НИ́ЗКИЕ ТЕМПЕРАТУ́РЫ

НИ́ЗКИЕ ТЕМПЕРАТУ́РЫ (крио­ген­ные тем­пе­ра­ту­ры), в фи­зи­ке и тех­ни­ке ин­тер­вал тем­пе­ра­тур ни­же 120 К.

Получение низких температур

Для по­лу­че­ния и под­дер­жа­ния Н. т. обыч­но ис­поль­зу­ют сжи­жен­ные га­зы (хлад­аген­ты). В Дьюа­ра со­су­де, со­дер­жа­щем сжи­жен­ный газ, под­дер­жи­ва­ет­ся его по­стоян­ная темп-ра ки­пе­ния $T_{кип}$ при нор­маль­ном ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии. В ка­че­ст­ве хла­да­ген­тов ис­поль­зу­ют: воз­дух ($T_{кип}≈80$ К), азот ($T_{кип}=77,4$ К), не­он ($T_{кип}= 27,1$ К), во­до­род ($T_{кип}= 20,4$ К), ге­лий ($T_{кип}=4,2$ К). Жид­кие га­зы по­лу­ча­ют в спец. ус­та­нов­ках – ожи­жи­те­лях, в ко­то­рых при рас­ши­ре­нии силь­но сжа­то­го га­за до обыч­но­го дав­ле­ния про­ис­хо­дят его ох­ла­ж­де­ние и кон­ден­са­ция (см. Сжи­же­ние га­зов, Джо­уля – Том­со­на эф­фект). Сжи­жен­ные га­зы мо­гут со­хра­нять­ся дос­та­точ­но дол­го в со­су­дах Дьюа­ра и крио­ста­тах с хо­ро­шей те­п­ло­изо­ля­ци­ей. От­ка­чи­вая из гер­ме­ти­зи­ро­ван­но­го со­су­да ис­па­ряю­щий­ся газ, мож­но умень­шить дав­ле­ние над жид­ко­стью и тем са­мым по­ни­зить темп-ру её ки­пения. Та­ким пу­тём уда­ёт­ся по­лу­чить темп-ры: от 77 до 63 К с по­мо­щью жид­ко­го азо­та, от 27 до 24 К – жид­ко­го не­она, от 20 до 14 К – жид­ко­го во­до­ро­да, от 4,2 до 1 К – жид­ко­го ге­лия.

Ге­лий при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии ос­та­ёт­ся жид­ким вплоть до аб­со­лют­но­го ну­ля тем­пе­ра­тур (см. Ге­лий жид­кий). Од­на­ко при от­кач­ке па­ров жид­ко­го $\ce{^4He}$ не уда­ёт­ся по­лу­чить темп-ру су­ще­ст­вен­но ни­же 1 К да­же с по­мо­щью очень мощ­ных на­со­сов (вслед­ст­вие чрез­вы­чай­но ма­ло­го дав­ле­ния на­сы­щен­ных па­ров $\ce{^4He}$ и его сверх­те­ку­че­сти). По­это­му для дос­ти­же­ния темпе­ра­тур по­ряд­ка де­ся­тых до­лей кель­ви­на ис­поль­зу­ют изо­топ ге­лия $\ce{^3He}$ ($T_{кип}=3,2$ К), ко­то­рый не яв­ля­ет­ся сверх­те­ку­чим при та­ких темп-рах. От­ка­чи­вая ис­па­ряю­щий­ся $\ce{^3He}$, уда­ёт­ся по­ни­зить темп-ру жид­ко­сти до 0,3 К. Темп-ры ни­же 0,3 К при­ня­то на­зы­вать сверх­низ­ки­ми темп-ра­ми. Для их по­лу­че­ния при­ме­ня­ют разл. ме­то­ды. Ме­то­дом адиа­ба­тич. раз­маг­ни­чи­ва­ния (см. Маг­нит­ное ох­ла­ж­де­ние) с ис­поль­зо­ва­ни­ем па­ра­маг­нит­ной со­ли в ка­че­ст­ве ох­ла­ж­даю­щей сис­те­мы уда­ёт­ся дос­тичь температур по­ряд­ка 10^–3 К, а с ис­поль­зо­ва­ни­ем па­ра­маг­не­тиз­ма атом­ных ядер – по­ряд­ка 10^–6 К.

Для по­лу­че­ния температур по­ряд­ка не­сколь­ких мК ис­поль­зу­ют ме­тод рас­тво­ре­ния жид­ко­го $\ce{^3He}$ в жид­ком $\ce{^4He}$ в ре­фри­же­ра­то­рах рас­тво­ре­ния, дей­ст­вие ко­то­рых ос­но­ва­но на том, что $\ce{^3He}$ со­хра­ня­ет ко­неч­ную рас­тво­ри­мость (ок. 6%) в жид­ком $\ce{^4He}$ вплоть до аб­со­лют­но­го ну­ля тем­ператур. По­это­му при со­при­кос­но­ве­нии поч­ти чис­то­го жид­ко­го $\ce{^3He}$ с раз­бав­лен­ным рас­тво­ром $\ce{^3He}$ в $\ce{^4He}$ ато­мы $\ce{^3He}$ пе­ре­хо­дят в рас­твор, при этом по­гло­ща­ется те­п­ло­та рас­тво­ре­ния и темп-ра рас­тво­ра по­ни­жа­ет­ся. Ге­лий $\ce{^3He}$ мож­но ох­ла­дить до темп-ры по­ряд­ка 1–2 мК, ис­поль­зуя По­ме­ран­чу­ка эф­фект. Ми­ним. по­лу­чен­ная темп-ра со­став­ля­ет 0,0000000001 К (100 пи­ко­кель­вин, на 2012).

Измерение низких температур

Пер­вич­ным тер­мо­мет­рич. при­бо­ром для из­ме­ре­ния тер­мо­ди­на­мич. темп-ры вплоть до 1 К слу­жит га­зо­вый тер­мо­метр. Др. ва­ри­ан­та­ми пер­вич­но­го тер­мо­мет­ра яв­ля­ют­ся аку­стич. и шу­мо­вой тер­мо­мет­ры, дей­ст­вие ко­то­рых ос­но­ва­но на свя­зи тер­мо­ди­на­мич. темп-ры со зна­че­ни­ем ско­ро­сти зву­ка в га­зе и ин­тен­сив­но­стью те­п­ло­вых флук­туа­ций на­пря­же­ния в элек­трич. це­пи со­от­вет­ст­вен­но.

Для из­ме­ре­ния температур от 630,74 °C до 13,81 К по Ме­ж­ду­нар. прак­тич. тем­пе­ра­тур­ной шка­ле с точ­но­стью по­ряд­ка 0,001 К слу­жит пла­ти­но­вый тер­мо­метр со­про­тив­ле­ния. В диа­па­зо­не 0,3–5,2 К низ­ко­тем­пе­ра­тур­ная тер­мо­мет­рия ос­но­ва­на на за­ви­си­мо­сти дав­ле­ния на­сы­щен­ных па­ров $p_н$ ге­лия от темп-ры $T$, ус­та­нав­ли­вае­мой с по­мо­щью га­зо­во­го тер­мо­мет­ра. В прак­тич. тер­мо­мет­рии Н. т. гл. об­ра­зом из­ме­ря­ют тер­мо­мет­ра­ми со­про­тив­ле­ния (до 20 К – мед­ны­ми; в об­лас­ти во­до­род­ных и ге­лие­вых темпе­ра­тур, вплоть до 1 мК – уголь­ны­ми). Для из­ме­ре­ния темпе­ра­тур ни­же 100 К так­же при­ме­ня­ют тер­мо­мет­ры со­про­тив­ле­ния из чис­то­го гер­ма­ния, тер­мо­па­ры, тер­мо­ре­зи­сто­ры, по­лу­про­вод­ни­ко­вые дио­ды, дат­чи­ки из сверх­про­во­дя­щих спла­вов (в об­лас­ти тем­пе­ра­тур жид­ких ге­лия и во­до­ро­да).

Для оп­ре­де­ле­ния тер­мо­ди­на­ми­че­ской темп-ры в об­лас­ти ни­же 1 К ис­поль­зу­ют ме­то­ды маг­нит­ной тер­мо­мет­рии и ядер­ные ме­то­ды. В ос­но­ве ядер­ных ме­то­дов из­ме­ре­ния Н. т. ле­жит прин­цип кван­то­вой ста­ти­стич. фи­зи­ки, со­глас­но ко­то­ро­му рав­но­вес­ная на­се­лён­ность дис­крет­ных уров­ней энер­гии сис­те­мы за­ви­сит от темп-ры. В од­ном из та­ких ме­то­дов из­ме­ря­ют ин­тен­сив­но­сти ли­ний ядер­но­го маг­нит­но­го ре­зо­нан­са, оп­ре­де­ляе­мые раз­но­стью на­се­лён­но­стей уров­ней ядер­ных маг­нит­ных мо­мен­тов в маг­нит­ном по­ле. В др. ме­то­де оп­ре­де­ля­ют за­ви­ся­щее от темп-ры от­но­ше­ние ин­тен­сив­но­стей ком­по­нент, на ко­то­рые рас­ще­п­ля­ет­ся ли­ния ре­зо­нанс­но­го гам­ма-из­лу­че­ния (см. Мёсс­бау­эров­ская спек­тро­ско­пия) во внутр. маг­нит­ном по­ле фер­ро­маг­не­ти­ка.

Ана­ло­гом тер­мо­мет­рии по дав­ле­нию на­сы­щен­ных па­ров в об­лас­ти сверх­низ­ких темпе­ра­тур яв­ля­ет­ся из­ме­ре­ние темп-ры в диа­па­зо­не 30–100 мК по ос­мо­тич. дав­ле­нию $\ce{^3He}$ в сме­си $\ce{^3He\:–^4He}$.

Физика низких температур

При­ме­не­ние Н. т. сыг­ра­ло оп­ре­де­ляю­щую роль в изу­че­нии кон­ден­си­ров. со­стоя­ния ве­ще­ст­ва. Осо­бен­но мно­го но­вых фи­зич. яв­ле­ний, экс­пе­рим. фак­тов и за­ко­но­мер­но­стей бы­ло об­на­ру­же­но при изу­че­нии свойств ве­ще­ст­ва при темп-рах жид­ко­го ге­лия. Это при­ве­ло к вы­де­ле­нию спец. раз­де­ла фи­зи­ки – фи­зи­ки Н. т., ко­то­рая изу­ча­ет фи­зич. про­цес­сы, про­те­каю­щие при низ­ких и сверх­низ­ких темп-рах, и свой­ст­ва ве­ще­ст­ва при этих темп-рах. При по­ни­же­нии темп-ры в свой­ст­вах ве­ществ на­чи­на­ют про­яв­лять­ся осо­бен­но­сти, свя­зан­ные с на­ли­чи­ем взаи­мо­дей­ст­вий, ко­то­рые при обыч­ных темп-рах вуа­ли­ру­ют­ся силь­ным те­п­ло­вым дви­же­ни­ем ато­мов. Об­на­ру­жен­ные при Н. т. мак­ро­ско­пич. яв­ле­ния (напр., сверх­те­ку­честь, сверх­про­во­ди­мость) мо­гут быть объ­яс­не­ны толь­ко в рам­ках кван­то­вой тео­рии. В ча­ст­но­сти, вы­те­каю­щее из прин­ци­па не­оп­ре­де­лён­но­сти су­ще­ст­во­ва­ние ну­ле­вых ко­ле­ба­ний объ­яс­ня­ет су­ще­ст­во­ва­ние ге­лия в жид­ком со­стоя­нии вплоть до 0 К (см. Кван­то­вая жид­кость).

Ис­поль­зо­ва­ние Н. т. спо­соб­ст­во­ва­ло соз­да­нию кван­то­вой тео­рии твёр­до­го те­ла. Со­стоя­ние твёр­до­го те­ла при Н. т. мож­но рас­смат­ри­вать как иде­аль­но упо­ря­до­чен­ное со­стоя­ние, со­от­вет­ст­вую­щее 0 К, но с учё­том га­за эле­мен­тар­ных воз­бу­ж­де­ний – ква­зи­ча­стиц, что по­зво­ля­ет опи­сать мно­го­об­ра­зие свойств ве­ще­ст­ва при Н. т. Изу­че­ние те­п­ло­ём­ко­сти, те­п­ло­про­вод­но­сти и др. те­п­ло­вых и ки­не­тич. свойств твёр­дых тел при Н. т. да­ёт воз­мож­ность ус­та­но­вить за­кон дис­пер­сии для фо­но­нов и др. ква­зи­ча­стиц. На ос­но­ве за­ко­на дис­пер­сии маг­но­нов (спи­но­вых волн) объ­яс­ня­ют тем­пе­ра­тур­ную за­ви­си­мость на­маг­ни­чен­но­сти фер­ро- и ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ков. Изу­че­ние за­ко­на дис­пер­сии элек­тро­нов в ме­тал­лах по­зво­ли­ло объ­яс­нить ряд низ­ко­тем­пе­ра­тур­ных свойств ме­тал­лов (см. Галь­ва­но­маг­нит­ные яв­ле­ния, Де Хаа­за – ван Аль­ве­на эф­фект, Цик­ло­трон­ный ре­зо­нанс).

Применение низких температур

Н. т. ши­ро­ко при­ме­ня­ют при изу­че­нии маг­нит­но­го ре­зо­нан­са, а так­же свойств по­лу­про­вод­ни­ков, мо­ле­ку­ляр­ных кри­стал­лов и во мно­гих др. слу­ча­ях. Ох­ла­ж­де­ние до сверх­низ­ких темпе­ра­тур ис­поль­зу­ют в ядер­ной фи­зи­ке, напр. для соз­да­ния ми­ше­ней и ис­точ­ни­ков с по­ля­ри­зо­ван­ны­ми яд­ра­ми при изу­че­нии ани­зо­тро­пии рас­сея­ния эле­мен­тар­ных час­тиц.

Од­на из гл. об­лас­тей при­ме­не­ния Н. т. в тех­ни­ке – раз­де­ле­ние га­зов. Про­из­вод­ст­во ки­сло­ро­да и азо­та в боль­ших ко­ли­че­ст­вах ос­но­ва­но на сжи­же­нии воз­ду­ха с по­сле­дую­щим раз­де­ле­ни­ем его в рек­ти­фи­ка­ци­он­ных ко­лон­нах на азот и ки­сло­род. Н. т. ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния вы­со­ко­го ва­куу­ма ме­то­дом ад­сорб­ции на ак­ти­ви­ров. уг­ле или це­о­ли­те (ад­сорб­ци­он­ный на­сос) или не­по­сред­ст­вен­но кон­ден­са­ци­ей па­ров на ме­тал­лич. стен­ках со­су­да с хла­да­ген­том (крио­ген­ный на­сос, см. в ст. Ва­ку­ум­ный на­сос). Др. на­прав­ле­ние тех­нич. при­ме­не­ния Н. т. свя­за­но со сверх­про­во­ди­мо­стью и сверх­про­вод­ни­ка­ми (напр., соз­да­ние маг­ни­то­гид­ро­ди­на­мич. ге­не­ра­то­ров, сверх­про­во­дя­щих маг­ни­тов, сверх­про­во­дя­щих кван­то­вых ин­тер­фе­ро­мет­ров). Н. т. ши­ро­ко при­ме­ня­ют в элек­тро­ни­ке и ра­дио­тех­ни­ке для по­дав­ле­ния ап­па­рат­ных шу­мов. Ох­ла­ж­де­ние до темпе­ра­тур жид­ко­го воз­ду­ха или азо­та на­хо­дит всё большее рас­про­стра­не­ние в ме­ди­ци­не (кон­сер­ва­ция жи­вых тка­ней, ле­че­ние опу­хо­лей и др.). См. так­же Крио­ген­ная тех­ни­ка.