[TẶNG BẠN] TRỌN BỘ Bí kíp học tốt 08 môn
Chắc suất Đại học top - Giữ chỗ ngay!!
ĐĂNG BÀI NGAY để cùng trao đổi với các thành viên siêu nhiệt tình & dễ thương trên diễn đàn.
Đâ là một câu hỏi tuyệt vời. Helium, như một nguyên tử rất đơn giản, là hấp dẫn. Người ta có thể có một sự nghiệp rất năng suất - hoặc thậm chí là một cuộc sống rất thú vị - chỉ cần nghiên cứu các tính chất của helium!
Có hai đồng vị ổn định của các nguyên tử helium. Helium-4 là phổ biến hơn với hai proton và hai neutron trong hạt nhân được bao quanh bởi hai electron lấp đầy lớp vỏ electron trong cùng ở trạng thái năng lượng thấp nhất. Đồng vị helium-3 chỉ có một neutron trong hạt nhân. Nguyên tử rất nhẹ đối xứng hình cầu này là trơ - trong đó về cơ bản nó tương tác với không có gì khác - và chỉ tương tác với các nguyên tử helium khác bởi tương tác lưỡng cực điện rất yếu do sự biến dạng nhẹ trong phân bố electron của nó khi ở rất gần với nhau khác Đó là lý do người ta phải hạ nhiệt độ xuống gần như Tuyệt đối trước khi nó hóa lỏng, nghĩa là các nguyên tử không tự nhiên thu hút lẫn nhau, vì vậy chúng phải bị chậm lại và đưa lại gần nhau để cùng tồn tại.
Nhưng ngay cả ở trạng thái lỏng, các nguyên tử đang chuyển động đối với nhau - rung động với năng lượng nhiệt, ngay cả ở những nhiệt độ cực kỳ thấp. Và một điều có vẻ đúng với hầu hết các chất rắn nguyên tố là điều này, mọi thứ có xu hướng tan chảy khi biên độ dao động của chúng là khoảng 10 Quay12% của sự phân tách nguyên tử lân cận trung bình gần nhất của chúng. Vì vậy, để hóa rắn heli đòi hỏi phải loại bỏ đủ năng lượng nhiệt mà biên độ dao động trung bình nhỏ hơn 10% so với sự phân tách nguyên tử. Và đó là nơi tất cả những điều này trở nên thú vị.
Một trong những kết quả kỳ lạ của lý thuyết lượng tử là khi một vật thể ở trong một không gian hạn chế - ví dụ điển hình là hạt Hạt trong một bài toán hộp xuất hiện trong mọi khóa lý thuyết lượng tử - năng lượng thấp nhất có thể của hạt đó không thểbằng không. Điều đó có nghĩa là hạt đã dừng lại - và vì nó bị giới hạn, những gì người ta sẽ đồng thời biết về động lượng và vị trí của nó sẽ vi phạm Nguyên tắc bất định Heisenberg. Vì vậy, năng lượng dao động thấp nhất của nguyên tử helium trong mẫu helium không bao giờ bằng 0 - ngay cả ở trạng thái lỏng. Và hơn nữa, khi được làm lạnh ngay cả đến nhiệt độ thấp hơn, biên độ dao động vẫn lớn hơn 10% độ phân tách trung bình của các nguyên tử. Vì vậy, nó không bao giờ đông cứng ngay cả khi người ta tiến gần đến độ không tuyệt đối của nhiệt độ. Đó là, trừ khi nó cũng chịu áp lực cực lớn (có thể gấp 25 lần áp suất khí quyển) buộc các nguyên tử lại gần nhau hơn trong khi năng lượng nhiệt đang bị loại bỏ.
Đó rõ ràng là một sự đơn giản hóa sự phức tạp của helium lỏng và rắn. Nhưng nó đưa ra một lập luận heuristic về lý do tại sao helium ở trạng thái lỏng xuống nhiệt độ thấp nhất trong điều kiện bình thường của ED - nếu bạn có thể nghĩ về bất kỳ điều gì như điều đó thì bình thường.
Và đó chỉ là một trong những hành vi hấp dẫn của helium lỏng.
Đây là một điều khác: Khi một nhiệt độ của helium lỏng xuống dưới 4.2 K, nó trải qua một giai đoạn chuyển tiếp khác - từ Helium I sang Helium II - nghĩa là, nó đi vào trạng thái siêu lỏng với nhiều đặc tính kỳ quái. Như thế này:
[Hình ảnh từ States of Matter, của David Goodstein]
Trong khi giảm nhiệt độ của nó từ chỉ trên 2,18 K xuống ngay dưới, nó chuyển từ chất lỏng Bình thường sôi sôi sang chất lỏng bình tĩnh nhất bạn từng thấy - trông giống như một cốc nước đang ngồi trên quầy không có rung động - thậm chí trong khi nó tiếp tục làm mát đến nhiệt độ thấp hơn khi sự bốc hơi xảy ra từ bề mặt. Tại sao? Nó đã trở thành một siêu lỏng - một hệ thống cơ học lượng tử vĩ mô - và một câu chuyện cho một thời điểm khác.
Có hai đồng vị ổn định của các nguyên tử helium. Helium-4 là phổ biến hơn với hai proton và hai neutron trong hạt nhân được bao quanh bởi hai electron lấp đầy lớp vỏ electron trong cùng ở trạng thái năng lượng thấp nhất. Đồng vị helium-3 chỉ có một neutron trong hạt nhân. Nguyên tử rất nhẹ đối xứng hình cầu này là trơ - trong đó về cơ bản nó tương tác với không có gì khác - và chỉ tương tác với các nguyên tử helium khác bởi tương tác lưỡng cực điện rất yếu do sự biến dạng nhẹ trong phân bố electron của nó khi ở rất gần với nhau khác Đó là lý do người ta phải hạ nhiệt độ xuống gần như Tuyệt đối trước khi nó hóa lỏng, nghĩa là các nguyên tử không tự nhiên thu hút lẫn nhau, vì vậy chúng phải bị chậm lại và đưa lại gần nhau để cùng tồn tại.
Nhưng ngay cả ở trạng thái lỏng, các nguyên tử đang chuyển động đối với nhau - rung động với năng lượng nhiệt, ngay cả ở những nhiệt độ cực kỳ thấp. Và một điều có vẻ đúng với hầu hết các chất rắn nguyên tố là điều này, mọi thứ có xu hướng tan chảy khi biên độ dao động của chúng là khoảng 10 Quay12% của sự phân tách nguyên tử lân cận trung bình gần nhất của chúng. Vì vậy, để hóa rắn heli đòi hỏi phải loại bỏ đủ năng lượng nhiệt mà biên độ dao động trung bình nhỏ hơn 10% so với sự phân tách nguyên tử. Và đó là nơi tất cả những điều này trở nên thú vị.
Một trong những kết quả kỳ lạ của lý thuyết lượng tử là khi một vật thể ở trong một không gian hạn chế - ví dụ điển hình là hạt Hạt trong một bài toán hộp xuất hiện trong mọi khóa lý thuyết lượng tử - năng lượng thấp nhất có thể của hạt đó không thểbằng không. Điều đó có nghĩa là hạt đã dừng lại - và vì nó bị giới hạn, những gì người ta sẽ đồng thời biết về động lượng và vị trí của nó sẽ vi phạm Nguyên tắc bất định Heisenberg. Vì vậy, năng lượng dao động thấp nhất của nguyên tử helium trong mẫu helium không bao giờ bằng 0 - ngay cả ở trạng thái lỏng. Và hơn nữa, khi được làm lạnh ngay cả đến nhiệt độ thấp hơn, biên độ dao động vẫn lớn hơn 10% độ phân tách trung bình của các nguyên tử. Vì vậy, nó không bao giờ đông cứng ngay cả khi người ta tiến gần đến độ không tuyệt đối của nhiệt độ. Đó là, trừ khi nó cũng chịu áp lực cực lớn (có thể gấp 25 lần áp suất khí quyển) buộc các nguyên tử lại gần nhau hơn trong khi năng lượng nhiệt đang bị loại bỏ.
Đó rõ ràng là một sự đơn giản hóa sự phức tạp của helium lỏng và rắn. Nhưng nó đưa ra một lập luận heuristic về lý do tại sao helium ở trạng thái lỏng xuống nhiệt độ thấp nhất trong điều kiện bình thường của ED - nếu bạn có thể nghĩ về bất kỳ điều gì như điều đó thì bình thường.
Và đó chỉ là một trong những hành vi hấp dẫn của helium lỏng.
Đây là một điều khác: Khi một nhiệt độ của helium lỏng xuống dưới 4.2 K, nó trải qua một giai đoạn chuyển tiếp khác - từ Helium I sang Helium II - nghĩa là, nó đi vào trạng thái siêu lỏng với nhiều đặc tính kỳ quái. Như thế này:
[Hình ảnh từ States of Matter, của David Goodstein]
Trong khi giảm nhiệt độ của nó từ chỉ trên 2,18 K xuống ngay dưới, nó chuyển từ chất lỏng Bình thường sôi sôi sang chất lỏng bình tĩnh nhất bạn từng thấy - trông giống như một cốc nước đang ngồi trên quầy không có rung động - thậm chí trong khi nó tiếp tục làm mát đến nhiệt độ thấp hơn khi sự bốc hơi xảy ra từ bề mặt. Tại sao? Nó đã trở thành một siêu lỏng - một hệ thống cơ học lượng tử vĩ mô - và một câu chuyện cho một thời điểm khác.
