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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Supraleitung. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Schon in der Antike wurde festgestellt, dass der Aggregatzustand eines Stoffes von äußeren Bedingungen abhängt. Das auffälligste und offensichtlichste Beispiel ist die Umwandlung von Wasser in Eis und Dampf. Gas (Ammoniak) wurde erstmals 1792 vom niederländischen Physiker M. van Marum verflüssigt. Michael Faraday, ab 1823, gleich mehrere Gase in einen flüssigen Zustand überführt: Chlor, Schwefeldioxid und Kohlendioxid. Das Verfahren war nicht schwierig, da sich die Zwischengase bei ziemlich hoher Temperatur verflüssigen. Echte Gase sind eine andere Sache. Es dauerte mehr als fünfzig Jahre, bis es ihnen gelang, sie in einen flüssigen Zustand zu überführen. 1877 erhielten R. Pictet und L. Calete flüssigen Sauerstoff und flüssigen Stickstoff. Im industriellen Maßstab wurde die Luftverflüssigung erst 1895 vom deutschen Ingenieur K. Linde durchgeführt. Nun schien es, dass es mit dem bereits bewährten Schema einfach wäre, jedes andere Gas in einen flüssigen Zustand zu überführen. Aber es war nicht da. Tatsächlich kühlt sich die überwiegende Mehrheit der Gase während der Expansion ab. Hartnäckiger Wasserstoff, Neon und Helium verhalten sich jedoch „unehrlich“ – wenn sie sich ausdehnen, erhitzen sie sich. Gegen Ende des XNUMX. Jahrhunderts wurde ein Ausweg gefunden. Es stellte sich heraus, dass man zur Gewinnung von flüssigem Wasserstoff und Helium diese nur auf eine relativ niedrige Temperatur vorkühlen muss. Olshevsky in Krakau, Kamerling-Onnes in Holland und Dewar in England versuchten gleichzeitig, flüssigen Wasserstoff zu gewinnen. Dewar gewann diesen Wettbewerb: Am 10. Mai 1898 erhielt er 20 Kubikzentimeter flüssigen Wasserstoff. Einige Monate später gelang es ihm, festen Wasserstoff zu gewinnen. Nur 14 Grad trennten ihn vom absoluten Nullpunkt. Ein brillanter Geist, hervorragende Experimentierfähigkeiten und hervorragende Gelehrsamkeit verhalfen James Dewar zu einem der Pioniere der kryogenen Technologie. Bemerkenswert ist, dass sowohl der Begriff selbst (vom griechischen „kryos“ – kalt) als auch die berühmte „Dewar-Flasche“ auf ihn zurückgehen. Aber Helium weigerte sich hartnäckig, sich zu unterwerfen. Erst am 9. Juli 1908 traf die Nachricht ein, dass Dr. Heike Kamerling-Onnes (1853-1926) von der Universität Leiden Helium verflüssigt hatte. Dewars Intuition und Meisterschaft begegnete er mit System, mit den Fähigkeiten eines exzellenten Organisators. Das berühmte Kamerling-Onnes-Labor in Leiden, dessen Direktor er im Alter von 29 Jahren wurde, wird als das erste Modell eines Forschungsinstituts des XNUMX. Jahrhunderts bezeichnet. „Am Ende des Experiments unternahm Kamerlingh Onnes einen Versuch, festes Helium zu gewinnen“, schreibt R. Bakhtamov. „Er scheiterte. Er scheiterte auch später, als er eine Temperatur von 1,38 und dann 1,04 Grad Kelvin erreichte. Ohne nachvollziehbare Gründe dafür.“ Dieses seltsame Phänomen zwang er jedoch zum Rückzug und ging zum nächsten Punkt des geplanten Programms über – zur Untersuchung der Eigenschaften von Metallen bei Heliumtemperatur. Onnes maß den elektrischen Widerstand von Gold, Platin und nahm Quecksilber auf. Und dann begannen die Überraschungen. Am 28. April 1911 berichtete er der Königlichen Niederländischen Akademie, dass der Quecksilberwiderstand einen so niedrigen Wert erreicht habe, dass „die Instrumente ihn nicht erfassten“. Am 27. Mai wurde die Botschaft verdeutlicht: Der Widerstand des Quecksilbers fällt nicht allmählich, sondern stark, schlagartig und nimmt so stark ab, dass man von einem "Verschwinden des Widerstands" sprechen kann. In einer im März 1913 veröffentlichten Arbeit verwendete Onnes erstmals den Begriff „Supraleitung“. Nach weiteren 11 Jahren wird er beginnen, etwas über dieses seltsame Phänomen zu verstehen. In 50 Jahren wird das Phänomen erklärt sein, wenn auch noch lange nicht vollständig. Mehrmals beobachtete Onnes ein weiteres eher seltsames Phänomen – die ungewöhnlich hohe Mobilität von Helium. Aber es war schon so unnatürlich, dass Onnes nicht einmal versuchte, etwas zu verstehen. Er setzte seine Linie fort und näherte sich immer mehr dem absoluten Nullpunkt. Er nutzte im Wesentlichen eine Methode: Um den Dampfdruck von flüssigem Helium zu reduzieren, installierte er immer leistungsfähigere Pumpen. Am Ende erreichte Onnes 0,83 Grad Kelvin. Es schien, dass dies die Grenze war. Doch im April 1926 – zwei Monate nach dem Tod von Kamerlingh Onnes – schlug der amerikanische Professor Latimer, der die Idee des Kanadiers William Gioka entwickelte, eine neue Kühlmethode vor – magnetisch. Im Jahr 1956 erreichte Francis Simon aus Oxford eine Temperatur von 0,00001 Grad Kelvin, nur ein Hunderttausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Überraschenderweise wurde nur dreißig Jahre nach der Verflüssigung von Helium seine exotischste Eigenschaft – die Supraflüssigkeit – entdeckt, obwohl Tausende von Experimenten durchgeführt wurden. Doch eines Tages wagte eine Gruppe kanadischer Wissenschaftler dennoch eine Beschreibung und wies die Schlussfolgerungen entschieden zurück. „Die richtige Schlussfolgerung hinsichtlich eines neuen Phänomens“, stellten sie fest, „ist selbst für einen Studienanfänger nicht schwer. Aber nur reife und erfahrene Physiker würden sich die Freiheit nehmen, ernsthaft anzunehmen, dass die Wärmeleitfähigkeit einer Flüssigkeit plötzlich um Millionen ansteigt.“ der Zeiten.“ Anfang 1938 veröffentlichte Nature zwei Artikel. Einer von ihnen gehörte einem sowjetischen Wissenschaftler P.L. Kapitsaund der andere an Allen und Misenaar von der Universität Cambridge. Ihre Ergebnisse und Schlussfolgerungen stimmten überein: Der Fluss von flüssigem Helium weist fast keine Viskosität auf. Es war Kapitsa, der den Begriff „Superfluidität“ prägte, der sich allgemein durchgesetzt hat. Erstaunlicherweise verhalten sich Heliumatome und freie Elektronen des Metalls gleich. Diese Entdeckung ermöglichte es, beide Phänomene zu verbinden: Supraleitung und Supraflüssigkeit des Elektronenflusses in einem Leiter. Die Supraleitung wurde zu Beginn des Jahrhunderts entdeckt, aber erst 1957 konnten Bardeen, Cooper und Schriefer das Phänomen der Supraleitung zufriedenstellend erklären, indem sie eine Theorie aufstellten, die ihren Namen trägt (die BCS-Theorie). „Was passiert in einem Supraleiter?“, fragt Regge in seinem Buch: „Die vollständige Antwort auf diese Frage ist lang und kompliziert: Normalerweise stoßen sich zwei Elektronen im Vakuum ab, aber in einem Metall schirmen sich die positiven Ladungen der Kerne ab negative Ladungen der Elektronen und die Abstoßung kann fast vollständig verschwinden In vielen Fällen erweist sich die Abschirmung als unvollständig, und dann wird keine Supraleitung beobachtet. In einigen Fällen schrumpft das Gitter um ein Elektron und erzeugt so eine Wolke aus positiven Ladungen, die sich um dieses Elektron wickelt und andere Elektronen anzieht. Das Ergebnis ist eine leichte Anziehung zwischen den Elektronen. Da diese Anziehung schwach ist, bewirkt sie nur, dass sich die Elektronen paarweise bewegen; Es gibt also eine Bindung, die einer chemischen ähnlich ist, aber tausendmal schwächer. Folglich ist ein Cooper-Paar einem "Zwei-Elektronen"-Molekül ähnlich, und der Übergang in den Zustand der Supraleitung kann als Umwandlung eines Elektronengases in ein Gas betrachtet werden, das aus solchen "Molekülen" besteht. Ein ähnliches Phänomen tritt in der Chemie auf: Erhitzt man beispielsweise zweiatomigen Sauerstoff, zerfällt dieser in einzelne Atome, die sich beim Abkühlen rekombinieren können. Das sich im Metall bewegende Elektronengas kondensiert zu einer Flüssigkeit aus Cooper-Paaren, die wir "Kondensat" nennen. Der Radius eines solchen Paares beträgt ungefähr 300 Angström, was viel größer ist als der Abstand zwischen benachbarten Atomen (mehrere Angström). In einem Meer von Cooper-Paaren ist es schwer, sich Wellen oder Wellen vorzustellen, die kürzer sind als die Paare selbst. Daher stellen Gitterinhomogenitäten mit Größen nicht größer als zehn Angstrom keine Hindernisse für den Kondensatfluss dar, und es tritt kein Energieverlust auf. Das ist die Hauptursache der Supraleitung." Es ist immer noch schwer, sich alle Folgen dieser Entdeckung vorzustellen. Der Effekt der Supraleitung wurde bereits erfolgreich in japanischen Hochgeschwindigkeits-Maglev-Zügen eingesetzt. „Supraleitende Magnetsysteme mit einzigartigen Eigenschaften wurden entwickelt und funktionieren“, schreibt R. Bakhtamov, „Lockheed zum Beispiel hat einen Elektromagneten gebaut, der 85 Kilogramm wiegt und ein Magnetfeld von 15 Oersted erzeugt. Die größten supraleitenden Magnete mit einem Feld von 30-40 Oersted und einer Größe von etwa 4 Metern arbeiten bereits in einer Reihe von Beschleunigerlabors in Europa und Amerika, Magnete mit einem Feld von bis zu 170 Oersted wurden hergestellt. Es wird daran gearbeitet, die größten elektrischen Maschinen zu schaffen - Turbo- und Hydrogeneratoren mit supraleitenden Erregungssystemen. Supraleiter eröffnen völlig neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von Computern. Der Strom in supraleitenden Systemen ist ein ideales Speichergerät, das riesige Datenmengen speichern und mit fantastischer Geschwindigkeit abrufen kann ... Es wurden bereits Legierungen erhalten, die bei 18–20 Grad Kelvin supraleitend bleiben. Die Schaffung eines Stoffes, der bei einer Temperatur von mindestens 100 Grad Kelvin Eigenschaften besitzt, würde zu einer Revolution in der Elektrotechnik führen. Die moderne Wissenschaft glaubt, dass das Problem real ist und die Konsequenzen seiner Lösung mit einem Wort beschrieben werden können – fantastisch.“ Autor: Samin D. K.
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