Η ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας από τον Kamerlingh Onnes

Posted on 28/01/2011

0


Το 1882 ο Heike Kamerlingh Onnes ανέλαβε την ηγεσία του εργαστηρίου κρυογονικής στο πανεπιστήμιο του Λέιντεν.

Ένα από τα πρώτα του βήματα ήταν να επαληθεύσει πειραματικά τις θεωρητικές προβλέψεις της θεωρίας του Van der Waals σχετικά με τις κρίσιμες τιμές της θερμοκρασίας και της πίεσης στις οποίες ένα αέριο μπορεί να μετατραπεί σε υγρό.

Ο Kamerlingh – Onnes πειραματίστηκε με πολλά διαφορετικά αέρια ψύχοντάς τα σε όλο και μικρότερες θερμοκρασίες.

Από όλα αυτά, περισσότερο τον προβλημάτισε το ήλιο, το οποίο συνέχιζε εκείνη την εποχή να ανθίσταται στις προσπάθειες υγροποίησής του. Η έρευνα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες απαιτούσε ειδικό εξοπλισμό και οδήγησε στην ανάπτυξη της τεχνολογίας υγροποίησης των αερίων. Ο Kamerlingh – Onnes συνέβαλε αποφασιστικά στον τομέα αυτό και αξίζει να πούμε λίγα λόγια για τα χαρίσματα που τον διέκριναν.

Το εργαστήριο κρυογονικής που δημιούργησε αποτέλεσε το πρότυπο για τα ερευνητικά ινστιτούτα του 20ου αιώνα.
Δεν παρέλειπε ποτέ να τονίζει ότι οι φυσικές παρατηρήσεις πρέπει να εκτελούνται με αστρονομική ακρίβεια.

Σε μια διάλεξή του στο Λέιντεν είπε τα εξής: «Σύμφωνα με τις απόψεις μου, η επιδίωξη ποσοτικών ερευνών, δηλαδή ερευνών που εδραιώνουν σχέσεις ανάμεσα σε μετρήσεις φαινομένων, θα έπρεπε να κατέχει την πρώτη θέση στην πειραματική πρακτική των φυσικών.

Δια της μετρήσεως προς την γνώση (Door meten tot weten) ιδού τι θα ήθελα να γράψω ως σύνθημα πάνω από την είσοδο κάθε εργαστηρίου φυσικής».

Συνειδητοποίησε ότι η διείσδυση στα βαθύτερα επίπεδα των φυσικών μηχανισμών θα καθίστατο δυνατή μόνο με τη βοήθεια μιας ειδικής «βιομηχανίας» αφοσιωμένης στην ανάπτυξη και παραγωγή επιστημονικών οργάνων. Η εποχή όπου ερασιτέχνες καθηγητές εκτελούσαν πειράματα με κακότεχνες διατάξεις κατασκευασμένες κατ’ οίκον είχαν παρέλθει ανεπιστρεπτί.

Ο Kamerlingh – Onnes συγκαταλέγεται στους πρωτοπόρους που είχαν πλήρη συνείδηση του γεγονότος ότι οι εκλεπτυσμένες πειραματικές τεχνικές απαιτούσαν έμπειρους και επαγγελματικά εκπαιδευμένους ειδικούς.

Επιπλέον, συναισθανόταν πλήρως τη ζωτική σημασία που έχει η έγκαιρη ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των επιστημόνων.

Γι’ αυτό ίδρυσε το επιστημονικό περιοδικό του εργαστηρίου του όπου δημοσίευε τα αποτελέσματα των πειραμάτων που διεξαγόταν στο εργαστήριο. Επιπλέον οι πόρτες του εργαστηρίου του ήταν πάντα ορθάνοιχτες για οποιονδήποτε επιθυμούσε να εργαστεί στην κρυογονική φυσική και τεχνολογία.

Η τακτική αυτή αντιπροσώπευε ένα νέο επιστημονικό στυλ και έναν καινούργιο τύπο σχέσεων μεταξύ επιστημόνων που προέρχονταν από ξένες χώρες και διαφορετικές επιστημονικές σχολές.

Το εργαστήριο του Λέιντεν αναδείχθηκε παγκοσμίως κορυφαίο κέντρο για τη φυσική των χαμηλών θερμοκρασιών απ’ όπου πέρασαν κορυφαίοι επιστήμονες της εποχής.

Η Marie Curie διεξήγαγε εκεί πειράματα για να ελέγξει την επίδραση του ακραίου ψύχους στον χρόνο ημιζωής των ραδιενεργών ουσιών. Ο Jean Becquerel έκανε επίσης πειράματα στο εργαστήριο αυτό με υγρό υδρογόνο για να αποδείξει την αμφιλεγόμενη υπόθεσή του για την ύπαρξη θετικών ηλεκτρονίων.

Η υγροποίηση του ηλίου

Πάνω απ’ όλα το ενδιαφέρον του Kamerlingh – Onnes παρέμεινε σταθερά προσηλωμένος στον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υγροποίησης του ηλίου. Την εποχή εκείνη, το ήλιο ήταν ένα σχεδόν νέο στοιχείο.

Παρότι η ύπαρξή του είχε ήδη προταθεί, μαζί με το όνομά του, ήδη από το 1868, όταν ο Norman Lockyer ερμήνευσε μια αγνώστου μέχρι τότε προελεύσεως γραμμή του ηλιακού φάσματος ως ένδειξη για την ύπαρξη ενός νέου στοιχείου, χρειάστηκε να φθάσει το 1895 για να ανακαλυφθεί από τον William Ramsay το πρώτο ήλιο από γήινες πηγές.

Αρχικά θεωρείτο ως το σπανιότερο των στοιχείων, όμως το 1903 διαπιστώθηκε ότι αφθονεί στα αμερικανικά φρεάτια φυσικού αερίου.

Ο Kamerlingh – Onnes μετά από επίμονες προσπάθειες στις 10 Ιουλίου του 1908 κατάφερε με τους συνεργάτες του να φτάσει στους 4,16 Κ (σημείο βρασμού του ηλίου) και να παραγάγει 60 κυβικά εκατοστά υγρού ηλίου.

Περιέγραψε το γεγονός ως εξής: «ήταν υπέροχη η στιγμή όταν πρωτοφάνηκε το υγρό, που έμοιαζε σχεδόν άυλο. (…) Ένοιωσα περιχαρής που θα μπορούσα να δείξω το υγροποιημένο ήλιο στον φίλο μου Van der Waals, αφού η θεωρία του στάθηκε ο μίτος που μας καθοδήγησε στην υγροποίηση από την αρχή ως το τέλος».

Στα επόμενα χρόνια επιχείρησε την στερεοποίηση του ηλίου χωρίς όμως να το καταφέρει (η στερεοποίηση του ηλίου τελικώς επετεύχθη από τον William Keesom το 1920).

Θα μπορούσε κανείς να πει πάρα πολλά για το υγρό ήλιο και τις εκπληκτικές ιδιότητες της υπερρευστότητας που εμφανίζει. Αλλά το θέμα μας είναι η υπεραγωγιμότητα
[η υπερρευστότητα του ηλίου είναι η ιδιότητα που έχει σε θερμοκρασίες <2,2Κ να ρέει χωρίς να συναντά τριβή. Τρία είναι τα κοινά μεταξύ υπερρευστότητας και της υπεραγωγιμότητας:

1. η ροή χωρίς τριβή

2. είναι μακροσκοπικές εκδηλώσεις κβαντομηχανικών φαινομένων

3. πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (η υπεραγωγιμότητα μπορεί πλέον να πραγματοποιηθεί και σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες)]

Προβάλλεται ενίοτε ο ισχυρισμός ότι ο Kamerlingh – Onnes ανακάλυψε το 1911 και την υπερρευστότητα. Στην πραγματικότητα παρότι παρατήρησε φαινόμενα που αποτελούσαν χαρακτηριστικές ιδιότητες της υπερρευστότητας δεν τα θεώρησε άξια περαιτέρω έρευνας. Ουσιαστικά η υπερρευστότητα απέκτησε στάτους ανακάλυψης το 1938.

Η ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας

Ο Kamerlingh – Onnes έχοντας αναπτύξει μια ειδική τεχνική για την επίτευξη θερμοκρασιών γύρω στον 1 Κ, στη συνέχεια με τους συνεργάτες του πραγματοποίησε αναρίθμητα πειράματα για να ελέγξουν τις ιδιότητες διαφόρων ουσιών στις «θερμοκρασίες του ηλίου».

Η μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας γίνεται εύκολα σε οποιαδήποτε θερμοκρασία. Δεν προκαλεί απολύτως καμία απορία, λοιπόν, το γεγονός ότι ο Kamerlingh – Onnes άρχισε να μελετά πως συμπεριφέρεται η ειδική αντίσταση στις χαμηλές θερμοκρασίες. Εντούτοις, η επιλογή αυτή δεν οφειλόταν αποκλειστικά και μόνον σε λόγους πειραματικής απλότητας.

Κατά τις αρχές του 20ου αιώνα, υπήρχαν δυο θεωρίες περί ηλεκτρικής αγωγιμότητας που οδηγούσαν σε δυο αντίθετες προβλέψεις σχετικά με τη συμπεριφορά της ειδικής αντίστασης στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.

Μια εξ’ αυτών διατεινόταν ότι η ειδική αντίσταση έπρεπε να μηδενίζεται στο απόλυτο μηδέν. Πράγματι, η ειδική αντίσταση στα μέταλλα είναι αντιστρόφως ανάλογη του χρόνου που μεσολαβεί μεταξύ δυο διαδοχικών προσκρούσεων ενός ηλεκτρονίου πάνω σε άτομα που ταλαντώνονται γύρω από τη θέση της ισορροπίας τους.

Όταν λοιπόν η θερμοκρασία πέφτει, το πλάτος των ατομικών ταλαντώσεων του πλέγματος μειώνεται (είναι σαν τα άτομα να «συρρικνώνονται»), οπότε η πιθανότητα του ηλεκτρονίου να συγκρουστεί με κάποιο άτομο γίνεται αμελητέα.

Τούτο σημαίνει ότι, καθώς Τ→0, η ειδική αντίσταση αναμένεται να τείνει στο μηδέν. Σύμφωνα με τη δεύτερη θεωρία, στις χαμηλές θερμοκρασίες «παγώνουν» τα πάντα, οπότε τα ηλεκτρόνια παύουν να «περιπλανώνται» μέσα στο μέταλλο και πέφτουν πάνω στα άτομα.

Στην περίπτωση αυτή δεν απομένουν φορείς φορτίου, οπότε καθώς Τ→0, η ειδική αντίσταση θα έπρεπε να απειρίζεται.

Όταν ο Kamerlingh – Onnes άρχισε να μετρά ειδικές αντιστάσεις σε χαμηλές θερμοκρασίες, επέλεξε τον λευκόχρυσο ως το πρώτο υλικό που θα υπέβαλλε σε έλεγχο.

Πέρα από κάθε προσδοκία, τα αποτελέσματά του δεν συμφωνούσαν με καμία από τις δυο θεωρίες.

Η ειδική αντίσταση του εξαιρετικά ψυχρού λευκόχρυσου δεν παρουσίαζε καμία εξάρτηση από τη θερμοκρασία! Ωστόσο σ’ αυτόν τον τρελό παγωμένο κόσμο θα μπορούσε κανείς να περιμένει οτιδήποτε. Ο Kamerlingh – Onnes παρατήρησε ότι η ειδική αντίσταση διαφόρων δειγμάτων λευκόχρυσου μειωνόταν, όσο αυξανόταν η καθαρότητά τους.

ones

Σχήμα 1: Η γραφική παράσταση της αντίστασης του υδραργύρου συναρτήσει της θερμοκρασίας που προέκυψε από τα πειράματα του Kamerlingh – Onnes το 1911.

Συνεπώς το πρόβλημα ήταν να εξεταστεί η ειδική αντίσταση των καθαρότερων δυνατών δειγμάτων. Συνέχισε μελετώντας τον χρυσό και στη συνέχεια τον υδράργυρο. Ο υδράργυρος παραμένει υγρός σε θερμοκρασία δωματίου και για να εξασφαλίσει κανείς δείγματα υδραργύρου υψηλής καθαρότητας αρκεί να εφαρμόσει την απλή μέθοδο των διαδοχικών αποστάξεων.

Τα φαινομενικώς πληκτικά πειράματα που ακολούθησαν έδωσαν στη συνέχεια εντελώς απροσδόκητα αποτελέσματα. Η ειδική αντίσταση του υδραργύρου δεν ελαττωνόταν βαθμιαία καθώς η ουσία ψυχόταν – όταν η θερμοκρασία έπεφτε κάτω από το σημείο βρασμού του ηλίου, η ειδική αντίσταση μειωνόταν δραστικά απότομα και γινόταν τόσο μικρή ώστε να διαφεύγει τη μέτρηση.

Στις 28 Απριλίου 1911 ο Kamerlingh – Onnes παρουσίασε μια αναφορά για τα αποτελέσματα των ερευνών του στην Βασιλική Ακαδημία Επιστημών του Άμστερνταμ.

Ονόμασε το νέο φαινόμενο «υπεραγωγιμότητα».

Το 1913 του απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ. Στη διάλεξη που έδωσε κατά τη διάρκεια της τελετής ο ολλανδός επιστήμονας διατύπωσε την άποψη πως το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας πιθανόν να συνδέεται με την κβάντωση της ενέργειας που ανακάλυψε ο Max Planck (1858 – 1947) στις αρχές του 20ου αιώνα. Αλλά χρειάστηκε να περάσει σχεδόν μισός αιώνας έως ότου δημιουργηθεί μια ολοκληρωμένη θεωρία υπεραγωγιμότητας στη βάση της κβαντικής θεωρίας, όπως ακριβώς προέβλεψε ο μεγάλος εκείνος πρωτοπόρος.
περισσότερα για την υπεραγωγιμότητα ΕΔΩ

Posted in: ΦΥΣΙΚΗ