсолютний нуль дорівнює 0. Фаренгейт на шкалі відповідає показнику -459,67 градусів.

Але якщо ці дані отримані, чому тоді не можна на практиці досягти абсолютного нуля температур. Для порівняння можна взяти відому всім швидкість світла, яка дорівнює постійному фізичному значенню 1079252848,8 км/год.

Однак цієї величини досягти не вдається на практиці. Вона залежить і від довжини хвилі передачі, і від умов і від необхідного поглинання великої кількості енергії частинками. Щоб отримати значення абсолютного нуля температур, необхідна велика віддача енергії та відсутність її джерел для запобігання потраплянню її в атоми та молекули.

Але навіть за умов повного вакууму ні швидкості світла, ні абсолютного нуля температур вченим отримати так і не вдалося.

Чому можна досягти приблизного нуля температур, але не можна абсолютного

Що ж відбуватиметься, коли наука зможе наблизитися до досягнення гранично низького показника температури абсолютного нуля, поки залишається тільки в теорії термодинаміки і квантової фізики. У чому причина, чому не можна досягти абсолютного нуля температур практично.

Всі відомі спроби охолодити речовину до найнижчої межі за рахунок максимальної втрати енергії призводили до того, що значення теплоємності речовини досягало мінімального значення. Віддавати решту енергії молекули вже були просто не в змозі. В результаті процес охолодження припинявся, так і не досягнувши абсолютного нуля.

Під час вивчення поведінки металів за умов, наближених до значення абсолютного нуля температур, вчені встановили, що максимальне зниження температури має спровокувати втрату опору.

Але припинення руху атомів і молекул призвело тільки до утворення кристалічної решітки, через яку електрони, що проходять, передавали частину своєї енергії нерухомим атомам. Досягти абсолютного нуля знову не вдалось.

У 2003 році до температури абсолютного нуля не вистачило лише половини мільярдної частки 1°C. Дослідники NASA використовували для проведення дослідів молекулу Na, яка весь час знаходилася в магнітному полі і віддавала свою енергію.

Найближчим стало досягнення вчених Єльського університету, яке в 2014 році досягло показника в 0,0025 Кельвінів. Отримане з'єднання монофторид стронцію (SrF) існувало лише 2,5 секунди. І в результаті все одно розпалося на атоми.

Як ви думаєте, де знаходиться найхолодніше місце у нашому Всесвіті? Сьогодні це Земля. Наприклад, температура поверхні Місяця -227 градусів за шкалою Цельсія, а температура вакууму, що оточує нас, становить 265 градусів нижче за нуль. Однак у лабораторії Землі людина може досягти температури набагато нижче, вивчення властивостей матеріалів за умов наднизьких температур. Матеріали, окремі атоми і навіть світло, піддані екстремальному охолодженню, починають виявляти незвичні властивості.

Перший експеримент такого роду було поставлено на початку 20 століття фізиками, які вивчали електричні властивості ртуті при наднизькій температурі. При -262 градуси за Цельсієм ртуть починає виявляти властивості надпровідності, зменшуючи опір електричного струму практично до нуля. Подальші експерименти також виявили інші цікаві властивості охолоджених матеріалів, включаючи надплинність, яка виражається в "просочуванні" речовини крізь тверді перегородки та із закритих ємностей.

Наукою визначено найнижчу досяжну температуру - мінус 273.15 градусів Цельсія, але практично така температура недосяжна. Практично температура є приблизною мірою енергії, укладеної в об'єкті, тому абсолютний нуль показує, що тіло нічого не випромінює, і жодної енергії з цього об'єкта витягти не можна. Але незважаючи на це, вчені намагаються підібратися якомога ближче до абсолютного нуля температури, актуальний рекорд було поставлено у 2003 році в лабораторії Массачусетського інституту технології. Вченим недотягнули до абсолютного нуля лише 810 мільярдних часток градуса. Охолоджували вони хмару атомів натрію, утримуване дома за допомогою потужного магнітного поля.

Здавалося б - у чому прикладний сенс таких дослідів? Виявляється, дослідників цікавить таке поняття як конденсат Бозе-Ейнштейна, яке є особливим станом речовини - не газ, тверде або рідке, а просто хмара атомів з однаковим квантовим станом. Така форма речовини була передбачена Ейнштейном та індійським фізиком Satyendra Bose у 1925 році, а отримана лише через 70 років. Один із учених, який досяг такого стану речовини - Wolfgang Ketterle, який отримав за своє відкриття Нобелівську премію в галузі фізики.

Одна з чудових властивостей конденсату Бозе-Ейнштейна (КБЕ) – можливість управління рухом світлових променів. У вакуумі світло переміщається зі швидкістю 300 000 км в секунду, і це максимальна швидкість, досяжна у Всесвіті. Але світло може поширюватися повільніше, якщо поширюватиметься не у вакуумі, а в речовині. За допомогою КБЕ можна уповільнити рух світла до малих швидкостей і навіть зупинити його. Через температуру і щільність конденсату світлове випромінювання сповільнюється і може бути "схоплено" і перетворено безпосередньо в електричний струм. Цей струм може бути передано в іншу хмару КБЕ і перетворено назад на світлове випромінювання. Ця можливість дуже потрібна для телекомунікації та обчислювальної техніки. Тут я трохи не розумію - адже пристрої, що перетворюють світлові хвилі в електрику і назад вже є... Мабуть, використання КБЕ дозволяє робити це перетворення швидше і точніше.

Однією з причин, чому вчені настільки прагнуть отримати абсолютний нуль - спроба зрозуміти, що відбувається і відбувалося з нашого Всесвіту, які термодинамічні закони в ньому діють. При цьому дослідники розуміють, що вилучення всієї енергії до останнього з атома практично недосяжне.

Коли у зведенні погоди пророкують температуру близько нуля, на ковзанку йти не варто: лід танутиме. Температура танення льоду прийнята за нуль градусів за шкалою Цельсія - найпоширенішою температурною шкалою.
Нам чудово знайомі негативні градуси шкали Цельсія - градуси<ниже нуля>, градуси холоду. Найнижча температура Землі була зареєстрована Антарктиді: -88,3°Ц. Поза Землею можливі ще більш низькі температури: на поверхні Місяця в місячну північ буває до - 160°Ц.
Але ніде не можуть існувати скільки завгодно низькі температури. Гранично низька температура – ​​абсолютний нуль – за шкалою Цельсія відповідає – 273,16°.
Від абсолютного нуля бере початок абсолютна температурна шкала, шкала Кельвіна. Лід тане при 273,16 ° Кельвіна, а вода кипить при 373,16 ° К. Таким чином, градус До дорівнює градусу Ц. Але за шкалою Кельвіна всі температури позитивні.
Чому ж 0 ° К - межа холоду?
Тепло - хаотичний рух атомів та молекул речовини. Коли речовину охолоджують, у неї забирають теплову енергію, і при цьому безладний рух частинок слабшає. Зрештою, при сильному охолодженні, теплова<пляска>частинок майже повністю припиняється. Цілком завмерли б атоми і молекули при температурі, яка і прийнята за абсолютний нуль. Згідно з принципами квантової механіки, при абсолютному нулі припинився б саме тепловий рух частинок, але самі частки не завмерли б, оскільки вони не можуть бути в спокої. Таким чином, при абсолютному нулі частинки все ж таки повинні зберігати якийсь рух, який називають нульовим.

Однак охолодити речовину до температури нижче абсолютного нуля - задум настільки ж безглуздий, як, скажімо, намір<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Більше того, навіть досягти точного абсолютного нуля практично також неможливо. До нього можна лише наблизитись. Тому що ніякими способами не можна відібрати у речовини абсолютно всю теплову енергію. Деяка частка теплової енергії залишається при найглибшому охолодженні.
Як досягають наднизьких температур?
Заморозити речовину складніше, аніж нагріти. Це видно хоча б із порівняння пристрою печі та холодильника.
У більшості побутових та промислових холодильників тепло віднімається завдяки випаровуванню особливої ​​рідини - фреону, який циркулює по металевих трубках. Секрет у тому, що фреон може перебувати в рідкому стані лише за досить низької температури. У холодильній камері за рахунок тепла камери він нагрівається і кипить, перетворюючись на пару. Але пара стискається компресором, зріджується і надходить у випарник, заповнюючи спад фреону, що випаровується. Енергія витрачається працювати компресора.
В апаратах глибокого охолодження носієм холоду служить надхолодна рідина – рідкий гелій. Безбарвний, легкий (у 8 разів легший за воду), він кипить під атмосферним тиском при 4,2°К, а у вакуумі - при 0,7°К. Ще нижчу температуру дає легкий ізотоп гелію: 0,3 ° До.
Влаштувати гелієвий холодильник, що постійно діє, досить складно. Дослідження проводяться просто у ваннах з рідким гелієм. А щоб скрапити цей газ, фізики користуються різними прийомами. Наприклад, розширюють попередньо охолоджений і стислий гелій, випускаючи його через тонкий отвір у вакуумну камеру. При цьому температура ще знижується і деяка частина газу перетворюється на рідину. Ефективніше не лише розширювати охолоджений газ, а й змусити його виконувати роботу - рухати поршень.
Отриманий рідкий гелій зберігають у спеціальних термосах – судинах Дьюара. Вартість цієї холодної рідини (єдиної не замерзаючої у абсолютного нуля) виходить досить високою. Проте рідкий гелій у наші дні використовується дедалі ширше, як у науці, а й у різних технічних пристроях.
Найнижчих температур вдалося досягти іншим способом. Виявляється, молекули деяких солей, наприклад хромокалієвих галунів, можуть повертатися вздовж силових магнітних ліній. Таку сіль попередньо охолоджують рідким гелієм до 1°К і поміщають у сильне магнітне поле. При цьому молекули повертаються вздовж силових ліній, а тепло, що виділилося, відбирається рідким гелієм. Потім магнітне поле різко знімають, молекули знову повертаються в різні боки, а витрачена

на це робота веде до подальшого охолодження солі. Так отримали температуру 0,001° К. Подібним у принципі методом, застосовуючи інші речовини, можна отримати ще нижчу температуру.
Найнижча температура, отримана поки Землі, дорівнює 0,00001° До.

Надплинність

Речовина, заморожена до наднизьких температур у ваннах із рідким гелієм, помітно змінюється. Гума стає крихкою, свинець - твердим, як сталь, і пружним, багато сплавів збільшують міцність.

Своєрідно поводиться сам рідкий гелій. При температурі нижче 2,2° До він набуває небувале для звичайних рідин властивість - надплинність: деяка його частина повністю втрачає в'язкість і без будь-якого тертя протікає крізь вузькі щілини.
Явище це, відкрите 1937 р. радянським фізиком академіком П. JI. Капицею, потім було пояснено академіком JI. Д. Ландау.
Виявляється, при наднизьких температурах починають помітно позначатися квантові закони поведінки речовини. Як вимагає один із таких законів, від тіла до тіла енергія може передаватися лише цілком певними порціями-квантами. У рідкому гелії так мало квантів тепла, що на всі атоми їх не вистачає. Частина рідини, позбавлена ​​квантів тепла, перебуває при абсолютному нулі температури, її атоми зовсім не беруть участь у безладному тепловому русі і не взаємодіють зі стінками судини. Ця частина (її назвали гелієм-Н) і має надплинність. Зі зниженням температури гелію-П стає все більше, і при абсолютному нулі весь гелій перетворився б на гелій-Н.
Надплинність зараз вивчена дуже докладно і навіть знайшла корисне практичне застосування: за її допомогою вдається розділяти ізотопи гелію.

Надпровідність

Біля абсолютного нуля надзвичайно цікаві зміни відбуваються з електричними властивостями деяких матеріалів.
У 1911 р. голландський фізик Камерлінг-Оннес зробив несподіване відкриття: виявилося, що за температури 4,12° До ртуті повністю зникає електричний опір. Ртуть стає надпровідником. Електричний струм, наведений у надпровідному кільці, не згасає і може текти майже завжди.
Над таким кільцем надпровідна кулька паритиме в повітрі і не падатиме, ніби казкова<гроб Магомета>, тому що його вага компенсується магнітним відштовхуванням між кільцем і кулькою. Адже струм, що незагасає, в кільці створить магнітне поле, а воно, у свою чергу, наведе в кульці електричний струм і разом з ним протилежно спрямоване магнітне поле.
Крім ртуті, надпровідністю біля абсолютного нуля мають олово, свинець, цинк, алюміній. Ця властивість виявлена ​​у 23 елементів та більше ста різних сплавів та інших хімічних сполук.
Температури появи надпровідності (критичні температури) становлять досить широкий інтервал - від 0,35 ° К (гафній) до 18 ° К (сплав ніобій-олово).
Явище надпровідності, як і понад-
плинності, докладно вивчено. Знайдено залежності критичних температур від внутрішньої структури матеріалів та зовнішнього магнітного поля. Розроблено глибоку теорію надпровідності (важливий внесок внесено радянським ученим академіком Н. Н. Боголюбовим).
Сутність цього парадоксального явища знову ж таки суто квантова. При наднизьких температурах електрони в

надпровіднику утворюють систему попарно зв'язаних частинок, які не можуть віддавати енергію кристалічних ґрат, витрачати кванти енергії на її нагрівання. Пари електронів рухаються, як би<танцуя>, між<прутьями решетки>- іонами та обходять їх без зіткнень та передачі енергії.
Надпровідність все ширше використовується у техніці.
Входять до практики, наприклад, надпровідні соленоїди - котушки з надпровідника, занурені в рідкий гелій. У них скільки завгодно довго може зберігатися одного разу наведений струм і, отже, магнітне поле. Воно може досягати гігантської величини – понад 100 ТОВ Ерстед. У майбутньому, безперечно, з'являться потужні промислові надпровідні пристрої - електродвигуни, електромагніти і т.д.
У радіоелектроніці чималу роль починають грати надчутливі підсилювачі та генератори електромагнітних хвиль, які особливо добре діють у ваннах з рідким гелієм, – там повністю зникають внутрішні<шумы>апаратури. В електронно-обчислювальній техніці блискуче майбутнє обіцяють малопотужним надпровідним перемикачам - кріотронам (див. ст.<Пути электроники>).
Неважко уявити собі, наскільки привабливо було б просунути дію подібних приладів в область вищих, доступніших температур. Останнім часом відкривається надія створення полімерних плівкових надпровідників. Своєрідний характер електропровідності в таких матеріалах обіцяє блискучу можливість зберегти надпровідність навіть за кімнатних температур. Вчені наполегливо шукають шляхи здійснення цієї надії.

У надрах зірок

А тепер заглянемо в царство найгарячішого, що є на світі, - у надра зірок. Туди, де температури сягають мільйонів градусів.
Безладний тепловий рух у зірках настільки інтенсивний, що цілі атоми там існувати не можуть: вони руйнуються у незліченних зіткненнях.
Така сильно розпечена речовина тому не може бути ні твердою, ні рідкою, ні газоподібною. Воно перебуває у стані плазми, тобто суміші електрично заряджених<осколков>атомів - атомних ядер та електронів.
Плазма – своєрідний стан речовини. Оскільки її частинки електрично заряджені, вони чуйно підкоряються електричним та магнітним силам. Тому близьке сусідство двох атомних ядер (вони несуть позитивний заряд) – явище рідкісне. Лише при високих щільностях і величезних температурах атомні ядра, що налітають один на одного, здатні зблизитися впритул. Тоді відбуваються термоядерні реакції - джерело енергії зірок.
Найближча до нас зірка – Сонце складається головним чином із водневої плазми, яка розпечена у надрах світила до 10 млн. градусів. За таких умов тісні зближення швидких водневих ядер – протонів хоч і рідко, але трапляються. Іноді протони, що зблизилися, вступають у взаємодію: подолавши електричне відштовхування, вони потрапляють у владу гігантських ядерних сил тяжіння, стрімко<падают>один на одного і зливаються. Тут відбувається миттєва перебудова: замість двох протонів з'являються дейтрон (ядро важкого ізотопу водню), позитрон та нейтрино. Звільняється енергія 0,46 млн. електрон-вольт (МЕВ).
Кожен окремий сонячний протон може вступити в таку реакцію в середньому один раз за 14 млрд. років. Але протонів у надрах світила так багато, що то тут, то там відбувається ця малоймовірна подія, – і горить наша зірка своїм рівним, сліпучим полум'ям.
Синтез дейтронів лише перший крок сонячних термоядерних перетворень. Новонароджений дейтрон дуже скоро (у середньому через 5,7 сек) з'єднується ще з одним протоном. Виникає ядро ​​легкого гелію та гамма-квант електромагнітного випромінювання. Звільняється 5,48 МеВ енергії.
Нарешті, в середньому раз на мільйон років можуть зійтись і з'єднатися два ядра легкого гелію. Тоді утворюється ядро ​​звичайного гелію (альфа-частка) і відщеплюються два протони. Виділяється 12,85 МеВ енергії.
Цей триступінчастий<конвейер>термоядерних реакцій не єдиний. Існує й інший ланцюжок ядерних перетворень, швидших. У ній беруть участь (не витрачаючись) атомні ядра вуглецю та азоту. Але в обох випадках з водневих ядер синтезуються альфа-частинки. Фігурально кажучи, воднева плазма Сонця<сгорает>, перетворюючись на<золу>- Плазму гелію. І у процесі синтезу кожного грама гелієвої плазми виділяється 175 тис. кВт-год енергії. Велика кількість!
Щомиті Сонце випромінює 4 1033 ерг енергії, втрачаючи у вазі 4 1012 г (4 млн. т) речовини. Але повна маса Сонця 2 1027 т. Значить, за мільйон років завдяки випромінюванню Сонце<худеет>лише на одну десятимільйонну частину своєї маси. Ці цифри промовисто ілюструють ефективність термоядерних реакцій та гігантську калорійність сонячного.<горючего>- Водню.
Термоядерний синтез, мабуть, головне джерело енергії всіх зірок. За різних температур і щільностей зоряних надр здійснюються різні типи реакцій. Зокрема, сонячна<зола>-ядра гелію - при 100 млн. градусів сама стає термоядерним<горючим>. Тоді з альфа-часток можуть синтезуватися ще важчі атомні ядра - вуглецю і навіть кисню.
Як вважають багато вчених, вся наша Метагалактика в цілому теж плід термоядерного синтезу, який проходив за температури в мільярд градусів (див. ст.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

До штучного сонця

Надзвичайна калорійність термоядерного<горючего>спонукала вчених домагатися штучного здійснення реакцій ядерного синтезу.
<Горючего>- Ізотопів водню на нашій планеті чимало. Наприклад, надважкий водень тритій можна отримати з металу літію в ядерних реакторах. А важкий водень – дейтерій входить до складу важкої води, яку можна видобути із звичайної води.
Тяжкий водень, витягнутий із двох склянок звичайної води, дав би в термоядерному реакторі стільки енергії, скільки зараз дає спалювання бочки першосортного бензину.
Труднощі в тому, щоб попередньо нагріти<горючее>до температур, при яких воно здатне спалахнути могутнім термоядерним вогнем.
Вперше це завдання було вирішено у водневій бомбі. Ізотопи водню там підпалюються вибухом атомної бомби, що супроводжується нагріванням речовини до багатьох десятків мільйонів градусів. В одному з варіантів водневої бомби термоядерним пальним служить хімічне з'єднання важкого водню з легким літієм - дейтерид легкого л і т і я. Цей білий порошок, схожий на столову сіль,<воспламеняясь>від<спички>, Якою служить атомна бомба, миттєво вибухає і створює температуру в сотні мільйонів градусів.
Щоб порушити мирну термоядерну реакцію, треба насамперед навчитися без послуг атомної бомби розігрівати малі дози досить щільної плазми ізотопів водню до температур сотні мільйонів градусів. Ця проблема - одна з найважчих у сучасній прикладній фізиці. Над нею вже багато років працюють вчені з усього світу.
Ми вже говорили, що саме хаотичний рух частинок створює нагрітість тіл, причому середня енергія їхнього безладного руху відповідає температурі. Нагріти холодне тіло - означає будь-яким способом створити цей безлад.
Уявіть, що дві групи бігунів стрімко мчать назустріч один одному. Ось вони зіткнулися, перемішалися, почалася штовханина, плутанина. Чудовий безлад!
Приблизно так само фізики спочатку намагалися отримати високу температуру - шляхом зіштовхування газових струменів високого тиску. Газ нагрівався до 10 тисяч градусів. Свого часу це був рекорд: температура вища, ніж на поверхні Сонця.
Але при цьому способі подальший, досить повільний, не вибуховий нагрівання газу неможливий, так як тепловий безлад миттєво поширюється на всі боки, зігріваючи стінки експериментальної камери і навколишнє середовище. Отримане тепло швидко залишає систему і ізолювати її неможливо.
Якщо струменя газу замінити потоками плазми, проблема теплоізоляції залишається дуже важкою, але відкривається надія на її вирішення.
Щоправда, і плазму не можна захистити від втрат тепла судинами, виготовленими з речовини навіть найтугоплавкішого. Торкаючись твердих стінок, гаряча плазма негайно остигає. Зате можна спробувати втримати і розігріти плазму, створивши її скупчення у вакуумі так, щоб вона не торкалася стін камери, а висіла в порожнечі, ні до чого не торкаючись. Тут слід користуватися тим, що частки плазми не нейтральні, як атоми газу, а електрично заряджені. Тому у русі вони піддаються дії магнітних сил. Виникає завдання: влаштувати магнітне поле особливої ​​конфігурації, в якому гаряча плазма висіла б як у мішку з невидимими стінками.
Найпростіший вид такого п.еля створюється автоматично, коли через плазму пропускають сильні імпульси електричного струму. Навколо плазмового шнура у своїй наводяться магнітні сили, які прагнуть стиснути шнур. Плазма відокремлюється від стінок розрядної трубки, і в осі шнура в товсті частинок температура піднімається до 2 млн. градусів.
У нашій країні такі експерименти були виконані ще 1950 р. під керівництвом академіків JI. А. Арцимовича та М. А. Леонтовича.
Інший напрямок дослідів - використання магнітної пляшки, запропонованої 1952 р. радянським фізиком Г. І. Буд-кером, нині академіком. Магнітна пляшка влаштовується в пробкотроні - циліндричної вакуумної камери, з зовнішньою обмоткою, яка згущується біля кінців камери. Струм, що протікає по обмотці, створює в камері магнітне поле. Його силові лінії в середній частині розташовуються паралельно утворюючим циліндра, а в кінці стискаються і утворюють магнітні пробки. Частинки плазми, впорскнуті в магнітну пляшку, в'ються навколо силових ліній, відбиваються від пробок. В результаті плазма деякий час утримується усередині пляшки. Якщо енергія введених у пляшку плазмових частинок досить велика і їх досить багато, вони вступають у складні силові взаємодії, їх спочатку упорядкований рух заплутується, стає безладним – температура водневих ядер піднімається до десятків мільйонів градусів.
Додаткове нагрівання досягається електромагнітними<ударами>по плазмі, стиском магнітного поля і т. д. Зараз плазму ядер важкого водню розжарюють до сотень мільйонів градусів. Щоправда, це вдається зробити або короткий час, або за малої щільності плазми.
Щоб порушити реакцію, що самопідтримується, належить далі підняти температуру і щільність плазми. Домогтися цього важко. Однак проблема, як переконані вчені, безперечно вирішувана.

Г.Б. Анфілов

Розміщення фотографій та цитування статей з нашого сайту на інших ресурсах дозволяється за умови вказівки посилання на першоджерело та фотографії.