Nær null : en innføring i lavtemperaturfysikk

Citation preview

D. K. C. MacDonald

Nær null En innføring i lavtemperaturfysikk Oversatt av Tore Olsen

OSLO 1965

J. W. CAPPELENS FORLAG

Originalens titel: Near Zero, New York 1961. Copyright: © 1961 by Educational Services Incorporated. Norsk utgave: ©1965 J. W. Cappelens Forlag A/S, Oslo. Trykt hos Emil Moestue A.s, Oslo.

SCIENCE STUDY SERIES

Denne boken er utgitt i Science Study Series, en amerikansk populærviten­ skapelig billigbokserie som har til hovedformål å gi studenter og interesserte legfolk oversikter over moderne naturvitenskap. I alt er det planlagt over 100 bind i serien. Bøkene i Science Study Series utgis som del av et nytt program for undervisningen i realfag. En gruppe fysikere, lektorer, journalister, tek­ nikere, filmprodusenter og andre spesialister knyttet til Massachusetts Insti­ tute of Technology dannet i 1956 «The Physical Science Study Committee», som nå er en del av Educational Services Incorporated, Watertown, Massa­ chusetts. Denne komitéen har laget en ny lærebok i fysikk (utgitt på norsk under tittelen «Fysikk»), en omfattende serie filmer, en laboratoriehåndbok, nye apparatkonstruksjoner for laboratorier, og Science Study Series, som er utgitt ill land.

Til min far, som skrev i sin lille sønns minnebok: «Jeg har seks ærlig tjenende menn, (De lærte meg alt jeg kan); De heter Hvordan, Hvorfor og Når, og Hvem, og Hva, og Hvor.» Rudyard Kipling

Innhold

Forord.............................................................................................

?

1. Hvad er lavtemperaturfysikk? ............................................... Varme, bevegelse og atomær uorden. - Kelvins absolutte temperaturskala.

9

2. Hvordan oppnår vi de lave temperaturene?....................... 29 Atomær orden og uorden. — Magnetisk kjøling. - Kon­ servering av lave temperaturer.

3. Ledningsevne og superledning............................................... 45 Motstand ved lave temperaturer. - Oppdagelsen av super­ ledning. - Superledning og magnetisme. - Plancks kon­ stant. - Lavtemperaturkomponenter for regnemaskiner.

4. Helium - et interessant stoff................................................. 68 Krefter mellom atomene. - Nullpunktsenergi. - Supervæsker. - Egenskapene til lett helium. 5. Hvordan andre vitenskaper bruker lavtemperaturfysikk .. 82 Kjemi og lave temperaturer. - Fysikk og teknikk. - Medi­ sinske og tekniske anvendelser. - Temperaturen og uni­ verset.

Forord

Denne lille boken tar overhodet ikke sikte på å gi en omfattende oversikt over alle problemer av interesse i lavtemperaturfysikken. Jeg har av en bestemt grunn forsøkt å konsentrere meg om de felter jeg vet noe om. Det er nemlig vanskelig nok å skrive om det man kan, men det forekommer meg nær umulig å skrive om det man ikke har rede på. Det er mulig boken inneholder for mange fotnoter, men meningen med dem er å forklare begreper som an­ tagelig er ukjente og dessuten å fortelle litt om de mest fremtredende vitenskapsmenn vi møter på dette feltet. Hvis fotnotene virker distraherende, så kan de overses, i alle fall ved første gangs lesning. Men det er kanskje for optimistisk av meg å tro at boken er god nok til å leses to ganger! Jeg vil gjeme foreslå en ting. Boken er meget liten, men for dem som ikke har tid til å lese hele, vil jeg anbefale det første og det siste kapitlet (som for øvrig godt kan leses i omvendt rekkefølge). Jeg tror disse kapitler vil gi en anelse om den begeistring som i det minste forfatteren føler for denne del av fysikken. Jeg vil rette en takk til: Dr. J. G. Daunt, Dr. K. Mendelssohn og The Royal Society for Fig. 12 som ble laget på grunnlag av en figur i en av Daunt og Mendelssohns artikler. (Proc. Roy. Soc. A942, 423, 1939.)

Dr. D. Shoenberg og Cambridge University Press for Fig. 10 som ble tegnet etter tabell VII i Dr. Shoenbergs bok «Superconductivity» (Cambridge University Press, 1952). Direktør Sir Lawrence Bragg i The Royal Institution for at han velvillig stilte til min rådighet fotografiet som er benyttet i plansje V. Første visepresident Dr. Howard O. McMahon i Arthur D. Little Inc., som velvillig har gitt meg lov til å bruke fotografiet som er benyttet i plansje VI. Miss P. Fairfield for hennes dyktige maskinskrivning av mine tallrike manuskripter, Miss J. Spong, min kone og min datter, Aileen, for deres hjelp med å kontrollere manuskriptene, lese korrektur, etc.

Ottawa, 1961.

D. K. C. MacDonald.

I

Hva er lavtemperaturfysikk ?

I nordlige strøk med innlandsklima hender det ikke sjelden at nattetemperaturen om vinteren ligger om­ kring - 40° C. Kanskje er det for de fleste mennesker og især de som må leve seg gjennom slike vintre, van­ skelig å forstå hvorfor noen med viten og vilje produ­ serer så lave temperaturer i sine laboratorier - ja, såmen enda lavere. Man kan med full rett spørre: Hva skal nå dette være godt for? Jeg håper i denne boken å vise at eksperimenter ved lave temperaturer kan være oss til stor hjelp i vår søken etter å forstå hvordan naturen oppfører seg. Eksperi­ mentene setter oss også i stand til å utnytte naturen bedre, f. eks. til å finne gode ledere for overføring av elektrisk kraft. Men jeg vil gjeme understreke at jeg tror enhver systematisk undersøkelse av naturen, det være seg ved høye eller lave temperaturer, på Nord­ polen eller i Sahara, i den levende eller i den døde verden, er verd å gjøre for sakens egen skyld. Jeg tror at et av de vesentlige trekk som skiller oss mennesker fra andre dyr, er evnen til stadig å stille spørsmål, og det har heldigvis alltid eksistert mennesker med en gjennomtrengende lyst til å forstå hva som skjer i naturen. Misforstå meg ikke. Jeg gjør meg ikke til talsmann for det syn at vitenskapsmenn sitter i «elfenbenstårn» 9

ii ■:;

fullstendig avstengt fra resten av verden. Faktum er at jeg gleder meg over at forståelsen av naturvitenskap har ført til så behagelige ting som platespillere (fordi jeg liker musikk) eller har gitt oss elektriske komfyrer og kjøleskap (fordi jeg liker mat og drikke), madrasser og oljebrennere til sentralvarmeanlegg (fordi jeg liker kom­ fort når jeg kan få det) og en lang rekke andre gjen­ stander. På den annen side betyr ikke dette at jeg ikke er bekymret og ulykkelig, slik vi alle burde være, over de muligheter til selvutslettelse som samfunnet har pres­ set teknikken til å produsere fra vitenskapens oppdagel­ ser. Resultatene av vitenskapelig forskning er i seg selv hverken gode eller onde. Det er hva mennesket bestem­ mer seg for å bruke dem til som avgjør dette. Men etter å ha sagt dette vil jeg atter en gang under­ streke at jeg mener vitenskapelige undersøkelser, dvs. det vi kaller forskning, i seg selv er verdifulle og et tvers igjennom menneskelig gjøremål. Jeg tror ikke at viten­ skap må drives med «baktanker», selv om den selvfølge­ lig kan drives på den måten. Noen vitenskapsmenn kan ivre etter berømmelse i forskjellige utgaver eller høyere lønn og lignende. En slik ærgjerrighet avspeiler bare det faktum at vitenskapsmenn og studenter er men­ nesker som alle andre, men hva jeg finner trist er hvor ofte folk i dag venter å finne et endelig motiv eller en skjult hensikt med alt man gjør i livet. Det kan herske liten tvil om at den beste og mest verdifulle forskning blir drevet av menn som er, i alle fall for øyeblikket, fullstendig uinteressert i alt annet enn i det problem de søker å løse. Det hele er, selvfølgelig, analogt med den drivkraft som presser menn som Hillary og Tensing til den enorme prestasjon å bestige Mount Everest. Nok engang, misforstå meg ikke, hver mann sin lyst! Person­ lig ville jeg bli skremt bare av tanken om å bestige en aldri så liten topp, og jeg er sikker på at Mount Everest ville fryse margen i mine ben. Men til gjengjeld føler

10

kanskje Sir Edmund Hillary ubehag ved tanken på å måtte utføre eksperimenter ved meget lave temperaturer. La oss så vende tilbake til saken. Jeg vil først forsøke å gi et oversiktsbilde av hva vi mener med lave tempe­ raturer og deres betydning for den fysiske vitenskap, og deretter i senere kapitler diskutere problemene mer i detalj. Jeg ber derfor om unnskyldning hvis det jeg skri­ ver ikke er tilstrekkelig presist. Jeg er fornøyd hvis jeg oppnår å gi et omtrentlig bilde av problemene. Temperaturen på solens overflate er omkring 6000° C, men det er ikke der de prosesser foregår som produ­ serer all varmen solen stråler ut i verdensrommet. I solens indre derimot, hvor kjernereaksjoner vedlikehol­ der solens energistråling, er temperaturen antagelig førti millioner grader Celsius — så sier astrofysikerne. * Denne temperatur er omtrent ett hundretusen ganger så varm som de vanlige temperaturer vi lever under, og selvfølgelig kan det ikke herske tvil om at problemene rundt disse meget varme kjernereaksjoner er en meget viktig del av den fysiske vitenskap. Men hva med ting som er hundretusen ganger kaldere enn verden rundt oss? Har det noen hensikt å studere ting som er så kalde? Og fremfor alt, hva mener vi med at noe er hundretusen ganger kaldere? Disse to spørsmål er mer eller mindre hjertet av lavtemperaturfysikken. Jeg skal forsøke å besvare dem, i tur og orden. VARME, BEVEGELSE OG ATOMÆR UORDEN

For det første har vi spørsmålet om stoffenes «varme». For omkring hundre år siden var det ennå tvil om hva som skjedde i et stoff når det ble varmt, eller med andre ord, hva varme egentlig var. Selvfølgelig vet vi alle meget godt hva vi mener når vi sier at vi er varme. Brukt på * Jeg har nylig sett at en ekspert, professor Hermann Bondi, tror at temperaturen i solens sentrum er bare fattige tretten milli­ oner grader, så det synes å være endel usikkerhet til stede!

11

denne måten betyr varm vanligvis at vi har en sterk følelse av ubehag. Vi kan til og med føle oss kvalme hvis vi blir for varme, og fra et medisinsk synspunkt er dette et viktig symptom. Vi skal ikke glemme at all fysisk vitenskap har sitt utspring i de menneskelige san­ ser. Begrepet masse, for eksempel, stammer fra vårt kjennskap til at legemer er «tunge», og kraftbegrepet fra vår erfaring at dytter vi hardt nok på en gjenstand så vil den bevege seg osv. På den annen side kan vi ikke spørre en stol eller et bord om de føler ubehag, eller om de er for varme eller for kalde. Dertil kommer at uten en uavhengig skala som vi kan bruke til å måle disse forhold med, ville vi aldri enes om hvor varme eller hvor kalde ting er. Vi kan derfor ikke stole på våre egne sanser når vi, helt generelt, forsøker å forstå varme og kulde i naturen. Det synes som Benjamin Thom­ * son (den senere grev Rumford av Bayern) var den første som klart uttrykte hva vi forstår fysisk når vi sier at et legeme blir varmere. Han skrev i 1798: «------ det forekommer meg uhyre vanskelig, hvis ikke nær umulig, å formulere en bestemt idé om noe som skulle kunne være i stand til å bli fremkalt og utvekslet, slik som varmen ble fremkalt og utvekslet på i disse eksperimen­ ter, hvis det ikke skulle være bevegelse (dvs. av ato* Benjamin Thomson ble født i Wobum, Massachusetts i U.S.A. i 1753, og spilte en stor rolle under dannelsen av The Royal Institution i London hvor de første direktører var Sir Humphrey Davy og Michael Faraday. Hans berømte publika­ sjon om frembringelse av varme ved friksjon ble trykt i Philosophical Transactions of the Royal Society of London i 1798 og har følgende innledning: «Det hender ofte at det oppstår mulig­ heter, under livets vanlige gjøremål og arbeid, til å betrakte noen av de mest forunderlige hendelser i naturen---------- og jeg er overbevist om at vanen med å holde øynene åpne mot alt som skjer under livets vanlige gang, oftere fører til----------- brukbar tvil og fornuftige planer----------- enn alt av den langt mer in­ tense meditasjon som filosofer foretar i de timer som de ut­ trykkelig avsetter til studier.» Kommentarer er overflødige!

12

mene).» Det vil si at varmer vi noe opp, så vil atomene i stoffet begynne å vibrere sterkere og sterkere, eller med andre ord, atomene vil få større energi. La meg gjøre det klart at denne definisjon ikke på noen måte forandrer hvordan man personlig føler seg når man er kald eller varm, men det betyr at denne økning av ener­ gien er en felles egenskap til alt stoff, såvel levende som dødt, når det varmes opp, og denne egenskap er noe vi kan måle og enes om. Den delen av vitenskapen som er interessert i stoffenes grad av varme eller kulde (dvs. deres temperatur) er fundamentalt sett beskjeftiget med den energi som atomene eller molekylene har. La oss ta for oss en kjent situasjon og tenk på en isklump på en meget kald dag. Hvis vi undersøker isen med passende røntgenstråler (som gjør det mulig å finne ut hvordan atomer og molekyler ligger ordnet), vil vi finne at vannmolekylene er ordnet i et strengt regelmes­ sig mønster i rommet og danner derfor hva vi kaller et «gitter». Det er denne regelmessige ordning eller dette mønster av atomene som gir mange stoffer en tydelig krystallinsk form, og det er på grunn av dette atomære mønster at sneflak ofte har en vakker, regelmessig form. Men selv på den kaldeste dagen som vi har erfart her på jorden, vil ikke molekylene som utgjør iskrystallene, være fullstendig i ro. Hvis vi tenker oss at vi kunne be­ trakte de enkelte molekyler gjennom et tilstrekkelig sterkt mikroskop, så ville vi se at de hoppet omkring forholdsvis hurtig, men i gjennomsnitt ville de forbli mer eller mindre på samme plass. Eller for å si det mer fysisk, molekylene svinger omkring en likevektsstilling (fig. 1). La oss så forestille oss at vi varmer opp denne meget kalde isklumpen mens vi fortsatt betrakter mole­ kylene. Vi vil da se at de svinger sterkere og sterkere ettersom temperaturen stiger, og molekylenes økende bevegelse er simpelthen varmeenergien (den termiske energi) som iskrystallene har. Ved fortsatt oppvarmning 13

Is: Molekylene er ordnet i et regelmessig mønster.

Fig. 1. Atomer og molekyler i et krystallinsk stoff svinger om en likevektsstilling. Etter hvert som stoffet mottar energi vil disse svingningene bli sterkere og sterkere for til slutt å bli så voldsomme at atomene og molekylene ikke lenger har noen likevektsstilling, og stoffet går over i væskeform og senere til en gass

vil vi nå et punkt (ved 0° C) hvor svingningene blir så voldsomme at de molekyler som utgjør iskrystallene, ikke lenger vil forbli i et regelmessig mønster. Når dette hender - og det hender plutselig - kan hvert enkelt molekyl bevege seg fritt omkring blant de andre slik at molekylene ikke bare utfører en hurtig svingende be­ vegelse, men også diffunderer raskt fra sted til sted uten å bli lenge på noen enkelt plass. Vi kan vente oss at når dette hender så bør man kunne iaktta en dramatisk

14

endring av isklumpen, og sannelig er det dramatisk nok når man tenker på det. Det harde, sprø og faste stoffet som kalles is, omformes brått til en våt, lettflytende væske vi kaller vann og som renner utover det hele. På mange måter er denne plutselige smeltning en av de mest oppsiktsvekkende hendelser i naturen. Uten den ville vi gå glipp av alle de vakre syn som følger i vår­ løsningens spor. Men la oss fortsette litt lenger. Isen er nå smeltet til vann, og vi fortsetter å varme opp vannet. Vi vil da finne at molekylene beveger seg omkring stadig friere og friere (teknisk ville vi si at viskositeten avtar. Dette er helt tydelig når vi varmer opp olje som meget raskt blir mer og mer lettflytende eller som vi også sier «tyn­ nere»). Men så lenge vi ikke varmer opp vannet for mye, så vil molekylene stort sett forbli samlet. Molekylene tiltrekker hverandre, og dette holder dem samlet. Men hvis vi varmer opp vannet for mye (til omkring 100° C), vil de enkelte molekyler bevege seg så hurtig at de river seg løs fra mengden og flyr av gårde, for kanskje aldri å vende tilbake. Når dette hender, sier vi at vi får dannet vanndamp. Vannmolekylene har så stor energi at de flyr av gårde i alle retninger, de utgjør derfor en gass og, som jeg sa, denne gassen er nettopp hva vi kaller damp. Jeg har lyst til å nevne en enkel analogi som antyder, kanskje mer direkte, hovedtrekkene i hva som foregår. La oss forestille oss at vi har en gruppe små skolegutter som til å begynne med sitter på sine pulter i et klasseværelse, og klasseværelset skal være av det gamle slaget hvor pultene er ordnet pent i rekker og rader. Det er også en lærer i rommet, og han kan være meget streng (jeg våger å påstå at han kan gi elevene en liten ørefik). Guttene sitter derfor stille og rolige på sine plas­ ser, og det hersker en meget god orden. Men senere blir læreren distrahert, og hans oppmerksomhet svekkes -

15

straks begynner guttene å vri seg rundt på pultene, og de blir stadig mer urolige. Til slutt forlater læreren klasseværelset, og guttene tar øyeblikkelig til med å løpe fra pult til pult. Når dette hender, kan vi si at det regel­ messige eller «krystallinske» mønster av skolegutter har «smeltet», og vi har isteden en væskeaktig forsamling av elever. Guttene tror for en stund at læreren vil komme tilbake slik at de stort sett holder seg samlet i klasseværelset selv om de fremdeles løper fra pult til pult. Etter en tid skjønner de at læreren ikke vil komme tilbake, og meget hurtig begynner de å løpe ut av dørene. Noen vil til og med hoppe ut av vinduet og løpe til leke­ plassen og derfra videre utover, slik at de kommer lenger og lenger bort fra skolen og fra hverandre, og de vil antagelig ikke komme tilbake (i hvert fall ikke før i morgen). Jeg tror vi nå kan si at vår «væske» bestående av skolegutter har «fordampet» og at vi har en «gass» av gutter som løper i alle retninger med stor fart, og ingen bryr seg om hvor de andre er. Det jeg ønsker å belyse er at ettersom tiden gikk for guttene våre, ble tingene mer og mer uordnet. Noe lignende foregikk da vi varmet opp isklumpen inntil den til slutt fordampet: atomenes bevegelse ble etter hvert mer og mer uregel­ messig og uordnet, og til slutt fløy atomene av gårde i alle retninger. Grovt sagt kan vi si at jo høyere tem­ peraturen til et fysisk legeme er, desto større er graden av atomær uorden, og omvendt, hvis vi kjøler noe ned til en lav temperatur, vil kjølingen vanligvis frembringe større og større orden i systemet. Vi kan derfor fullende vår analogi - kanskje heller upresist - ved å foreslå at læreren er noe i retning av en lavtemperaturfysiker som er i stand til a bringe orden inn i et system hvor det tidligere ikke var noen orden. La oss ta et annet eksempel for å belyse den samme tanke. Hvis vi kobler et stykke metalltråd, f. eks. en kobber- eller sølvtråd, til et lite elektrisk batteri (fig. 2), 16

Kobberkrystall med aksele­ rerende frie elektroner.

Elektron

ledning

Fig. 2. Den regelmessige ordning av kobberatomene (en flatesentrert kubisk krystall) er her tenkt sett i et sterkt mikroskop. De frie elektronene kolliderer og hopper omkring, men vil like­ vel drive jevnt mot høyre på grunn av spenningsforskjellen mellom trådens endepunkter.

vil det for en tid løpe en elektrisk strøm gjennom trå­ den, men til slutt vil batteriet gå trett, og det klarer ikke lenger å drive strømmen gjennom tråden. I dag vet vi at et metallstykke vil lede elektrisk strøm på grunn av at når atomene ordner seg i den krystallstrukturen som bygger opp metallet, så vil hvert enkelt atom avgi ett eller to elektroner til et felles «fond». Disse elektronene er mer eller mindre frie og kan beveges gjennom metallet hvis vi ønsker det. Utsetter vi metallet for en elektrisk spen­ ning, vil denne gi elektronene et puff og derfor 17

starte en elektrisk strøm. Hvis vi fortsatte å puffe med den elektriske spenningen og ingenting stoppet elektronene, ville de gå hurtigere og hurtigere, og man kunne tro at vi her hadde en strøm som etter hvert ville bli sterkere og sterkere. Men noe annet hender. Så snart «skyen» av elektroner begynner å strømme gjennom metallet, vil elektronene finne det vanskelig å bevege seg forbi de atomene som utgjør metallet. Elektronene støter sammen med atomene meget ofte, eller som vi også sier: de «kolliderer» med atomene. Slike kollisjoner har to virkninger. For det første vil de gjentatte støt som elek­ tronene har med de omgivende atomer være årsak til en elektrisk «friksjon». (Det som teknisk kalles metallets elektriske motstand.) Motstanden begrenser den hastig­ het som elektronene kan ha, eller med andre ord, den begrenser den elektriske strøm som kan strømme ved en gitt spenning. Denne proporsjonalitet mellom den elek­ triske strøm og den pålagte spenning er kjent som Ohms * lov. For det andre brukes det energi når elektronene skyves gjennom metallet, og derfor vil batteriet etter en tid bli utbrukt, dvs. den elektriske energien som det opprinnelig hadde, har blitt brukt til å overvinne den elektriske motstanden i metallet. Hvis atomene hopper omkring eller vibrerer voldsomt, vil elektronene finne det vanskelig å passere, og motstanden i metallet skulle være høy. Omvendt, hvis vi kan redusere atomenes * Georg Simon Ohm (1787-1854). Ohm var en tysk fysiker som var professor i Miinchen fra 1852. Den internasjonale enhet for elektrisk motstand er kalt ohm til ære for ham. En motstand på 1 ohm betyr at det vil gå en strøm på 1 ampere hvis vi har en elektrisk spenning på 1 volt. Kanskje burde det nevnes at en­ heten ampere er oppkalt etter den berømte franske fysiker og matematiker André Marie Ampere (1775-1836) som utførte grunnleggende studier av elektrisitet og magnetisme. Enheten volt er oppkalt etter Alessandro Volta (1745-1827), som oppfant det galvaniske element. Dette var det første batteri som skaffet elektrisitet fra en kjemisk reaksjon.

18

vibrasjoner, vil det bli lettere for elektronene å bevege seg, og motstanden skulle derfor bli mindre. Men vi sa tidligere at atomenes vibrasjoner økte når temperaturen steg, og vi skulle derfor vente at den elektriske mot­ standen til et metall også ville stige hvis vi varmer det opp, eller omvendt, at den elektrtiske motstanden skulle avta hvis metallet kjøles ned. Dette er nettopp det som skjer. Anta at vi tar et stykke ren kobbertråd. Motstanden ved værelsestemperatur er f. eks. en ohm, dvs. et ett-volts batteri vil kunne skyve en strøm på en ampere gjennom tråden. Hvis vi varmer opp denne kobbertråden i en flamme til den er mørkerød, dvs. slik at temperaturen er omkring 600° C, vil vi oppdage at motstanden er steget til tre ohm. Det betyr at vi trenger et tre-volts batteri for å få en strøm på én ampere. Siden metallet er meget varmt, vibrerer atomene så voldsomt at elektronene trenger en tre gan­ ger så sterk kraft for å komme seg fram med samme hastighet. Men tar vi det samme stykke kobbertråd og, istedenfor å varme det opp, dypper det ned i litt fly­ tende luft (med en temperatur på ca. - 190° C), vil vi se at motstanden har falt til omtrent en femtedels ohm og vårt ett-volts batteri ville være i stand til å sette opp en strøm på fem ampere. Flytende luft er et meget kaldt stoff, og siden atomene i metallet vibrerer mindre livlig enn ved værelsestemperatur, vil elektronene passere gjennom langt lettere. Går vi enda lenger og dypper tråden i flytende helium, som er enda kaldere, så vil motstanden kanskje gå så langt ned som til en tusendels ohm, og det ville kreves bare en tusendels volt for å få en strøm på én ampere. Ved denne meget lave tempe­ ratur (flytende helium er omtrent ett hundre ganger kaldere enn værelsestemperatur) er atomenes varmesvingninger så svake at de har en meget liten evne til å stoppe elektronenes vandring. Situasjonen ligner kanskje et cocktailselskap. Hvis 19

selskapet er vellykket, vil gjestene etter, la oss si, en time være så animerte at det er vanskelig å komme fra den ene siden av rommet til den andre uten å støte på folk. På den annen side, hvis «isen» aldri blir brutt (alle vertinners frykt), vil gjestene forbli så «kalde» og reser­ verte at de står rundt omkring uten å si et ord, og man vil ikke på noe tidspunkt ha vanskelig med å krysse rommet. Vi kan summere opp situasjonen slik: Når vi varmer opp ting (dvs. hever deres temperatur), vil systemet av atomer bli mer og mer uordnet. På den annen side: hvis vi kjøler systemet tilstrekkelig, øker den atomære orden. Det følger av dette at lavtemperaturfysikk setter oss i stand til å måle egenskaper med større nøyaktighet fordi den atomære orden lar oss, grovt sagt, «se» flere detal­ jer. Vi ser mer fordi alt ikke lenger er så urolig. Det er omtrent som å se på et stort tre gjennom et vindu (slik jeg gjør nå), og forsøke å studere detaljer i bladene på en rolig sommerdag og, på den annen side, betrakte det samme treet mens det blåser liten kuling. Når kulingen får alt til å røre seg med voldsomme bevegelser, vil vi fremdeles kunne se at det er et tre vi betrakter, men vi kan ikke studere formen på bladene osv., ja selv ikke hvis vi forsøkte å se på treet i en kikkert. Men når været er rolig og treet helt stille (slik det er i øyeblikket), kan jeg se at bladene har fem fingre. Hvis jeg brukte en kikkert, ville jeg sikkert også kunne studere årene og andre detaljer på bladene. Jo stillere og mer ordnet ting er, desto lettere er det derfor å studere de finere detaljer. Ved å bruke de meget lave temperaturer til å øke orde­ nen blant atomene, kan fysikere bedre studere de fine detaljer hos stoffene. En fysiker ved navn Clausius * * Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888). Han var pro­ fessor ved den berømte Tekniske høyskolen i Zurich, Sveits fra 1855 til 1867 og deretter ved universitetene i Wiirtzburg og Bonn i Tyskland.

20

myntet forresten et eget ord for graden av uorden i fysiske systemer - han kalte det entropi. En av de viktigste lovene i fysikken (eller kanskje i all naturvitenskap) sier at hvis naturen er overlatt til seg selv, vil entropien som helhet ha tendens til å øke. (Dette er en måte å formulere termodynamikkens annen hovedsetning på.) Hva dette betyr, grovt sagt, er at hvis man overlater ting til seg selv, så vil de i det hele bli stadig mer rotete. Hvis en husmor, og især en med små barn, skulle lese dette, er jeg sikker på at hun øyeblik­ kelig vil skjønne hva jeg mener. For hun ville si: «Jeg tilbringer hele dagen med å forsøke å holde en viss orden i huset, men så snart jeg snur ryggen til, kommer rotet, og det før jeg får sukk for meg!» Jeg skal ikke foreslå at husmorens fortvilelse er en særlig alvorlig an­ vendelse av termodynamikkens annen hovedsetning, men noen har forsøkt å bruke loven til å forstå hvorfor levende organismer til slutt er «utslitte» og derfor dør. Det har også vært foreslått at den dag vil komme da hele vårt univers vil forgå fordi det til slutt blir så rotete og uordnet at det ikke vil være noe igjen å gjøre med det. Selv ikke den mest pessimistiske fysiker eller filosof har noen gang foreslått at denne slutt vil komme av seg selv før om et par tusen millioner år. Men det er ingen grunn for menneskeheten til å forsøke å skynde på prosessen ved uforsiktig bruk av hydrogenbomber og lignende, som uten tvil ville være en av de hurtigste måtene å uordne ting på og derfor øke deres entropi! KELVINS ABSOLUTTE TEMPERATURSKALA

Nåvel, vi sa at høy temperatur betyr atomær uorden og lav temperatur orden. Men hvor mye orden eller uor­ den? Dette bringer oss øyeblikkelig til det andre hoved­ problem, nemlig: Hvordan måler vi hvor varme og hvor kalde ting er? For meg synes det ganske naturlig at det eksisterer en tilstand av fullstendig orden, men på 21

den annen side, kan jeg ikke se noen åpenbar grunn til at vi ikke skulle klare å gjøre alt mer og mer uordentlig hvis vi forsøkte hardt nok. * Dette betyr at det må være en nedre grense for temperaturen, noe vi kunne kalle «absolutt kaldt», hvor allting har en maksimal grad av atomær orden og ville være «ideelt ordnet». Men det ville prinsipielt ikke være noen grense for den høyeste temperatur (største atomære uorden) som ting kan opp­ nå. Det var nettopp dette faktum som William Thom­ ** son (den senere Lord Kelvin) meget klart innså for om lag hundre år siden da han foreslo sin absolutte temperaturskala som starter på bunnen med «absolutt null» og går oppover, så vidt vi vet, uten grenser. Det viser seg at temperaturens absolutte nullpunkt kommer på -273,15° C. På Kelvins skala kaller vi absolutt null for 0° K slik at frysepunktet for vann («ispunktet»), * Kanskje burde vi huske på husmoren og barna. En (opti­ mistisk) husmor kunne godt tenkes å si: «Endelig er dette rommet fullstendig ryddig,» og noen timer senere ville hun kanskje si: «Det synes ikke å være noen grense for hvor uryddig ungene kan få dette rommet!» ** William Thomson (1824-1907) var født i Belfast i NordIrland, og hans familie var av skotsk herkomst. Hans far, James Thomson, ble professor i matematikk ved Glasgow University, og William Thomson ble, etter å ha studert i Glasgow, Cambridge og Paris, utnevnt til professor i fysikk (Chair of Natural Philoso­ phy) ved Glasgow University bare 22 år gammel. Han bidrog til omtrent alle kjente felter i de fysiske vitenskaper, og han ble da han var bare 34 år slått til ridder som Sir William Thomson for sitt pionerarbeid med å legge den første transatlantiske kabel. William Thomson var professor ved Glasgow University i mer enn femti år, og dronning Victoria adlet ham i 1892. Da han skulle velge tittel ble det foreslått navn som Lord Compass og Lord Cable, men Thomson valgte til slutt navnet Lord Kelvin etter en liten elv som renner forbi universitetet i Glasgow. Han døde i 1907 etter en meget eventyrlig og produktiv karriere, og han ble gravlagt nær Sir Isaac Newtons grav i Westminsterkatedralen i London.

22

1 000 000 000 -10’

Det indre av de varmeste stjerner.

100 000 000 -10"

10000 000 -107

Solens indre

1 000 000 -104

Atomeksplosjoner

G R A D E R KELV1N

100 000 -10s

10 000 -104

Lysende stjernetåke Jern smelter

1 000 -103

■*-] Livssonen *- Ispunktet 100 -102

Luft forvæsker Hydrogen forvæsker

10 -10

Helium forvæsker

*- Det absolutte nullpunkt

Fig.3. Denne uvanlige (logaritmiske) temperatur er brukt fordi enkelte forhold er lettere å innse. For eksempel vil hver hoved­ inndeling være 10 ganger større enn den nedenfor eller 1/10 av den ovenfor. En lignende tegning basert på et vanlig hustermometer måtte ha vært 200 000 km lang for å inneholde de samme opplysningene.

23

som definerer 0° C, kommer på 4- 273,15° K, og 100° C (vannets vanlige kokepunkt) vil komme på 4-373,15° K. Kanskje vil fig. 3 være til hjelp for å illustrere hvordan de to skalaer er forbundet med hver­ andre. På denne absolutte temperaturskala kan vi nå langt let­ tere sammenligne hvor varme eller hvor kalde ting er på en enklere og mer presis måte. Luft blir f. eks. flytende ved ca. 80° K (omtrent — 190° C), hydrogen forvæsker ved ca. 20 ° K og helium ved ca. 4 0 K. Nå er værelsestemperatur vanligvis 20 ° til 250 C dvs. omtrent 300 K (273 4~ 25 _ 298). Derfor kan vi si at flytende luft er fire ganger kaldere enn vår verden, eller kanskje bedre - vår verden er fire ganger varmere enn flytende luft (300/80 = ca. 4), vår verden er omtrent femten ganger varmere enn flytende hydrogen (300/20 — 15) og den er nesten hundre ganger varmere enn flytende helium — eller om vi ønsker, flytende helium er nesten hundre ganger kaldere enn vår verden. Det kan også være interessant å sammenligne noen av milepelene blant de varme ting med meget kalde ting. Temperaturen til wolframtraden i en «hvitglødende» elektrisk lyspære er nærmere 3000° K, eller ti ganger varmere enn vår verden (ca. 300° K), mens tempera­ turen på solens overflate er 6000 ° K eller omtrent tyve ganger varmere enn var verden. * Derfor er den omtrent like mye varmere enn vår verden som vi er var­ mere enn flytende hydrogen (fig. 4). Men dette var over­ flaten av solen - i sentrum av solen hvor, som jeg tid* Tidligere sa jeg at solens overflatetemperatur var omkring 6000 C, og man kan kanskje lure på hvorfor jeg nå sier at den er 6000° K. Men når vi kommer opp i disse høye temperaturene så spiller det ingen rolle hvilken av de to skalaer vi bruker, for selv om solens tilsynelatende temperatur var nøyaktig 6000° C (hva vi forresten ikke vet med sikkerhet), ville den absolutte temperatur være 6273° K som ikke er mye forskjellig fra 6000° K.

24

flytende hydrogen, som koker ved 20 °K

Fig. 4. Hvor varm er solen? Hvor kaldt er flytende hydrogen?

ligere har pekt på, den egentlige produksjon av energi foregår, er temperaturen kanskje rundt førti millioner grader K ), * eller ett hundretusen ganger varmere enn vår jord. Vi må derfor kunne spørre: Finnes det ting som er ett hundretusen ganger kaldere enn vi er, dvs. temperaturer på omtrent 300/100 000° K eller ca. 0,003° K? Faktum er at dette er omtrent den laveste temperaturen som vi forholdsvis enkelt kan na i et pas­ sende utstyrt lavtemperaturlaboratorium i våre dager. Nylig så jeg et fjernsynsprogram om fysikk hvor det ble nevnt at når det gjaldt tings størrelse så var «men* Se også fotnoten på side 11.

25

nesket i sentrum». Atomer og molekyler er så mye mindre enn vi, og stjerner og galakser så mye større. Vi kan også si at mennesket er «i sentrum» i sin kunnskap om og bruk av temperaturer. Vi har kjemeeksplosjoner på den ene og varme side, og vi har de meget lave tem­ peraturer frembrakt for forskningen på den annen side. Faktum er, at selv om det er vanskelig å nå lavere enn 0,0050 K, så har det vært gjort i Oxford i Englaiid. Jeg skal nevne mer om dette senere når vi skal se på hvor­ dan man oppnår lave temperaturer, men la oss merke oss på dette punkt at Simon, Kiirti og andre i Oxford ved å bruke atomkjernenes magnetiske egenskaper til å frembringe orden, utførte eksperimenter hvor de nådde temperaturer bare noen milliontedeler av en grad over det absolutte nullpunkt (noen få ganger 0,000001 0 K). Den vitale delen av apparaturen beholdt ikke denne fantastisk lave temperaturen lenge (om lag 10 til 20 sekunder), men ikke desto mindre har de klart det. Slike temperaturer betyr at de klarte å produsere noe som var tredve millioner ganger kaldere enn vår jord! På den annen side, noe som er så mye varmere enn jorden ville bety temperaturer på omtrent 10 000 000 000° K, og så vidt jeg vet har ingen antydet at temperaturer av en slik størrelsesorden i det hele tatt har vært observert noe sted! Så på en måte leder for tiden lavtemperaturfysikerne dette «kappløpet». Deres «kuldemaskiner» har pløyet dypere inn i naturen enn «varmemaskiner» har kunnet. Men husk, alt dette er meget grovt og relativt, og vi kan selvfølgelig ikke ta slike sammenligninger for alvorlig. Jeg har nevnt temperaturer som 0,003 °K og 0,000001 K, og vi kan spørre om vi kan gå enda lavere enn dette, og hvis vi kan det, hva er hensikten? Med andre ord, er det noen grunn til a bekymre seg om den siste tusendelen eller milliontedelen av en grad over det absolutte nullpunkt? Slike spørsmål leder oss til en

26

annen av termodynamikkens lover (den tredje hoved­ setning) som ikke har vært omfattet med like stor inter­ esse av filosofer (og heller ikke husmødre) som den annen hovedsetning. Men det er en meget viktig lov når man forsøker å forstå lavtemperaturfysikk. Grovt sagt, kan vi utlede at: I) Selv om det absolutte nullpunkt er et fullstendig bestemt begrep (og husk at vi kan fiksere tempera­ turen til -273,15° C), kan vi aldri oppnå akkurat denne tilstand i noe system. II) Selv om vi aldri kan nå helt ned til 0° K, så kan vi gå så langt nedover som vi tar oss møye med å gjøre. Og hvor langt ønsker vi å gå? I noen grad biter dette spørsmål seg selv i halen. For husk at å oppnå lavere og lavere temperaturer betyr bare at vi er interessert i finere og finere detaljer av stoffenes energi og at vi antar at enda finere detaljer kan fin­ nes. Vi sier derfor at er det finere detaljer til stede, så er det selvfølgelig verdt å søke etter dem selv om de ligger ved 1/10, 1/1000, 1/100 000 eller 1/100 000 000 grader over det absolutte nullpunkt. Hvis slike detaljer finnes, vil dette faktum i seg selv sette oss i stand til å nå disse lave temperaturene. Slik at hvis den dagen noen gang kommer da det ikke er flere detaljer å finne i et fysisk system, vil vi ikke være i stand til å gå lenger på veien ned mot det absolutte nullpunkt, men da spiller det heller ingen rolle! Noen stilte engang Sir Francis Simon * omtrent føl­ gende spørsmål: «Tror De at veien mot det absolutte nullpunkt til slutt vil bli som en uinteressant ørken?» Sir Francis svarte omtrent slik: «Vel, hvis den blir som en øde ørken, vil det ikke være noen måte å krysse den på, så spørsmålet besvarer seg selv.» * Se note side 28.

27

♦Sir Francis Simon (Franz Eugen Simon, 1893-1956) var oprinnelig en elev av Walther Nernst, en berømt tysk fysikalskkjemiker. Nernst la grunnlaget for termodynamikkens tredje hovedsetning som vi har nevnt tidligere, og Simon utdypet dette begrep meget klart og grundig først gjennom sitt arbeid i Berlin og senere (etter Hitler tok makten i Tyskland) ved Oxford University. Han døde i 1956 etter å ha etablert et blomstrende laboratorium for lavtemperaturforskning ved Claredon labora­ toriet i Oxford. Han pleide å si, kanskje noe ironisk, at han an­ tagelig var det eneste menneske som både hadde Jernkorset fra keiserriket Tyskland og et ridderskap i Det britiske imperium!

2 Hvordan oppnår vi de lave temperaturene ?

Vi sa at i atomær skala betyr lav temperatur orden og høy temperatur uorden. I et gitt volum av et hvilket som helst stoff vil atomene være mer ordnet ved en lav enn ved en høy temperatur. Slik at hvis vi ønsker å bruke noe som kjølemiddel, må vi finne en måte å bringe orden inn i den atomære oppbygning. Den enkleste måten å gjøre dette på er selvfølgelig å starte med noe som til å begynne med er meget uordnet. En gass er et godt valg fordi her vil atomene fly omkring på en meget tilfeldig og uordnet måte. Hvis man tar litt gass i en isolert sylinder (se fig. 5) og komprimerer denne ved å skyve på stemplet, kunne man tro at man har økt den atomære orden fordi atomene er nærmere hverandre. Men slik er det ikke. Når man skyver inn stemplet i den isolerte sylinderen, vil man ikke bare skyve atomene nærmere hverandre, men også gi dem mer energi. Denne energien kommer fra det arbeidet som må utføres for å skyve stemplet mot gasstrykket. Selv om atomene i gassen er nærmere hverandre, vil de samtidig strømme omkring mer vold­ somt enn før - for å si det kort, vi har hevet gassens temperatur ved å komprimere den. Det kan vises at hittil er vi like ille ute som da vi begynte; fordi den økte orden vi oppnådde ved å bringe atomene nærmere hverandre, er blitt opphevet av den økte uorden fordi at de nå flyr omkring langt voldsommere. Som man vil skjønne, har

29

A. Start syklus.

B. Arbeid utført på gassen

C. Varme fjernet av vannet

D. Arbeid utført av gassen

Fig. 5. Denne forenklede syklus viser hvordan gasser kan kjøles. Det er antatt perfekt isolasjon, og temperaturene er teoretiske og idealiserte.

vi ikke på noen måte fått redusert gassens temperatur, men tvert om hevet den! Hvis vi starter med luft ved værelsestemperatur (la oss si 20° C) i sylinderen og så skyver stemplet halvveis inn, vil vi heve gassens tempe­ ratur til om lag 115° C. La oss anta at vi istedenfor å holde sylinderen isolert mens stemplet skyves inn, lar kaldt vann strømme rundt sylinderens yttersider og derved kjøler gassen ned til værelsestemperatur igjen. Når dette er gjort, vil gassen selvfølgelig være mer ord­ net enn den var før fordi atomene nå beveger seg med samme hastighet som da vi begynte (vi har brakt tem­ peraturen tilbake til den vi hadde da vi startet ved å bruke en kaldt-vanns kjølekappe). Men på den annen 30

side er atomene langt nærmere hverandre enn da vi begynte. Alt i alt har vi derfor økt den atomære orden til gassatomene, eller for å si det teknisk, vi har redusert entropien. Hvis vi nå er lure nok, må vi kunne bruke denne økte orden (eller reduserte entropi) til å oppnå en lavere temperatur i gassen. Derfor isolerer vi sylinderen atter en gang og lar stemplet komme tilbake til det stedet vi startet dvs. vi lar gassen ekspandere. Fordi vi har holdt sylinderen isolert under denne operasjonen, kan vi påstå at under denne delen av prosessen vil det ikke bli noen netto endring av den totale orden (eller uorden!) til gassatomene. Nå vil de riktignok oppta et større volum slik at de er mer uordnet på den måten, men for å bøte på denne økte uorden må hvert enkelt atom ha mistet noe av «futten» * og derfor bevege seg omkring langt tregere. Faktum er at de mistet «futten» ved å skyve stemplet utover. Alt dette betyr imidlertid at gassen nå vil være mye kaldere enn da vi startet. Hvis vi ser på vårt eksempel med en sylinder fylt med luft, viser det seg at ideelt kjøles luften til ca. - 50° C. Omformer vi derfor hele denne operasjonen til en regelmessig syklus ved hjelp av en eller annen maskin, vil prosessen ved at den stadig gjentas, representere en av de beste metoder til å oppnå lave temperaturer. Hvis vi hadde startet med ammoniakkgass i vår kjøleprosess, er det meget mulig at vi hadde kunnet forvæske gassen direkte ved å bruke en slik kontinuerlig syklus. Ammoniakkgass blir en væske ved ca. - 30° C, og det skulle være forholdsvis enkelt å oppnå den temperaturen i en virkelig maskin selv med de uunngåelige varmelekkasjer osv. Men hvis vi isteden ønsker å forvæske luft som krever at vi kommer ned til temperaturer rundt * De som føler seg krenket av dette beskrivende slanguttrykk, kan erstatte det med det tekniske uttrykket «kinetisk energi».

31

- 190° C, er det ikke vanskelig å skjønne at vi kanskje trenger en maskin som arbeider trinnvis. Vi kunne f. eks. begynne med å kjøle, eller forvæske, en gass og dernest bruke dette trinnet til å kjøle gass nummer to og fortsette slik hvis det er nødvendig. Hvor langt kan vi komme med denne prosessen? Teoretisk skulle vi, i det minste, fortsette helt til vi hadde fått alle stoffer flytende, eller for den saks skyld, faste. For å forstå når dette hender, må vi tenke litt nøyere på hvorfor ett stoff blir flytende ved én temperatur og andre ved ganske andre temperaturer. ATOMÆR ORDEN OG UORDEN

Alle atomer tiltrekker hverandre i noen grad, men noen atomer tiltrekkes sterkere enn andre. Kanskje er det enklest i første omgang å tenke på et stoff som bordsalt. Vanlig salt er bygget opp av natrium- og kloratomer i like stort antall. Et enkelt natriumatom har alene ikke noen netto elektrisk ladning. Det har en kjerne spekket med elleve positive ladninger, og det har elleve negativt ladete elektroner som svever rundt kjernen på samme måte som planetene rundt solen. Hele atomet er tilsammen ikke større enn en timilliontedels centimeter tvers * over. I natrium vil de første ti elektronene som sirkler * Denne «planet«-modellen av atomene med den positive kjernen som «solen» og et tilsvarende antall negative elektroner som svever rundt den likesom planetene, stammer fra Lord Ernest Rutherford (1871-1937) og Niels (Hendrik David) Bohr (1885-1962). Rutherford ble født i New Zealand og etter å ha arbeidet ved McGill University i Montreal og ved Manchester University, fikk han i 1919 Cavendish-professoratet i fysikk ved Cambridge. Rutherfords største oppdagelse var idéen om at atom­ ets sentrum var som en liten, «hard» kjerne. Bohr, som var dansk, arbeidet en tid i Manchester sammen med Rutherford. Bohrs største bedrift var å forstå hvordan elektronene som sirkler rundt kjernen bare kan være i visse stabile baner som bestemmer atom­ ets fysiske tilstand. Både Bohr og Rutherford mottok Nobel­ prisen for sine arbeider.

32 f

rundt kjernen danne en fortrolig og reservert familie slik at den ellevte, på en måte, blir «utstøtt» eller et «svart får». La oss huske på dette. Et kloratom har, på den annen side, sytten positive ladninger i kjernen og sytten (negative) elektroner som svever rundt utenfor, slik at hele atomet blir nøytralt. Nå viser det seg at i klor mangler det akkurat ett elektron på å få dannet en fastknyttet «familie» av elektroner rundt kjernen. Slik at når disse to typene av atomer (natrium og klor) kom­ mer sammen, vil det være en sterk tendens til at det «ensomme» elektron rundt natriumatomet blir overført til kloratomet. Derved fullendes elektronfamilien. Dette betyr at natriumatomet vil få en netto positiv ladning på én enhet, siden det har mistet ett elektron, og klor­ atomet får et overskudd av negativ ladning på én enhet. Under slike forhold kalles de ikke lenger atomer, men * «ioner». Hvis slike par av natrium- og klorioner er nær nok hverandre, vil det nå bli en sterk elektrisk tiltrekning mellom dem på grunn av ladningene de har - den ene er positiv og den andre negativ. Dette er da også den viktigste av de krefter som binder natrium- og klorionene sammen når de i like antall danner vanlig bordsalt. Det kjemiske navn på vanlig salt er natriumklorid. De elektriske kreftene som binder de ladete natrium- og kloratomene (kjemikerne kaller det «ionebinding») er så sterke at man trenger en temperatur på, i det minste, 8000 C for å gi atomene nok energi til at de flyr fra hverandre, dvs. slik at saltet fordamper og danner en gass. * Ordet ion kommer opprinnelig fra et gresk ord som betyr «å gå». Hvis man oppløser vanlig salt i vann, vil atomene splittes opp i positivt ladete natriumatomet og negativt ladete kloratomer. Disse ladete atomene kan «vandre» gjennom van­ net og bære en elektrisk strøm (nettopp fordi de er ladet). Herfra kommer navnet «ion» eller «vandrer» for et atom med en netto elektrisk ladning. 2. Mac Donald

33

Men i andre stoffer er ikke alltid tiltrekningskreftene så sterke. I vann, som finnes overalt, er hvert molekyl bygget opp av to hydrogenatomer og ett oksygenatom, og i alle disse vannmolekylene er hydrogen- og oksygenatomene bundet sammen meget sterkt, nesten på samme måte som natrium- og klorionene i bordsalt. Når vi bringer vannmolekyler nær hverandre, vil også mole­ kylene tiltrekke hverandre endel, men ikke på langt nær så sterkt som den atomære tiltrekning. Som vi vet, er det ikke nødvendig å varme opp vann lenger enn til ca. 100° C før hvert vannmolekyl får nok energi til å fly fra sine naboer og danne vanndamp. Hvis vi til slutt ser på de letteste og enkleste elemen­ tene som et heliumatom eller et hydrogenmolekyl, vil vi finne at kreftene mellom atomene eller molekylene er uhyre svake. Dette betyr at selv ved meget lave tempe­ raturer vil atomene eller molekylene til disse lette ele­ mentene kunne fly omkring i alle retninger som en gass. Selv om disse lette gassene er meget kalde, vil det frem­ deles være stor uorden blant atomene, og vi kan derfor bruke disse gassene til å oppnå ekstremt lave tempera­ turer. Det viser seg at den svakeste av alle vekselvirkningskrefter er den vi finner mellom heliumatomer, og kraften er så svak at selv med en temperatur på noe over 4° K (ca. -269° C), vil ikke atomene «holde» sam­ men. Helium er fremdeles en gass *, men ved ca. 4° K forvæskes til slutt også helium. ** Ved denne meget lave * Vi vil diskutere dette spørsmålet om de interatomære kref­ tene nøyere i kapittel 4 når vi mer spesielt skal se hvordan flytende helium oppfører seg. ** Den temperaturen hvor en gass går over til en væske av­ henger også av gassens trykk. Generelt mener vi, når vi snakker om en væskes «koking» eller gassens forvæsking, at det skal skje ved et trykk på én atmosfære (ca. 1 kg pr. cm2) hvis ikke noe annet er sagt. Ved én atmosfære koker helium ved 4,2° K, men hever vi trykket til to atmosfærer, vil den koke ved 5,04° K.

34

temperatur har alle andre stoffer forlengst gått over i fast form. Temperaturen er så lav at den termiske be­ vegelsen til heliumatomene er meget liten, men den svake kraften mellom atomene er akkurat sterk nok til å binde dem sammen. Men selv om kraften mellom heliumatomene akkurat er sterk nok til å binde dem sammen til en væske under 4 ° K, så er den ikke sterk nok til at de lette helium­ atomene kan danne et fast stoff. Faktum er at rundt 4 ° K må vi hjelpe heliumatomene med et ganske høyt ytre trykk (omkring 100 atomsfærer) før heliumatomene danner et fast stoff og atomene ordner seg i et regelmes­ sig mønster. Helium er det eneste stoffet hvor dette hender. I alle andre stoffer vil de atomære kreftene, hvis de er tilstrekkelig kalde, være så sterke at de alene klarer å ordne atomene i mer eller mindre regelmessige møns­ tre. Atomene passer inn i hverandre som cellene i en bikube. Men helium er et påfallende unntak: de interatomære kreftene klarer så vidt å binde atomene sam­ men til en væske, men er ikke sterke nok til på egen hånd å danne et fast stoff. Vi skal komme nærmere inn på dette i kapittel 4. Når vi har fått helium til å koke ved ca. 4 ° K, kan vi nå enda lavere temperaturer eller er dette grensen? Hvis vi forbinder en vakuumpumpe til flytende helium for å suge bort dampen meget hurtig, vil vi finne at væsken blir kaldere. Denne oppførselen er meget vanlig for alle væsker, og det er ikke vanskelig å se hvorfor. De atomene som spretter ut av væsken og danner den om­ givende damp er nettopp de som har litt mer energi eller «futt» enn gjennomsnittet. Hvis vi fortsetter å fjerne disse mer energiske atomene med vakuumpumpen, vil de ato­ mene som blir tilbake, naturlig nok, etter hvert være de mer trege medlemmene av selskapet. Det vil si at de med minst energi blir tilbake og den gjenværende væs­ ken må derfor bli kaldere. Med en meget stor og kraftig 35

vakuumpumpe er det mulig å redusere temperaturen i flytende helium til ca. 0,8 ° K. Vi må godta 0,8 ° K som den ytterste grense vi kan nå på denne måten, fordi den gjenværende væsken er så kald at, grovt sagt, ingen av atomene har nok energi til å «hoppe ut» av væsken og danne en damp. Med andre ord, det er ingen damp til­ bake som kan suges ut. Mens dampen ved 4,2° K øver et trykk på én atmosfære, vil den nede ved 1 0 K bare øve et trykk på omkring en titusendedel av en atmo­ sfære. (Eller mer eksakt: et trykk på ca. 0,12 mm kvikk­ sølv.)

MAGNETISK KJØLING

Inntil nylig var denne temperaturen grensen for det man kunne oppnå uten å ta i bruk en helt forskjellig metode som benytter stoffenes magnetiske egenskaper. Men i de senere år har man kunnet bruke en annen «slags» helium til å oppnå enda lavere temperaturer. Det van­ lige slaget av helium som finnes i gassen fra oljekilder eller i små mengder i atmosfæren, veier omtrent fire ganger mer enn et hydrogenatom og er kjent som «helium-fire» (betegnelse 4He). Men det finnes en langt sjeldnere heliumtype med bare tre fjerdedeler av vekten og som er kjent som «helium-tre» (3He). * Disse to typer heliumatomer kalles «isotoper». Isotopen av et kjemisk element er atomer som oppfører seg likt kje­ misk, men har forskjellig masse. Fordi hvert 3He-atom er betraktelig lettere enn et 4He-atom, vil de interatomære kreftene ha en enda vanskeligere jobb med å holde atomene samlet. Faktisk må vi gå ned til nesten 3° K før denne «lette» typen helium forvæskes (dvs. under én atmosfæres trykk). Følgelig vil vi, hvis vi lager * Vi skal også diskutere oppførselen til flytende 3He i kapit­ tel 4 når vi betrakter egenskapene til flytende helium mer i detalj.

36

flytende helium fra «lett» helium (som fremdeles er forholdsvis sjelden og finnes i relativt få laboratorier), være i stand til å bruke gassen ned til en mye lavere temperatur enn ved flytende 4He. Ved å pumpe på 3He med en vakuumpumpe, kan vi komme ned til ca. 0,4 ° K uten for store vanskeligheter. Men så langt vi vet i dag, er 0,4 ° K virkelig den grense vi kan nå ved å bruke et slikt system. Det synes som om naturen ikke kan lage lettere heliumatomer enn 3He, og vi må derfor, som jeg antydet, se oss om etter en helt forskjellig metode hvis vi ønsker å nå enda lavere temperaturer. Dette spørsmålet ble studert av Debye og Giauque * allerede i 1926, og problemet er ganske enkelt å se om vi kan finne en eller annen stoffegenskap som forblir uordnet på det atomære plan selv ved disse ekstremt lave temperaturene. Vi ønsker med andre ord å finne en entropikilde (atomær uorden) som vi kan bruke til å krype enda lenger ned på temperatur­ ** skalaen. Debye og Giauque vendte seg til stoffenes magnetiske egenskaper og mer spesielt til hva som er kjent som de * Peter (Joseph Wilhelm) Debye (1884) ble født i Nederland. Etter å ha arbeidet ved forskjellige universiteter i Europa kom han i 1940 til De forente stater. Han har bidratt til mange områder innen den fysikalske kjemi og i særdeleshet til vår forståelse av de faste stoffene. Hans teori for de termiske svingninger i faste stoffer (1911) er blant hans best kjente arbei­ der. Han mottok Nobelprisen i kjemi i 1936. William Francis Giauque (1895) ble født i Canada, i Nigara Falls, Ontario. Han har vært professor ved University of California i Berkley i mer enn tyve år. Uavhengig av hverandre og nesten samtidig foreslo Giauque og Derbye at de paramagnetiske saltene kunne brukes til å oppnå meget lave temperaturer. Giauque har også mottatt Nobelprisen for sitt arbeid. ** Sir Francis Simon brukte ofte uttrykk som «suge ut entropien» når han snakket om å oppnå lave temperaturer. Dette er meget passende, og ikke bare må vi suge ut entropien, men vi må også finne noe entropi å suge!

37

paramagnetiske saltene (stoffer som jern-ammoniumsulfat, krom-kalium-sulfat og cerium-magnesium-nitrat). La oss se på det første av disse saltene. I jern-ammonium-sulfat vil hvert jernatom oppføre seg som en liten magnet, og alle disse atomære magnetene ligger vel at­ skilt fra alle de andre magnetene på grunn av de andre atomene som inngår i stoffet. * Siden jernatomene er langt fra hverandre, vil de magnetiske kreftene mellom dem være meget små. Dette betyr at hver liten magnet som «tilhører» et jernatom har frihet til å peke i en hvilken som helst retning. Denne frihet medfører øye­ blikkelig en høy grad av atomær uorden eller entropi. Da vi diskuterte bruken av gasser for å oppnå lave tem­ peraturer, nevnte jeg at vi kunne bruke et stempel til å forandre gassens volum og til slutt dens entropi. Stemp­ let kan som vi husker, øve en kraft på gassmolekylene og derfor endre deres energi. Nå, hva må vi bruke hvis vi forsøker å endre energien til de atomære magnetene? Svaret er et magnetisk felt, og for å oppnå meget lave temperaturer må vi gjennomføre en syklus av opera­ sjoner på stoffenes magnetiske egenskaper. Istedenfor å skyve et stempel inn og ut i en sylinder for å kompri­ mere og ekspandere en gass, benytter vi en sterk magnet som virker på de magnetiske atomene. Jeg har i fig. 6 forsøkt å illustrere den syklus av operasjoner som setter oss i stand til å nå temperaturer langt under 1 ° K. Plansje I viser også et meget typisk apparat som blir brukt på denne måten. Vi så at den grensen vi kunne nå ved å bruke gass til å oppnå lave temperaturer, i alt vesentlig var gitt ved den temperatur som gassen forvæskes med, dvs. den temperatur hvor atomenes tilfeldige termiske energi blir så liten at kreftene mellom atomene kan holde dem sam* Den kjemiske formelen for jern-ammonium-sulfat er FeNH4 (804)2-I2H2O, så man kan se at det er en stor mengde andre atomer i stoffet foruten de viktige jernatomene.

38

Fig. 6. Gasser kan kjøles videre ved å bruke et paramagnetisk salt. Dette er en idealisert syklus.

men. For et paramagnetisk salt vil en tilsvarende situa­ sjon oppstå ved meget lave temperaturer når selv de meget svake magnetiske kreftene mellom de individuelle

39

jernatomene blir tilstrekkelig til å rette dem inn etter hverandre. Ved den temperaturen kan vi si at stoffet har «festnet seg magnetisk» *, eller blitt magnetisk ord­ net og ikke som ved høyere temperaturer, hvor stoffet oppfører seg som en «magnetisk gass», dvs. hver enkel atomær magnet peker i en tilfeldig retning uavhengig av sine naboer. Hele poenget med å bruke disse paramagnetiske saltene med magnetiske atomer plassert langt fra hverandre er at de magnetiske kreftene som opptrer mellom disse atomene er så små at den temperaturen hvor de atomære magnetene ville prøve å rette seg inn spontant, er meget, meget lav (f. eks. for jern-ammonium-sulfat ca. 0,04 0 K og for cerium-magnesium-nitrat ca. 0,005 ° K). Vi kan derfor komme meget langt ned i temperatur ved å «presse ut» den magnetiske uorden før kjølemetoden begrenses av den spontane magnetiske vekselvirkning.

KONSERVERING AV LAVE TEMPERATURER

Jeg tror det nå er på høy tid at vi ser på hvordan vi kan holde ting kalde og ikke bare hvordan vi kan gjøre dem kalde. I lavtemperaturfysikkens tidligste dager hadde man forskjellige metoder til å forvæske små kvanta luft, men den flytende luften fordampet igjen meget raskt. Slik at det man hadde var et øyeblikksbilde av noe som var meget kaldt. En fysiker bemerket f. eks., at han ikke ville bli lykkelig før han hadde en liter flytende luft som kokte rolig i et glass slik at han kunne undersøke den * Teknisk er den temperaturen hvor stoff enten blir ferromagnetisk eller hva vi kaller antiferromagnetisk, kjent som Curie-temperaturen eller Néel-temperaturen. I et ferromagnetisk stoff er de individuelle atomære magnetene rettet inn parallelle med hverandre som i et stykke jern ved vanlige temperaturer. Dette kan gjøre stoffet til en kraftig magnet. I et antiferromag­ netisk legeme vil de atomære magnetene forsøke å rette seg inn vekselvis i motsatt retning.

40

og eksperimentere med den som han ville. Men her er det et problem: Selv om man kunne få en liter flytende luft ved å kjøre en forvæsker en tid, så er det forholdsvis vanskelig å få den til å koke rolig i et vanlig glass. Det kommer hele tiden så mye varme fra ytterveggene at den flytende luften trolig ville koke meget voldsomt. Husk at vår verden er ca. tre eller fire ganger varmere enn flytende luft, så fra det synspunkt er det omtrent som å be vann om å koke rolig når omgivelsenes tem­ peratur er ca. 1200° K, eller ca. 900° C! Hvis vi heller litt flytende luft rett på gulvet (plansje II), så fordamper det øyeblikkelig på nesten samme måte som en vanndråpe fordamper på en rødglødende metallplate. Hovedproblemet er å skaffe skikkelig varmeisolasjon. Dette er en vesentlig faktor i alt lavtemperaturarbeid, og det blir vanskeligere og vanskeligere ettersom vi går til lavere og lave^i temperaturer. Den viktigste oppfinnelse var absolutt Dewar -flasken * (også kalt termosflaske). Det er en innretning hvor vi har to glassflasker, en indre og en ytre med godt vakuum imellom slik at det ikke er noe luft tilbake som kan transportere varme fra den ytre til den indre flasken. I tillegg er de glassveggene som vender mot hverandre forsølvet (se fig. 7 og plansje III). Forsølvingen hindrer stråling fra å transportere varme fra yttersiden til innersiden av karet. Med slike kar er det, som vi vet, ikke bare mulig å holde kaffe og te varme, men også å holde væsker meget kalde. De to prinsippene som er benyttet i Dewar-flasken, for det første det høye vakuum som isolerer beholderen termisk fra dens omgivelser, og dernest bruken av blanke metall* Sir James Dewar (1842-1923) var professor i kjemi ved The Royal Institution of London og ble senere direktør ved The Davy-Faraday Research Laboratory. Han klarte i 1898 å forvæske hydrogen for første gang. Hydrogen koker under én atmosfæres trykk ved ca. 20,4° K, og året etter nådde Dewar hydrogenets frysepunkt (ca. 14° K).

41

Kald eller varm væske termisk iso­ lert fra omgivelsene.

Vakuum

Indre overflater er forsølvet.

Forseglingspunkt

Fig. 7. Et snitt av den kjente Dewar-flasken, maken til dem man har til turbruk (populært kalt termosflaske).

flater som reflekterer all uønsket stråling, er fundamen­ tale i all konstruksjon av lavtemperaturutstyr. Hvis vi nå først hadde laget flytende luft, dernest pro­ dusert litt flytende helium og til slutt brukt et paramag­ netisk salt sammen med en sterk magnet for å komme ned til kanskje 0,01 ° K, har vi da nådd den ytterste grense for de lave temperaturer? Egentlig ikke, nylig kom Kiirti og Simon i Oxford nok et steg nedover. Istedenfor å bruke de magnetiske egenskapene til hele atomet, oppnådde de å ta i bruk kjernenes magnetiske egenskaper, og de skaffet seg herved en entropikilde som satte dem i stand til å nå uhyre lave temperaturer. De startet arbeidet ved ca. 0,01 0 K (ved å bruke de forskjellige andre metodene som vi har nevnt), og der­ etter anvendte de et meget sterkt magnetisk felt (ca. 42

hundretusen ganger jordens magnetiske felt) til å «presse ut» endel entropi fra kjernenes magnetiske system. Ved disse eksperimentene har Dr. Kiirti oppnådd å gå ned til temperaturer rundt 10—50 til 10— 60 K (dvs. nærmere én milliontedels grad over det absolutte nullpunkt!). Bortsett fra den enorme vanskelighet det er å nå slike fantastisk lave temperaturer (og la meg minne om, til sammenligning, at vår verden er omkring ett hundremillioner ganger varmere), møter man voksende proble­ mer med å holde noe kaldt gjennom lengre tid. Vanske­ ligheten er følgende: Hvis en viss mengde varme klarer å komme inn i en beholder ved lave temperaturer, vil den «skaden» varmen gjør, i form av å skape atomær uorden og derved heve temperaturen, være omvendt proporsjonal med temperaturen. Eller meget grovt sagt: hvis vi hadde en apparatur ved 1 0 K og klarte å holde uønskede varmestrømmer nede på et nivå der apparatu­ ren kanskje ville varmes opp noen få grader på et døgns tid, så ville den samme varmestrømmen forårsake at en lignende apparatur ved 0,1 0 K ville varmes opp til 10 K på et kvarters tid. Og hvis vår apparatur starter på 0,000010 K, ville den kanskje varmes opp på ett sekund! Så det blir ikke bare vanskeligere og vanske­ ligere å nå lavere og lavere temperaturer, men det blir også gradvis vanskeligere å beholde ting dernede når man først har nådd en lav temperatur. Jeg nevnte i be­ gynnelsen av denne bok at lavtemperaturfysikk på mange måter var som fjellklatring, og atter en gang synes situasjonen meg å være analog. Jeg tror jeg har rett når jeg sier at da Mount Everest til slutt ble besteget, ble det tyngre og tyngre å klatre jo nærmere man var toppen, og faktum var at klatrerne ble på toppen bare noen få minutter før de bega seg nedover igjen. Hvis vi nok en gang spør om vi virkelig har nådd lavtemperaturgrensen nå ved å ta i bruk atomkjernenes magnetiske egenskaper, så må jeg minne om hva vi sa i 43

slutten av kapittel 1. Hvis noe bemerkelsesverdig hender ved disse ekstremt lave temperaturene, kan vi antagelig bruke den effekten til å nå enda lavere temperaturer for å finne ut om noe hender der. Og hvis noe hender ved de temperaturene, kan vi gå enda lenger ned til enda lavere temperaturer.------ Sikkert nok, punktum er enda ikke satt, og jeg skal være den siste til å spå at det må stoppe et sted!

3 Ledningsevne og superledning

Et av de mest oppsiktsvekkende fenomener som kan observeres ved meget lave temperaturer er superled­ ning. Men før vi behandler superledning, la meg minne om et par ting i forbindelse med vanlig lednings­ evne, eller om vi vil, den dagligdagse elektriske lednings­ evne hos de fleste metaller. Vi så tidligere at hvis vi har et stykke metall og utsetter det for en elektrisk spenning, vil spenningen søke å drive elektronene, som utgjør den elektriske strømmen, gjennom metallet. Hvis ingenting stoppet disse elektronene ville de gå fortere og fortere, og den elektriske strømmen ville fortsette å vokse uten grense så lenge spenningen lå over metallet. Hvis vi på et eller annet tidspunkt fjernet spenningen, skulle vi vente at strømmen fortsatte å løpe med samme styrke siden ingenting stopper elektronene. Imidlertid ville vi vente at elektronene skulle strømme uhindret bare hvis atomene i metallet var ordnet i et fullstendig perfekt mønster uten feil av noe slag som kunne ødelegge den atomære ordningen. Men ingen metaller er i virkeligheten perfekte, og vanligvis kan vi si at feilene faller i to grupper. Det vil alltid være noen «fremmed»- eller «forurensningsatomer» til stede, og vi kaller dette kjemiske feil, men det vil også være noen fysiske feil i metallets struktur. Me­ tallet vil alltid være deformert på en eller annen måte slik at atomene ikke lenger danner et regelmessig og 45

perfekt mønster. Derfor vil de strømmende elektronene fra tid til annen bli spredt fra disse feilene. Elektronene vil altså stadig bli tvunget ut av sine vanlige veier på grunn av feil av et eller annet slag. Denne spredningen fører til at vi må anvende en kon­ stant kraft på elektronene (det er nettopp dette den elektriske spenningen sørger for) for å holde dem i be­ vegelse gjennom metallet og således opprettholde en konstant elektrisk strøm. I tillegg til de kjemiske og fysiske feilene som forårsaker elektrisk motstand i me­ tallene, må vi ta hensyn til varmen. Varmen fikk, som vi husker, atomene til å svinge, og svingningene økte med stigende temperatur. Atomenes varmesvingninger gjør det enda vanskeligere for elektronene å bane seg vei, og derfor vil også dette føre til elektrisk motstand. Når vi kjøler et stykke metall, vil de termiske svingnin­ gene bli mindre og mindre, og når vi kommer ned til meget lave temperaturer, som f. eks. til flytende helium, vil de termiske svingningene være meget små. Den eneste elektriske motstanden som da vanligvis vil være tilbake, er den som skyldes forurensningsatomer eller fysiske deformasjoner av et eller annet slag i metallet. MOTSTAND VED LAVE TEMPERATURER

Man skulle derfor vente at hvis man kjøler ned et be­ stemt metall, så skulle dets elektriske motstand avta til en lav verdi og at denne verdi skulle være lavere jo renere metallet er. Hvis vi starter med et stykke av en passelig ren kobbertråd som har vært varmebehandlet (utglødd) for å fjerne det meste av de fysiske deforma­ sjonene, og som f. eks. har en elektrisk motstand på 300 ohm ved værelsestemperatur, vil den når vi har kjølt den ned til flytende helium temperatur, ha en mot­ stand på kanskje bare 1 ohm. Men når vi først har nådd denne grensen som skyldes feilene, skulle vi ikke vente noen forandring om vi senket temperaturen ytterligere 46

Fig. 8. Kurvene viser hvordan den elektriske motstanden i et metall varierer med temperaturen. (A) Et metall med en for­ holdsvis stor mengde av kjemiske forurensninger og fysiske feil. (B) Et meget rent og godt utglødd stykke metall.

(se fig. 8A). En slik oppførsel finner vi faktisk hos mange metaller. Den elektriske motstanden som er igjen ved de laveste temperaturene, kalles ofte for rest-motstanden og kan være en meget nyttig ting å studere. På den ene siden gir rest-motstanden oss et brukbart, om enn noe intetsigende mål på hvor perfekt metallet er. Hvis metallet er meget rent og spenningsfritt (fig. 8B), vil rest-motstanden være meget lav (kanskje ikke mer enn 0,0001 av motstanden ved værelsestemperatur). I en mye mindre ren metallprøve derimot vil kanskje 47

motstanden bare falle til en fjerdedel av værelsestemperaturmotstanden når den holdes i flytende helium. Til vårt arbeid mottok vi ganske nylig et sett legeringer fra et firma som er spesialister på dette området. Siden de andre målingene vi gjorde antydet at noe var merkelig i et par av disse legeringene, målte vi deres rest-motstand i flytende helium. I en av legeringene var rest-motstanden om lag ti ganger høyere enn ventet, og vi drog der­ for den slutning at en eller annen forurensning eller feil måtte være til stede i legeringen. Leverandøren kontrol­ lerte renheten ved en spektrografisk analyse, og fant ganske riktig at en uønsket forurensning hadde sneket seg inn. Foruten denne mer praktiske anvendelse er målinger av den elektriske motstand av stor verdi for å forstå i hvor stor grad elektronene spres fra forskjellige feil i metallet, og å sammenligne dette med hva teorien for­ teller osv. I våre dager er det meget viktig å forsøke å skjønne mer om grunnen til metallers styrke (eller kan­ skje svakhet). Det er nå kjent at det regelmessige atomære mønster kan noen steder bli forstyrret av det som kalles dislokasjoner. Det er ikke ulikt den situasjonen vi har når en mengde små bobler danner et regelmessig mønster på overflaten i en kopp te, og mønstret bry­ tes i stykker fordi noen av boblene brister eller noen er større enn andre (se plansje IV og V). Dislokasjonene i det atomære mønster spiller en viktig rolle ved å innvirke meget sterkt på metallets styrke, og det er derfor ønskelig å vite mest mulig om dem. Siden dislokasjonene forstyrrer atomenes regelmessige mønster, vil de spre ledningselektronene og forårsake en elektrisk motstand. Ved å måle den elektriske motstand, kan vi derfor i de forskjellige situasjoner undersøke om den atomære uorden influerer på elektronene slik vi trodde, og på denne måten undersøke om våre teoretiske idéer er brukbare eller ikke. Hvis vi derimot har et omhygge-

48

Plansje I-A. Utstyr for eksperimenter ved ekstremt lave tempera­ turer (ca. 0,01 0 K). /Apparaturen trilles inn mellom polene på en kraftig magnet.

Plansje I-B. Apparaturen på plass i magneten, og magnetstrømmen slås på.

Plansje II. Flytende luft helles ut. Når den når gulvet, vil den flytende luften fordampe meget hurtig og danne en sky av kald gass siden gulvet er fire ganger varmere.

.-

/ i..

Plansje III. Typiske Dewar-flasker (Termosflasker) til laboratoriebruk.

lig utglødd metallstykke, slik at alle fysiske spenninger er fjernet, og så måler motstanden ved lave temperatu­ rer, kan vi være ganske sikre på at den motstanden som er tilbake skyldes forskjellige fremmedatomer. I slike tilfelle kan vi fra våre teoretiske idéer om hvordan et fremmedatom oppfører seg i et metall, forutsi i hvor stor grad elektronene spres, og deretter sammenligne antagelsen med hva vi observerer eksperimentelt i labo­ ratoriet ved våre motstandsmålinger. OPPDAGELSEN AV SUPERLEDNING

Dette er noen eksempler på hvordan studier av den elektriske motstand i metaller hjelper oss til å løse andre problemer i forbindelse med metallenes oppførsel. Kort etter at han som førstemann hadde forvæsket helium i 1908, startet Kamerlingh Onnes * og hans kolleger i Leiden i Nederland en serie undersøkelser av metallenes elektriske motstand ved lave temperaturer. Et av de første metallene de studerte var kvikksølv. Jeg tror at den vesentligste grunnen til dette valget var at kvikksølv er meget lett å rense, og man kan nå en meget stor grad av renhet uten mye dyrt utstyr. Når forskerne i Leiden målte den elektriske motstanden i kvikksølv nær tempe­ raturen til flytende helium, fant de at den hadde falt ned til en verdi langt under værelsestemperaturverdien, * Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) var professor i fy­ sikk ved universitetet i Leiden fra 1882, og han mottok i 1913 Nobelprisen i fysikk for at det lyktes ham å forvæske helium og for hans etterfølgende forskning ved disse lave temperaturene. Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928), altså også født i 1853, døde to år etter Onnes. Han var en strålende nederlandsk teore­ tiker med verdensberømmelse, og delte med Pieter Zeeman (enda en utmerket nederlandsk fysiker) Nobelprisen i fysikk for 1902. For å hedre arbeidet til disse to store nederlandske vitenskapsmenn ble det i 1953 ved Kamerlingh Onnes labora­ toriet i Leiden holdt et hundreårs minnemøte til ære for Kamer­ lingh Onnes og Lorentz.

49

kanskje til en hundredel av den opprinnelige verdi. Men når temperaturen nådde helt ned til kokende helium (ca. 4,2° K), så syntes den elektriske motstand å for­ svinne plutselig. På dette trinn ønsker jeg å gjøre noe fullstendig klart. Vi vet i dag med nær absolutt sikkerhet at motstanden til et metall som kvikksølv forsvinner fullstendig ved disse lave temperaturene. Det er ikke bare slik at motstanden faller til en lav verdi (selv om Kamerlingh Onnes ikke var helt sikker på dette da han første gang oppdaget effekten), men vi tror nå, og jeg skal nevne det eksperimentelle bevis senere, at motstan­ den forsvinner fullstendig, — og det er grunnen til at denne spesielt oppsiktsvekkende oppførsel som noen metaller viser ved lave temperaturer, er kjent som super* ledning. Det er to bemerkelsesverdige egenskaper ved superledning. For det første, motstanden vil ikke «svinne hen». Kjøler vi et rent, spenningsfritt metallstykke, vil vi finne at ved en bestemt temperatur faller motstanden til null uten noe forhåndsvarsel om hva som skal skje (fig. 9). For det annet synes motstanden å forsvinne fullstendig når et metall blir superledende. En slik hendelse er i sannhet meget forbausende. For hvis det var noen forurensnings atomer til stede, eller fysiske de­ formasjoner - og det vil det jo alltid være i et hvilket som helst metallstykke - skulle vi vente at disse feilene i noen grad skulle kunne spre elektronene og derfor gi årsak til en viss elektrisk motstand. Superledernes opp­ førsel representerte derfor et meget alvorlig problem for teoretiske fysikere. Men la oss se på flere av de eksperi­ mentelle effektene før vi snakker om teorien. I de tredve årene som fulgte Kamerlingh Onnes’ opp­ dagelse av superledning i 1911, ble det utført en kolossal * Også, især i eldre litteratur, kalt supraledning. Dette er kanskje et bedre navn fordi det betyr «over» eller «utover» vanlig ledningsevne.

50

Fig. 9. Kurven viser hvordan den elektriske motstanden for­ svinner plutselig ved lave temperaturer i et rent og spenningsfritt superledende metall. Den temperaturen hvor dette skjer kalles transisjonstemperaturen.

mengde eksperimenter på området, og en enorm mengde informasjon ble samlet om superlederes oppførsel. Det første vi bør legge merke til er at superledning opptrer i en stor mengde metaller og over et stort spektrum av lave temperaturer. I fig. 10 ser vi det periodiske system, som viser på en ordnet måte alle kjemiske grunnstoffer. De grunnstoffene som man har funnet ut er superledende ved lave temperaturer, er merket med skraverte ruter. Man kan se at selv om det er en stor mengde forskjellige metaller som blir superledende, så er det likevel enkelte grupper av velkjente metaller hvor det ikke er noen som viser denne oppførselen. I særdeleshet gjelder dette metal­ lene i den énverdige gruppen 1 A, eller de såkalte alkalimetallene, nemlig litium, natrium, kalium, rubidium og cesium som, så vidt vi vet i dag, ikke er superledere. Heller ikke de énverdige metallene i gruppe 1 B: gull, sølv og kobber, viser spor av superledning. For de metallene som blir superledende, finner vi at den tem­ peraturen hvor superledningen setter inn (transisjons­ temperaturen), varierer meget fra grunnstoff til grunn­ stoff. For øyeblikket synes det som om det metallet som

51

(D