Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
• 1911 rok – Heike
Kamerlingh Onnes –
holenderski fizyk z
Uniwersytetu Leiden
zaobserwował zanik
oporności rtęci, badając jej
własności w temperaturze 4,2
K (rolę chłodziwa pełnił
otrzymany niewiele wcześniej
ciekły hel). Za swoje odkrycie
i prace w tym zakresie Onnes
otrzymał w roku 1913
nagrodę Nobla.
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
• 1933 rok – Walter Meissner i
Robert Ochsenfeld odkryli
zjawisko diamagnetyzmu
substancji nadprzewodzącej
nazwane później zjawiskiem
Meissnera i polegające na
bardzo silnym odpychaniu
pola magnetycznego przez
nadprzewodnik
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
-
M
H
C
R=0
B=0
Stan Meissnera
Stan normalny
H
0
0
0
M
H
B
zewnetrzne
Z
H
M
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
1957 rok – pierwsza udana próba sformułowania
teorii opisującej zjawisko nadprzewodnictwa.
Powstaje skomplikowana matematycznie teoria
BCS opracowana przez Johna Bardeena, Leona
Coopera, i Johna Schrieffera, za którą wszyscy
trzej naukowcy otrzymali nagrodę Nobla w 1972
roku.
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Nadprzewodniki II rodzaju. 1957 A. Abrikosow.)
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Siła pinningu F
P
– siła pochodząca
od zakotwiczenia się worteksu na
niejednorodnościach i defektach
sieci.
Siła Lorentza F
L
– powstała na
skutek istnienia zewnętrznego pola
magnetycznego B i płynącego we
wnętrzu nadprzewodnika prądu J.
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
• 1986 rok – rewolucja w dziedzinie
nadprzewodników: nadprzewodniki
typu II – Alex Müller i Georg Bednorz
odkryli zjawisko nadprzewodnictwa
wysokotemperaturowego
(zachodzącego w temperaturze 30 K
dla ceramicznego związku lantanu,
baru, miedzi i tlenu –
(La
1.85
Ba
.15
)CuO
4
).
• 1987 rok – naukowcy University of
Alabama-Huntsville zastąpili Lantan
Itrem w stopie Müllera i Bednorza i
otrzymali ceramiczny stop YBa
2
Cu
3
O
7
(YBCO) nadprzewodzący w temperaturze
92 K. Pierwszy raz w historii otrzymano
materiał nadprzewodzący w temperaturze
wyższej niż temperatura ciekłego azotu
(77 K).
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
106
108
110
112
114
0.000
0.015
0.030
0.045
0.060
0.075
0 Oe
87 Oe
173 Oe
344 Oe
598 Oe
1110 Oe
1534 Oe
1878 Oe
R
[
T [K]
(b)
108
109
110
111
112
113
114
115
0.000
0.015
0.030
0.045
0.060
0.075
0 Oe
85 Oe
169 Oe
339 Oe
593 Oe
1102 Oe
1524 Oe
1859 Oe
R
[
]
T [K]
(a)
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
0
500
1000
1500
3
4
H II ab
H II c
T
[
K
]
H [Oe]
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
0.97
0.98
0.99
1.00
0
500
1000
1500
2000
H II ab plane
H II c axis
H
ir
r
[
O
e]
T/T
C
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo
85
90
95
100
105
0
10
20
30
40
H
dc
II c
H
dc
II ( ab )
Hdc = 0
Hdc = 1850 Oe
Jc
[
kA
c
m
-
2
]
T [K]
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo - zastosowania
elektronika –
złącza z
wysokotemperaturow
ych
nadprzewodników.
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo - zastosowania
energetyka –
wysokowydajne
generatory o
małych
gabarytach,
kable
nadprzewodniko
we stosowane w
bezstratnym
przesyłaniu
energii na duże
odległości –
oszczędności
energii
• wysokowydajne
elektromagnesy –
zastosowanie w
transporcie
(„lewitujące” pociągi),
diagnostyce medycznej
(nowe, dokładniejsze
tomografy),
akceleratorach
przyspieszających
cząstki do ogromnych
energii
Fizyka współczesna
Nadprzewodnictwo - zastosowania
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
• Początki kosmologii – rok 1917:
• A. Einstein opublikował pracę:
„Kosmologiczne rozważania nad
ogólną teorią względności”: model
statyczny.
• de Sitter & Lamaitre: wszechświat nie
jest statyczny; przestrzenia chwilowe
zależą od czasu – wszechświat
podlegający ewolucji (ale pusty).
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
W 1929 roku E. Hubble odkrył badając
widma dalekich obiektów astronomicznych
przesunięcie linii widmowych ku
podczerwieni, co zinterpretował,
wykorzystując zjawisko Dopplera. Wynika z
tego, że galaktyki oddalają się jednakowo we
wszystkich kierunkach proporcjonalnie do
ich odległości od obserwatora.
V
r
=Hr, H – stała Hubble’a (53 km/s na
Mps)
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
• Teoria Wielkiego Wybuchu.
1. Era Plancka (od 0 do 10-43sekundy )
3. Era wielkiej unifikacji (od 10-43 do 10-35 sekundy )
4.Era inflacji (od 10-35 do 10-33 sekundy )
5.Powstanie materii (od 10-33 do 10-5 sekundy )
6.Era nukleosyntezy (od 1 sekundy do 4 minuty )
7.Rozprzęganie materii i promieniowania (od 4
minuty do
300 000 lat )
8.Powstawanie galaktyk (od 300 000 lat do 2 mld lat )
9.Ewolucja chemiczna galaktyk (od 2 mld lat do dziś)
10.Powstawanie układów planetarnych
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
•
Era Plancka - od 0 do 10
-43
sekundy:
-
gęstość wynosiła 10
97
kg/m
3
, a temperatura
10
32
kelwinów.
Era wielkiej unifikacji - od 10
-43
do 10
-35
sekundy:
-
wszystkie oddziaływania, z wyjątkiem
grawitacyjnego, mające wpływ na cząstki -
elektromagnetyczne, słabe i silne były
nieodróżnialne - między oddziaływaniami
występowała symetria. Została ona złamana
w chwili t=10
-35
sekundy.
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
• Era inflacji - Od 10
-35
do 10
-33
sekundy
Konsekwencją złamania symetrii było wydzielenie
się wielkiej ilości energii. Próżnia zmieniła wówczas
swój stan. Wyzwolona energia spowodowała
gwałtowne przyspieszenie ekspansji Wszechświata.
Doprowadziło to do wygładzenia wszelkich
większych niejednorodności. jakie mogły istnieć we
wcześniejszych fazach. Dlatego dzisiaj Wszechświat
w dużych skalach jest jednorodny i izotropowy, tzn.
we wszystkich kierunkach wygląda tak samo.
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
• Powstanie materii - od 10
-33
do 10
-5
s.
Ekspansja staje się wolniejsza. Wszechświat nadal
zmniejsza swą gęstość i temperaturę. Rozpad
istniejących wówczas ciężkich cząstek spowodował
powstanie niewielkiej nadwyżki materii nad
antymaterią. W tym czasie przestrzeń wypełniała
plazma kwarkowo - gluonowa (stąd niekiedy tą erę
nazywa się erą plazmy kwarkowo - gluonowej).
Po 10
-11
sekundy, gdy temperatura opadła do wartości
2*10
15
K. oddziaływanie słabe oddzieliło się od
oddziaływania elektromagnetycznego. Wszechświat
wypełniały wówczas głównie fotony, neutrina,
elektrony i swobodne kwarki W chwili t=10
-5
s i T=
3*10
12
K - łączenie się kwarków w protony i neutrony.
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
• ERA NUKLEOSYNTEZY - od 1 sekundy do 4 minut:
T=5*10
9
K. Istniejące jeszcze wówczas pozytony
anihilowały z elektronami, zwiększając liczbę fotonów.
Rozpoczęła się wtedy era nukleosyntezy, w trakcie której
powstały proste jądra, atomowe. Protony przyłączały
neutrony, tworząc jądra deuteru. Te z kolei absorbowały
następne protony lub neutrony, w wyniku czego
powstawały jądra helu-3 i trytu. Dalsze reakcje
produkowały cząstki alfa. czyli jądra helu-4. Pod koniec
ery nukleosyntezy, która trwała około 4 minut, około 77%
masy Wszechświata stanowiły protony (czyli jądra
wodoru), a resztę - cząstki alfa (jądra helu-4).
Występowały też niewielkie ilości deuteru, helu-3 oraz litu.
Jądra ciężkich pierwiastków praktycznie nie powstały.
Temperatura i gęstość Wszechświata były już zbyt małe.
by mogły one reagować i produkować cięższe pierwiastki.
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
• Rozprzęganie materii i promieniowania - od 4
min. do 300 000 lat
Wszechświat wypełniają protony, cząstki alfa i
swobodne elektrony, zanurzone w kąpieli fotonów i
neutrin. Neutrina nie oddziaływały z materią, natomiast
fotony wymieniały energię z elektronami, tak więc ich
temperatura
była
równa
temperaturze
materii.
Wszechświat ciągle się rozszerzał i stygnął. Po okresie
300 000 lat, T=3000 K. W tym momencie elektrony
połączyły się z protonami i cząstkami alfa, tworząc
elektrycznie obojętne atomy wodoru i helu. Ponieważ
fotony prawie nie oddziałują z obojętnymi atomami, od
tej
chwili
Wszechświat
stał
się
praktycznie
przezroczysty dla promieniowania. Fotony pozostałe po
tej fazie powinny być rejestrowane również dzisiaj.
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
• Powstawanie galaktyk - od 300
000 lat do 2 mld lat
Zalążki galaktyk powstawały już w erze inflacji.
Inflacyjna ekspansja nie przebiegała identycznie w
całym Wszechświecie: niektóre obszary rozszerzały się
nieco szybciej, inne nieco wolniej. Te, które
rozszerzały się wolniej, miały większą gęstość. Siły
grawitacyjne przyciągały materię do obszarów o
większej gęstości. Z obszarów tych utworzyły się
galaktyki
i
większe
struktury
-
gromady
i
supergromady galaktyk. Ponieważ światło rozchodzi
się ze skończoną prędkością widzimy je takimi, jakie
były kilkanaście miliardów lat temu, czyli zaledwie
miliard czy dwa miliardy lat po Wielkim Wybuchu.
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
• Ewolucja chemiczna galaktyk - od 2 mld
lat do chwili obecnej:
Gdy galaktyki już powstały, skupiły w sobie większość
materii Wszechświata. Dlatego od tej chwili ewolucja
Wszechświata polega na zmianach zachodzących we
wnętrzach galaktyk. Początkowo gaz, z którego się
utworzyły, składał się prawie wyłącznie z wodoru i helu.
Niestabilności grawitacyjne powodowały, że .obłoki tęgo
gazu zapadały się. tworząc. pierwsze pokolenie gwiazd. W
gwiazdach zachodziły reakcje jądrowe, które przekształcały
jądra wodoru w jądra helu, a w późniejszych fazach - także
jądra helu w jądra węgla i tlenu. Najistotniejszą rolę w
ewolucji chemicznej galaktyk pełnią gwiazdy masywne (o
masach przekraczających 8 mas Słońca). W końcowych
etapach rozwoju powstają w nich również jądra innych
pierwiastków, a swój żywot kończą w formie gwiazd
supernowych.
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
• Poszukiwania Arno Penziasa i
Roberta Wilsona:
• Odkrycie promieniowania
elektromagnetycznego o
długości 7.35 cm – 3.5 K.
• Promieniowanie reliktowe –
promieniowanie tła
(pozostałość ery rozprzęgania)
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
• Dokładne pomiary: 2.7 K,
charakter promieniowania CDC.
• od 1992r. - badanie
promieniowania tła przy pomocy
satelity COBE,
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
Typy
galaktyki
Gwiazdy
Materia
Procent
całej
międzygwiazdo
wa
populacji
spiralne
stare
pył i gaz
Ok.77%
młode
eliptyczne
stare
gaz
Ok. 20%
nieregularn
e
młode
pył i gaz
Ok. 3%
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
• Droga Mleczna jest galaktyką spiralną, liczącą
około 500 miliardów gwiazd. Powstała z
olbrzymiej chmury gazowo-pyłowej ok. 10
miliardów lat temu. W jej wnętrzu znajduje się
gęste sferyczne jądro, złożone też z gwiazd
które może też zawierają czarną dziurę. Wokół
jądra rozciąga się dysk ukształtowany w
ramiona spiralne, zawierający młode gorące
gwiazdy. Jądro i dysk otacza rzadkie halo z
bardzo starych gwiazd.. nasza galaktyka ma
jądro o średnicy około 10 000 lat świetlnych,
dysk o średnicy ok. 100 000 lat świetlnych.
Fizyka współczesna
Ewolucja i budowa Wszechświata
W przygotowaniu tego wykładu
korzystałem z prezentacji
wykonanych przez studentów IV roku
GiG oraz II roku Informatyki
Stosowanej WFiIS w ramach
prowadzonych przeze mnie zajęć
seminaryjnych z „Fizyki
Współczesnej”.
Wiesław Marek Woch.