تبلیغات
علوم مدارس راهنمایی - چگو نگی دستیابی به دما های زیر صفر

بررسی كتب 1و2و3علوم راهنمایی از سایت های مختلف ودبیران علوم كاری از Ho-Ab
چگونگی دستیابی به دماهای بسیار پایین و نحوه اندازه گیری آن
چگونگی دستیابی به دماهای بسیار پایین و نحوه اندازه گیری آن
پیش از صحبت در مورد پایین ترین دمایی كه به آن دست یافته و اندازه گرفته ایم، لازم است معنای علمی دما را تشریح كنیم. دما میزانی از محتوای انرژی ماده است. هنگامی كه هوا گرم است، مولكول ها سریع حركت كرده و انرژی جنبشی بالایی دارند. هر چه مولكول ها سردتر باشند، سرعت آنها نیز كمتر است و در نتیجه انرژی كمتری دارند. اندازه گیری دما روش آسانی برای مشخص كردن انرژی سیستم است.

دما را می توان با واحدهای مختلفی اندازه گرفت. معمولاً برای اندازه گیری دما در زندگی روزمره از واحدهای سلسیوس و فار نهایت استفاده می كنیم. صفر مقیاس دما باید متناظر با سرعت صفر ذرات گاز و در نتیجه انرژی صفر این ذرات باشد، اما دو واحد دمای نامبرده فاقد این خاصیت طبیعی هستند. بنابراین مقیاس دمای طبیعی، دمای مطلق است كه برحسب دمای كلوین اندازه گیری می شود. صفر كلوین پایین ترین دمای ممكن است. در صفر مطلق تمام حركت ها متوقف می شود. بدیهی است دستیابی به دمای پایین تر از صفر مطلق امكان پذیر نیست، زیرا سرعتی كمتر از صفر و انرژی كمتر از هیچ، وجود ندارد. (البته به خاطر داشته باشید كه در اینجا منظور از انرژی، فقط انرژی هایی است كه می توان از ذرات گرفت و شامل مقدار انرژی باقی مانده یا انرژی نقطه صفر مكانیك كوانتومی كه در مورد بعضی از ذرات از آنها صحبت می شود، نیست.)

صفر مطلق متناظر با 273 _ درجه سلسیوس و 460 _ درجه فار نهایت است. برای سرد كردن یك جسم لازم است انرژی موجود در جسم را استخراج كرده و آن را به جایی دیگر منتقل كنیم. برای مثال در یخچال های خانگی، مبدل گرمایی موجود در پشت یخچال گرم می شود، زیرا انرژی استخراج شده از اجسام موجود در درون یخچال به این قسمت منتقل می شود. (علاوه بر گرمایی كه از اجسام موجود در درون یخچال به این قسمت منتقل می شود، مقداری گرما نیز به دلیل كار كردن خود یخچال تولید می شود.)

در دهه 1980 و 1990 روش های جدیدی برای سرد كردن اتم های گازی ابداع شد: سرد كردن لیزری و سرد كردن تبخیری. با تلفیق این دو روش، دسترسی به دماهای پایین تر از یك نانو كلوین (یك میلیاردم درجه كلوین) ممكن شده است. پایین ترین دمایی كه تاكنون به آن دست یافته اند، دمای 4?0 پیكوكلوین است و تقریباً شش برابر كمتر از ركورد قبلی دما است. گروه ما توانسته است به این ركورد دما دست یابد كه گزارشی از آن در شماره 12 سپتامبر 2003 مجله ساینس به چاپ رسیده است. در سال های اخیر نیز دو جایزه نوبل برای توسعه این روش ها اهدا شد (سال های 1997 و 2001) در سردسازی لیزری، اتم ها نور لیزر را پراكنده می كنند. هر فوتون لیرز كه با ماده برخورد می كند، جذب آن شده و مجدداً در جهت دیگری منتشر می شود. به طور متوسط، رنگ فوتون پراكنده شده نسبت به نور لیزر اولیه كمی به سمت آبی جابه جا می شود و این یعنی فوتون پراكنده شده انرژی بیشتری نسبت به فوتون جذب شده دارد.

از آنجایی كه انرژی كل پایسته است، اختلاف در انرژی فوتون از حركت های اتمی اخذ شده است و این یعنی حركت اتم ها كند شده است. تغییر در طول موج این تابش ها به دلیل اثر داپلر (كه این جابه جایی متناسب با سرعت های اتمی است) یا به دلیل جابه جایی استارك (كه به واسطه میدان الكتریكی پرتوهای لیزر است) روی می دهد و بدین ترتیب می توان تفسیری از چگونگی كاهش انرژی اتم ها ارائه داد.

تفسیر دیگر، بر چگونگی انتقال اندازه حركت (momentum) به اتم ها تأكید دارد. اگر اتم ها در معرض چندین پرتو لیزر با مقدار قطبیت و بسامد مشخص قرار گیرند، عمدتاً فوتون هایی را جذب می كنند كه از طرف نیم كره جلویی می رسد. در این حالت زاویه ای اندازه حركت زاویه ای فوتون و سرعت اتم ها با یكدیگر می سازند بیشتر از 90 درجه است. اندازه حركت فوتون مولفه ای دارد كه مخالف جهت حركت اتم است و در نتیجه اندازه حركت فوتون جذب شده از سرعت اتم می كاهد. در مرحله بعدی نشر فوتون باز زاویه های مختلف روی می دهد و در نتیجه از متوسط چرخه های متعدد جذب و نشر فوتون، تغییری در اندازه حركت به دلیل نشر فوتون روی نمی دهد. مرحله اساسی ایجاد شرایطی است. كه اتم ها فوتون ها را عمدتاً از جهت جلو دریافت كنند، كه این كار با استفاده از جابه جایی داپلر امكان پذیر است. وقتی كه زاویه بین اندازه حركت فوتون و سرعت اتمی بیش از 90 درجه باشد، اتم و نور در خلاف جهت یكدیگر در حال حركتند و جابه جایی داپلر منجر به افزایش بسامد می شود.

وقتی كه نور لیزر برای تشدید اتمی در حالت قرمز تنظیم شده باشد، جابه جایی داپلر موجب افزایش تشدید و جذب اتمی می شود. برای نورهایی كه از جهت عقب می آیند و زاویه بین اندازه حركت فوتون و سرعت اتمی كمتر از 90 درجه است، جابه جایی معكوس روی می دهد و نور را از تشدید اتمی دورتر كرده و در نتیجه جذب كمتری روی می دهد. وقتی كه ابراتمی متراكم تر و سردتر شد، فرآیندهای سردسازی كه در بالا تشریح شد، بر فرآیندهایی كه موجب گرم شدن می شود، غلبه می كند. از فرآیندهایی كه موجب گرم شدن می شود می توان به آزادسازی انرژی در اثر برخورد اتم ها و عقب نشینی اتفاقی در اثر پراكندگی اشاره كرد، هر چند كه مقدار متوسط این حركت ها صفر است اما باز هم موجب حركت های ارتعاشی خفیفی در اتم ها می شود و در نتیجه دسترسی به پایین ترین دما را محدود می سازد. با این همه، اكنون اتم ها آنقدر سرد هستند كه بتوان آنها را توسط میدان مغناطیسی محدود كرد. در این حالت اتم هایی انتخاب می شود كه الكترون فرد و در نتیجه گشتاور مغناطیسی دارند.

در نتیجه این اتم ها همانند یك میله مغناطیسی كوچك عمل می كنند. میدان مغناطیسی خارج بر آنها نیرو وارد می كند، این نیرو با گرایش مقابله كرده و آنها را در فضا شناور نگه داشته و باعث می شود كه در كنار یكدیگر بمانند، به عبارت دیگر اتم ها در یك قفس مغناطیسی كه دیوارهای نامریی از جنس میدان های مغناطیسی دارد، گرفتار شده اند. برای سردسازی بیشتر از فرآیند سردسازی تبخیری استفاده می شود. این فرآیند با حذف اتم های پرانرژی از سیستم صورت می گیرد. همین فرآیند باعث سرد شدن فنجان قهوه می شود، وقتی كه اكثر مولكول های پرانرژی به شكل بخار از فنجان خارج می شوند، متوسط انرژی و متعاقب آن دمای مولكول های باقی مانده كاهش می یابد.

در یك تله مغناطیسی، اغلب اتم های پرانرژی از سد كشش نیروی مغناطیسی گریخته و به فاصله های دورتری بروند، در نتیجه این اتم ها می توانند به مناطق با میدان مغناطیسی بالاتری نسبت به اتم های سردتر منتقل شوند.

در این میدان های مغناطیسی قوی، اتم ها با امواج رادیویی یا میكرو ویو تشدید حاصل می كنند، كه باعث تغییر گشتاور مغناطیسی شده و در نتیجه اتم ها پرواز كرده و از تله مغناطیسی می گریزند. یك انیمیشن عالی از فرآیند سرد شدن را می توانید با مراجعه به نشانی زیر بیابید.

اما چگونه می توان دمای بسیار پایین اتم ها را اندازه گرفت؟ یك روش ساده این است كه به میزان گسترش ابر نگاه كنیم. هر چه ابر بزرگتر باشد، اتم ها پرانرژی تر هستند، زیرا توانسته اند به میزان بیشتری از میدان نیروی مغناطیسی فاصله بگیرند.این حالت شبیه جو زمین است، كه حدود 10 كیلومتر ضخامت دارد. این عبارت به این معنی است كه اتم ها می توانند در دمای اتاق تا فاصله 10 كیلومتری سطح زمین رفته و از میدان نیروی گرانشی سیاره ما فاصله بگیرند. اگر دمای سیاره ما ده مرتبه كمتر بود (یعنی حدود 30 كلوین یا 240 _ درجه سانتی گراد) آن وقت، ضخامت جو زمین فقط یك كیلومتر بود. در دمای 30 میكرو كلوین جو متراكم شده و ضخامت آن فقط یك میلی متر می شد و در دمای 30 نانوكلوین ارتفاع جو به یك میكرون یعنی به حدود یكصدم ضخامت تار موی انسان می رسید. (البته هوا گاز ایده آل نیست و در هنگام سرد شدن مایع می شود). در آزمایش های ما، اتم ها هم در معرض نیروی مغناطیسی و هم در معرض نیروی گرانشی قرار دارند. در مركز این نیروی گرانشی كاملاً با نیروی مغناطیسی خنثی می شود.

اندازه ابر الكترونی با استفاده از نور لیرز مشخص می شود، اتم ها نور لیزر را كاملاً جذب می كنند و در نتیجه یك سایه تشكیل می شود. با استفاده از چندین لنز، تصویر این سایه روی یك حسگر الكترونیك مشابه همان حسگرهایی كه در دور بین های دیجیتال وجود دارد، منتقل می شود. از آنجایی كه شدت میدان مغناطیسی با دقت مشخص شده است، اندازه ابر معیاری مطلق از انرژی و در نتیجه دمای اتم هاست. (به عبارت دقیق تر چگالی توزیع اتم ها نشان دهنده توزیع انرژی پتانسیل است) روش دیگر برای تعیین دما، اندازه گیری انرژی جنبشی اتم هاست.

برای انجام این كار تله مغناطیسی را با قطع جریانی كه از سیم پیچ مغناطیسی می گذرد، به طور ناگهانی قطع می كنند. در غیاب نیروی مغناطیسی، اتم ها به آسانی منتشر شده و ابر به طور بالیستیك منبسط می شود. با گذشت زمان اندازه ابر گسترش می یابد كه میزان این گسترش به طور مستقیم نشان دهنده سرعت اتم ها و در نتیجه دمای آنهاست (به عبارت دقیق تر، تصویر جذبی از یك ابر در حال انبساط توزیع انرژی جنبشی در ابر را نشان می هد.) برای یك زمان مشخص از انبساط بالیستیك، اندازه سایه، بیانگر میزان دما است. (دما متناسب با مربع اندازه ابر است) دستیابی به دماهای پایین تر و پایین تر به وسیله انقباض سایه نشان داده می شود.

پیش از صحبت در مورد پایین ترین دمایی كه به آن دست یافته و اندازه گرفته ایم، لازم است معنای علمی دما را تشریح

كنیم. دما میزانی از محتوای انرژی ماده است . هنگامی كه هوا گرم است، مولكول ها سریع حركت كرده و انرژی جنبشی

بالایی دارند . هر چه مولكول ها سردتر باشند، سرعت آنها نیز كمتر است و در نتیجه انرژی كمتری دارند . اندازه گیری دما روش

آسانی برای مشخص كردن انرژی سیستم است.

دما را می توان با واحدهای مختلفی اندازه گرفت . معمو ً لا برای اندازه گیری دما در زندگ ی روزمره از واحدهای سلسیوس و

فار نهایت استفاده می كنیم. صفر مقیاس دما باید متناظر با سرعت صفر ذرات گاز و در نتیجه انرژی صفر این ذرات باشد، اما دو

واحد دمای نامبرده فاقد این خاصیت طبیعی هستند . بنابراین مقیاس دمای طبیعی، دمای مطلق است كه برحسب دمای كلوین

اندازه گیری می شود. صفر كلوین پایین ترین دمای ممكن است . در صفر مطلق تمام حركت ها متوقف می شود. بدیهی است

دستیابی به دمای پایین تر از صفر مطلق امكان پذیر نیست، زیرا سرعتی كمتر از صفر و انرژی كمتر از هیچ، وجود ندارد . (البته

به خاطر داشته باشید كه در اینجا منظور از انرژی، فقط انرژی هایی است كه می توان از ذرات گرفت و شامل مقدار انرژی باقی

مانده یا انرژی نقطه صفر مكانیك كوانتومی كه در مورد بعضی از ذرات از آنها صحبت می شود، نیست.)

صفر مطلق متناظر با ۲۷۳ _ درجه سلسیوس و ۴۶۰ _ درجه فار نهایت است . برای سرد كردن یك جسم لازم است

انرژی موجود در جسم را استخراج كرده و آن را به جایی دیگر منتقل كنیم . برای مثال در یخچال های خانگی، مبدل گرمایی

موجود در پشت یخچال گرم می شود، زیرا انرژی استخراج شده از اجسام موجود در درون یخچال به این قسمت منتقل

می شود. (علاوه بر گرمایی كه از اجسا م موجود در درون یخچال به این قسمت منتقل می شود، مقداری گرما نیز به دلیل كار

كردن خود یخچال تولید می شود.)

در دهه ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ روش های جدیدی برای سرد كردن اتم های گازی ابداع شد : سرد كردن لیزری و سرد كردن

تبخیری. با تلفیق این دو روش، دسترسی به دماهای پایین تر از یك نانو كلوین (یك میلیاردم درجه كلوین ) ممكن شده است .

پایین ترین دمایی كه تاكنون به آن دست یافته اند، دمای ۴۵۰ پیكوكلوین است و تقریبًا شش برابر كمتر از ركورد قبلی دما

است. گروه ما توانسته است به این ركورد دما دست یابد كه گزارشی از آن در شماره ۱۲ سپتامبر ۲۰۰۳ مجله ساینس به چاپ

رسیده است . در سال های اخیر نیز دو جایزه نوبل برای توسعه این روش ها اهدا شد (سال های ۱۹۹۷ و ۲۰۰۱ ) در سردسازی

لیزری، اتم ها نور لیزر را پراكنده می كنند. هر فوتون لیرز كه با ماده برخورد می كند، جذب آن شده و مجددًا در جهت دیگری

منتشر می شود. به طور متوسط، رنگ فوتون پراكنده شده نسبت به نور لیزر اولیه كمی به سمت آبی جابه جا می شود و این

یعنی فوتون پراكنده شده انرژی بیشتری نسبت به فوتون جذب شده دارد.

از آنجایی كه انرژی كل پایسته است، اختلاف در انرژی فوتون از حركت های اتمی اخذ شده است و این یعنی حركت

اتم ها كند شده است . تغییر در طول موج این تابش ها به دلیل اثر داپلر (كه این جابه جایی متناسب با سرعت های اتمی است )

یا به دلیل جابه جایی استارك (كه به واسطه میدان الكتریكی پرتوهای لیزر است ) روی می دهد و بدین ترتیب می توان

تفسیری از چگونگی كاهش انرژی اتم ها ارائه داد.

به اتم ها تأكید دارد . اگر اتم ها در معرض چندین پرتو (momentum) تفسیر دیگر، بر چگونگی انتقال اندازه حركت

لیزر با مقدار قطبیت و بسامد مشخص قرار گیرند، عمدتًا فوتون هایی را جذب می كنند كه از طرف نیم كره جلویی می رسد. در

این حالت زاویه ای اندازه حركت زاویه ای فوتون و سرعت اتم ها با یكدیگر می سازند بیشتر از ۹۰ درجه است . اندازه حركت

فوتون مولفه ای دارد كه مخالف جهت حركت اتم است و در نتیجه اندازه حركت فوتون جذب شده از سرعت اتم می كاهد. در

مرحله بعدی نشر فوتون باز زاویه های مختلف روی می دهد و د ر نتیجه از متوسط چرخه های متعدد جذب و نشر فوتون،

تغییری در اندازه حركت به دلیل نشر فوتون روی نمی دهد. مرحله اساسی ایجاد شرایطی است . كه اتم ها فوتون ها را عمدتًا از

جهت جلو دریافت كنند، كه این كار با استفاده از جابه جایی داپلر امكان پذیر است . وقتی كه زاویه بین اندازه حركت فوتون و

سرعت اتمی بیش از ۹۰ درجه باشد، اتم و نور در خلاف جهت یكدیگر در حال حركتند و جابه جایی داپلر منجر به افزایش

بسامد می شود.

وقتی كه نور لیزر برای تشدید اتمی در حالت قرمز تنظیم شده باشد، جابه جایی داپلر موجب افزایش تشدید و جذب اتمی

می شود. برای نورهایی كه از جهت عقب می آیند و زاویه بین اندازه حركت فوتون و سرعت اتمی كمتر از ۹۰ درجه است،

جابه جایی معكوس روی می دهد و نور را از تشدید اتمی دورتر كرده و در نتیجه جذب كمتری روی می دهد. وقتی كه ابراتمی

متراكم تر و سردتر شد، فرآیندهای سردسازی كه در بالا تشریحشد، بر فرآیندهایی كه موجب گرم شدن می شود، غلبه

می كند. از فرآیندهایی كه موجب گرم شدن می شود می توان به آزادسازی انرژی در اثر برخورد اتم ها و عقب نشینی اتفاقی

در اثر پراكندگی اشاره كرد، هر چند كه مقدار متوسط این حركت ها صفر است اما باز هم موج ب حركت های ارتعاشی خفیفی

در اتم ها می شود و در نتیجه دسترسی به پایین ترین دما را محدود می سازد. با این همه، اكنون اتم ها آنقدر سرد هستند كه

بتوان آنها را توسط میدان مغناطیسی محدود كرد . در این حالت اتم هایی انتخاب می شود كه الكترون فرد و در نتیجه گشتاور

مغناطیسی دارند.

در نتیجه این اتم ها همانند یك میله مغناطیسی كوچك عمل می كنند. میدان مغناطیسی خارج بر آنها نیرو وارد می كند،

این نیرو با گرایش مقابله كرده و آنها را در فضا شناور نگه داشته و باعث می شود كه در كنار یكدیگر بمانند، به عبارت دیگر

اتم ها در یك قفس مغناطیسی كه دیوارهای نامریی از جنس میدان های مغناطیسی دارد، گرفتار شده اند. برای سردسازی

بیشتر از فرآیند سردسازی تبخیری استفاده می شود. این فرآیند با حذف اتم های پرانرژی از سیستم صورت می گیرد. همین

فرآیند باعث سرد شدن فنجان قهوه می شود، وقتی كه اكثر مولكول های پرانرژی به شكل بخار از فنجان خارج می شوند،

متوسط انرژی و متعاقب آن دمای مولكول های باقی مانده كاهش می یابد. در یك تله مغناطیسی، اغلب اتم های پرانرژی از

سد كشش نیروی مغناطیسی گریخته و به فاصله های دورتری بروند، در نتیجه این اتم ها می توانند به مناطق با میدان

مغناطیسی بالاتری نسبت به اتم های سردتر منتقل شوند . در این میدان های مغناطیسی قوی، اتم ها با امواج رادیویی یا میكرو

ویو تشدید حاصل می كنند، كه باعث تغییر گشتاور مغناطیسی شده و در نتیجه اتم ها پرواز كرده و از تله مغناطیسی

می گریزند. یك انیمیشن عالی از فرآیند سرد شدن را می توانید با مراجعه به نشانی زیر بیابید.

bect/temperature.Html/٢٠٠٠ http://www.Colorado.edu/physics/

اما چگونه می توان دمای بسیار پایین اتم ها را اندازه گرفت؟ یك روش ساده این است كه به میزان گسترش ابر نگاه كنیم . هر

چه ابر بزرگتر باشد، ا تم ها پرانرژی تر هستند، زیرا توانسته اند به میزان بیشتری از میدان نیروی مغناطیسی فاصله بگیرند .این

حالت شبیه جو زمین است، كه حدود ۱۰ كیلومتر ضخامت دارد . این عبارت به این معنی است كه اتم ها می توانند در دمای

اتاق تا فاصله ۱۰ كیلومتری سطح زمین رفته و از میدان نیروی گرانشی سیاره ما فاصله بگیرند . اگر دمای سیاره ما ده مرتبه

كمتر بود (یعنی حدود ۳۰ كلوین یا ۲۴۰ _ درجه سانتی گراد) آن وقت، ضخامت جو زمین فقط یك كیلومتر بود . در دمای ۳۰

میكرو كلوین جو متراكم شده و ضخامت آن فقط یك میلی متر می شد و در دمای ۳۰ نانوكلوین ار تفاع جو به یك میكرون

یعنی به حدود یكصدم ضخامت تار موی انسان می رسید. (البته هوا گاز ایده آل نیست و در هنگام سرد شدن مایع می شود). در

آزمایش های ما، اتم ها هم در معرض نیروی مغناطیسی و هم در معرض نیروی گرانشی قرار دارند . در مركز این نیروی

گرانشی كام ً لا با نیروی مغناطیسی خنثی می شود.

اندازه ابر الكترونی با استفاده از نور لیرز مشخص می شود، اتم ها نور لیزر را كام ً لا جذب می كنند و در نتیجه یك سایه

تشكیل می شود. با استفاده از چندین لنز، تصویر این سایه روی یك حسگر الكترونیك مشابه همان حسگرهایی كه در دور

بین های دیج یتال وجود دارد، منتقل می شود. از آنجایی كه شدت میدان مغناطیسی با دقت مشخص شده است، اندازه ابر

معیاری مطلق از انرژی و در نتیجه دمای اتم هاست. (به عبارت دقیق تر چگالی توزیع اتم ها نشان دهنده توزیع انرژی پتانسیل

است) روش دیگر برای تعیین دما، اندازه گیری انرژی جنبشی اتم هاست. برای انجام این كار تله مغناطیسی را با قطع جریانی

كه از سیم پیچ مغناطیسی می گذرد، به طور ناگهانی قطع می كنند. در غیاب نیروی مغناطیسی، اتم ها به آسانی منتشر شده و

ابر به طور بالیستیك منبسط می شود. با گذشت زمان اندازه ابر گسترش می یابد كه میز ان این گسترش به طور مستقیم

نشان دهنده سرعت اتم ها و در نتیجه دمای آنهاست (به عبارت دقیق تر، تصویر جذبی از یك ابر در حال انبساط توزیع انرژی

جنبشی در ابر را نشان می هد.) برای یك زمان مشخص از انبساط بالیستیك، اندازه سایه، بیانگر میزان دما است . (دما متناسب

با مربع اندازه ابر است) دستیابی به دماهای پایین تر و پایین تر به وسیله انقباض سایه نشان داده می شود.

با تشكر





Admin Logo
themebox Logo
122