Новости науки 02.03.01. Системы с отрицательной теплоемкостью.

Если мы передаем системе энергию, мы увеличиваем ее температуру - таков, вроде бы, естественный порядок вещей. Но, как это ни покажется странным с точки зрения повседневного опыта, существуют системы с отрицательной теплоемкостью: увеличивая энергию системы, мы вызывает ее ... охлаждение. Давно известно, что отрицательной теплоемкостью обладают звезды. Оказывается, однако, что со столь экзотическими объектами можно встретиться и в земных условиях. В частности, некоторое время назад было предсказано, что теплоемкость атомных кластеров (объектов, состоящих из нескольких десятков или сотен атомов) вблизи фазового перехода (твердое тело - жидкость) должна быть отрицательной. Группе ученых из Фрейбургского университета [1] удалось экспериментально подтвердить это предсказание.

Результаты масс-спектрометрии после лазерного облучения (температура, при которой поддерживалась система, и энергия кванта приведены на рисунке). По горизонтальной оси отложено число испаренных (при поглощении определенного числа фотонов h n ) атомов, по вертикальной - число фрагментов с соответствующей массой (= числом "оставшихся" атомов). На вставке приведено распределение кластеров по внутренней энергии, полученное из эксперимента.

Кластерные ионы натрия (положительно заряженные "частицы", состоящие из нескольких десятков или сотен атомов) получались с помощью стандартной методики. Созданные частицы термализовались при взаимодействии с гелием, поддерживаемым при постоянной температуре. При помощи масс-спектрометра выделялись кластеры, содержащие 147 атомов натрия (именно для таких кластеров расчеты давали наиболее заметный эффект). Отобранные кластеры также находились в гелиевой атмосфере и подвергались воздействию лазерного излучения. Опять же с помощью масс-спектрометра анализируя распределение полученных фрагментов (кластеров с разным числом атомов, см. рис.) в зависимости от температуры и энергии кванта излучения, исследователи показали, что вблизи температуры плавления теплоемкость кластеров отрицательна. Было установлено, что увеличение внутренней энергии кластерного иона на 1 эВ ведет к уменьшению его температуры примерно на 10 К.

Качественно этот результат можно объяснить следующим образом. В процессе плавления твердого тела, содержащего макроскопическое число атомов, передаваемая телу энергия расходуется на увеличение доли жидкой фазы. Известно, что система, в которой сосуществуют различные фазы, стремится минимизировать площадь поверхности раздела между фазами. Для макроскопической системы процент атомов, расположенных в районе границы раздела, ничтожен, но с уменьшением размеров системы граничные эффекты становятся все более существенны. Для предельно малой системы, какой является кластер, "пограничный слой" вообще охватывал бы значительную часть объема кластера (большой процент атомов находился бы в районе границы раздела). Поэтому такая система стремится предотвратить ситуацию, когда одновременно существуют две фазы (жидкая и твердая). В районе фазового перехода при увеличении внутренней энергии системы более выгодным оказывается понижение температуры за счет возрастания потенциальной энергии.

1. Martin Schmidt, Robert Kusche, Thomas Hippler et al. Phys.Rev.Lett. v.86, 1191 (2001).

перейти к началу страницы