Технические приложения фрактальной физики

Результаты проведенных автором исследований представляют самостоятельный интерес, они обосновы­вают новую науку о мироздании и привели к техниче­ским приложениям, уже весьма значительным и к тому же быстро развивающимся. Развитие фрактальной фи­зики определило появление очень высокотемпературных сверхпроводников, принципиально новых генераторов энергии для извлечения энергии из окружающей структуры пространства, нового способа передвижения со световой скоростью и нового радио для мгновенной передачи информации, что определяет выход из тупи­кового пути развития Земной цивилизации.

Температура и энтропия фазовых переходов. Создание очень высокотемпературных сверхпроводников

Фрактальная физика применена к электрической проводимости, что позволяет установить природу этого явления. Из п. 4.1 и [5] мы узнали, что фотоны являются, во-первых, инициаторами возбуждения электронов ато­ма, во-вторых, они являются энергетическими носите­лями. Установлено, что электроны в проводнике не пе­ремещаются, а остаются связанными со своими атомами. Возникновение фотона (кванта) обусловлено взаимо­действием возбужденных электронов с вихревой струк­турой пространства атома (см. п. 4.2). Фотон «набегает» на электрон, возникающее в результате сложное движе­ние можно описать, просто складывая заряды обеих взаимодействующих частиц. Этот процесс создания электрической проводимости можно представить как процесс образования солитонов, несущих в данном слу­чае для проводника отрицательный электрический заряд. Такая модель проводимости применена как для рассмот­рения создания проводимости полупроводникового дио­да, так и для описания явления сверхпроводимости.

Сначала вкратце рассмотрим явления, протекающие в полупроводниковых приборах, которые имеют общие свойства с твердыми телами. На рис. 6.1 показан меха­низм возникновения электрического тока в полупровод­никовом приборе. Переход образован соединением по­лупроводника n- и р-типов. Считалось, что в полупро­воднике n-типа носителями электрического тока явля­ются электроны донорных атомов, а в полупроводнике р-типа носителями электрической энергии являются дырки, образованные акцепторной примесью. Эти отри­цательные и положительные носители создают проводи­мость в полупроводниковом приборе. По представлениям нынешней физики, потоки электронов и дырок переме­щаются в противоположных направлениях, а общий ток через переход равен сумме электронного и дырочного

токов. Кроме того, считалось, что дырка — пустое место в ковалентной связи, вызванное фактически недостат­ком электрона или оставленное удаленным электроном Для описания процессов обмена энергией в полупровод­никах традиционная физика [45] ввела экситонный ме­ханизм. В полупроводниках экситоны, по ее представле­нию, — это электрон и дырка, связанные друг с другом кулоновскими силами и образующие поэтому квазиатом.

Рис. 6.1. Графическое изображение возникновения электрического тока в полупроводниковом диоде

В соответствии со структурным представлением про­странства фрактальной физикой, дырка — это не пустое место, а поляризованная структура пространства (см. п. 3.3 и п. 4.2). Для длительного существования такой структуры пространства должен быть вихрь. Этот эле­ментарный вихрь в состоянии динамического равнове­сия состоит из положительно и отрицательно заряжен­ных составляющих. Однако в дырке локально (по пери­ферии) размещается положительно заряженная состав­ляющая вихря. Механизм возбуждения дырок и элек­тронов и создание проводимости в полупроводнике про­иллюстрирован введением фотона. Для ясного понима­ния этот процесс воспроизведен символически в дву­мерном изображении, показанном на рис. 6.1. Уточним, что фотон электрически нейтрален, так как составляю­щие противоположно заряжены (см. п. 4.1). При взаи­модействии фотона с вихрем происходит коллапс мик­роструктуры пространства и возникновение нового фо-

тона, действие которого через ион (ионы не показаны на рис. 6.1) передается следующей дырке. Заметим, что фотон взаимодействует в р - полупроводнике с локаль­ным положительным зарядом дырки. В то же время про -исходит восстановление вихря за счет связи с окру­жающим пространством. При взаимодействии фотона с электроном в полупроводнике n-типа также происходит передача энергии через ион следующему электрону. Ге­нерируемые фотоны движутся в направлении перехода. Таким образом, в динамике в n- и р-областях диода создаются солитоны, соответственно несущие отрица­тельные и положительные заряды, которые и переносят энергию. Так как фотон «набегает» на частицу, то воз­никающее в результате более сложное движение можно описать, просто складывая заряды обеих частиц в каж­дой точке: для р-области как +2 - 1 ® +1, а для n-полупроводника в виде -2 + 1 ® -1. Мы уже знаем, этот процесс создания электрической проводимости можно представить как процесс образования уединенных волн, совсем недавно получивших название солитонов [75]. Заметим, что носители энергии — фотоны в полупро­воднике n- и р-типа разны; и разны так называемые понятия — коэффициент подвижности и диффузии. Это обусловлено тем, что действие фотонов происходит на разных энергетических уровнях этих кристаллов. Рас­смотренные явления в полупроводниковом приборе очень важны для изучения процессов в твердых телах, в том числе и для диэлектриков, у которых отсутствует возникновение фотона или передача энергии соседней частице.

Теперь перейдем к рассмотрению явления сверхпро­водимости. Явление сверхпроводимости заключается в упорядоченности, согласованности поведения субатом­ных частиц веществ в больших объемах макроскопиче­ского тела. Подобное понимание привело к открытию высокотемпературной сверхпроводимости в области 30 К и созданию сверхпроводников с критической температу-

рой 90 и 125 К [76, 77]. Однако проблема, которая полу­чила в физике название высокотемпературной сверх­проводимости, осталась, ибо в технике под высокими понимаются температуры по меньшей мере в сотни градусов Цельсия. Так что под указанными высокотем­пературными сверхпроводниками следует понимать низкотемпературные сверхпроводники с необходимо­стью использования хладагента, что обусловливает при­ложение тяжелых систем охлаждения.

Поскольку в настоящее время отсутствует общепри­нятая универсальная теория высокотемпературной сверхпроводимости, обладающая предсказательной си­лой, автору необходимо было исследовать и понять ос­новные характеристики известных сверхпроводников, рассмотреть свойства теории БКШ [52] и дать физиче­ское обоснование структурного (вместо статистического) представления материи.

Проведенные исследования позволили подойти к раскрытию механизма высокотемпературной сверхпро­водимости и разработать химические системы, которые проявляют свойства высокотемпературной сверхпрово­димости. Такой подход исследования открыл путь к соз -данию действительно новых высокотемпературных сверхпроводников с критической температурой 210, 373 К и выше.

Ведь до сих пор, как и сто лет назад, понятия теплоты, температуры и энтропии не связаны со строением и свойствами конкретных атомов веществ, в которых имеются электроны и ядра. Поэтому теория БКШ (аббревиатура фамилий авторов: Бардин, Купер, Шриф-фер) основывается на несостоятельном статистическом представлении, объясняет появление энергетической Щели и удовлетворяет двум условиям: волновая функция должна быть когерентной и должно существовать при­тяжение между электронами. С помощью модели, осно­ванной на теории БКШ, невозможно объяснить даже значение критической температуры перехода порядка 90

К. Это означает, что высокотемпературная сверхпрово­димость объясняется не электрон - фононным взаимо­действием, как в этой теории, а другим механизмом. Поэтому для раскрытия механизма сверхпроводимости весьма актуальным было решение фундаментальных за­дач:

1) установление связи между явлением сверхпроводи-­
мости и миром фундаментальных частиц;

2) установление формы и структуры электрона, про-­
тона, нейтрона и фотона;

3) установление структуры пространства;

4) установление единого фундаментального взаимо-­
действия.

Эти проблемы, за исключением первой, рассмотрены в предыдущих разделах фрактальной физики (см. пп. 3.1, 3.3, 4.1, 4.2). Что касается первой задачи, то установлены закономерные связи температуры фазового перехода первого рода и изменения энтропии веществ в зависи­мости от количества и состояния субатомных частиц. Понятия фазовых переходов введены в п. 1.4. Резуль­таты теоретического и экспериментального анализа тем­пературы и энтропии сжиженных однородных газов приведены в докладе автора на Харьковской конферен­ции по высокотемпературной сверхпроводимости в ок­тябре 1989 года [78] и представлены в таблице 6.1. При сравнении теоретических результатов с имеющимися экспериментальными данными [103] найдено их хорошее соответствие. Необходимость такого исследования вы­звана тем, что целый ряд факторов свидетельствуют о сходстве жидкостей с твердыми телами, т. е. телами, обладающими кристаллической структурой. Так, при повышении температуры теплоемкость может достичь 25 Дж/(моль^.К), начиная с жидкого кислорода. Знаем, ки­слород входит в состав высокотемпературных сверх­проводников.

Таблица 6.1. Параметры сжиженных однородных газов

 

№

Название

Атомар

Кван

Номер

Число

Кван-

Номер

Расчетная

Эксперимен-

Атомар-

Расчетное

Эксперимен-

Примечание

п/

газа

ный

товое

периода

σ

товое

группы

темпе-

тальная темпе-

ная

изменение

тальное

п

номер

число

n

число

N

ратура

ратура кипе-

масса

энтропии

изменение

Z

I

J

кипения

ния, разделен-

А

ΔS/π =

энтропии

Т°К/е

ная на е

(A+Z+I) £ 25

Q /(π. Т°К)

1.

Водород

7,5

14*

A*=8-A=N

Н2

Z*=8-Z=N

ΔS/π =A*+Z*

2.

Гелий

-1

1, 5

Не

3.

Азот N2

+1

22,5

4.

Кислород

+1

02

5.

Фтор

+1

-1

24,5

F2

6.

Неон

-1

ΔS/π =А

Ne

7.

Хлор

+1

+1

35,5

CL2

8.

Аргон

-1

+1

Аг

9.

Криптон

Кг

10.

Ксенон

-1

Хе

Оказалось, что эти связи температуры и энтропии имеют свою значимость при определении перехода вто­рого рода, т. е. перехода в сверхпроводящее состояние. Так как возникновение сверхпроводимости можно рас­сматривать как фазовый переход от менее к более упо­рядоченному состоянию, то были обоснованы условия возникновения сверхпровдимости вблизи точек перехо­да:

— наличие электронной упорядоченности соединения;

— наличие потенциала притяжения электронов и

— появление критической температуры перехода хи­
мического соединения.

Электронная упорядоченность обусловливается под­бором элементов с учетом положения каждого атома в элементарной ячейке.

Наличие потенциала притяжения электронов обу­словливается подбором элементов по их энергетическим характеристикам, определяющим максимальную энер­гию связи компоненты в соединении.

Критическая температура перехода в сверхпроводя­щее состояние определяется наличием в кристалличе­ской структуре ион-молекул, например, О₂^2-, возникаю­щих вследствие пространственного ограничения в эле­ментарной ячейке соединения и обусловленных взаи­модействием непосредственно не связанных между со­бой атомов. Тепловое движение является причиной скачкообразного изменения расстояния между ион-молекулами, вследствие чего обмен энергией между ва­лентными электронами сверхпроводящей системы нару­шается, так как потенциал притяжения электронов приобретает хаотическое движение.

Следовательно, критическая температура Т перехода в сверхпроводящее состояние выражается в градусах Кельвина следующим соотношением [78], которое уста­новлено при исследовании фазовых переходов первого рода:

Т = е [Z + I + (n^σ + J) N], (6.1)

где е — значение числа, выраженное в К^.см и равное 2,718... К • см; Z — атомный номер характеризует заряд ядра элемента (число протонов); I — квантовое число (+ 1, 0, -1), характеризующее изменение состояния. Из­менение состояния вызвано поглощением или излуче­нием атомом кванта энергии; n — номер внешнего энергетического уровня атома определяется номером периода, в котором находится элемент; σ — число атомов в молекуле; J — квантовое число (+ 1, 0, -1), характери­зующее изменение энергетического уровня электрона; N — число внешних электронов атома, равное номеру группы периодической таблицы элементов.

Числа, стоящие в прямых скобках выражения (6.1) представляются как волновые числа и выражаются в данном случае в обратных сантиметрах.

Фазовый переход описывается изменением энтропии для одного моля вещества ΔS, которое характеризует скачкообразное изменение теплоемкости и выражается в

Дж/(моль^.К) следующим соотношением [78]:

ΔS = π(А + Z + I)

(6.2)

где π — число, равное 3,14...; А — число нуклонов (атомная масса); Z — число электронов (атомный номер элемента); I — квантовое число (+1, 0, -1), характери­зующее поглощаемый или излучаемый фотон. При этом в соотношении ΔS выражение для молярной теплоемко­сти есть C_v = (A + Z + I) £ 25. Как видим, размерность изменения энтропии определяется единицей молярной теплоемкости, что приводит к полному согласованию размерностей. Заметим, что структурное представление характеризует молярную теплоемкость твердых тел числом 25, как предельное значение взаимосвязанных частиц: протонов, нейтронов, электронов, фотонов, раз­мещаемых в сферическом объеме [79].

Вывод соотношений (6.1) и (6.2) произведен на осно­вании известных положений: для перехода системы из жидкого состояния в газообразное в точке кипения за­трачивается энергия (работа). Работа сама по себе пред­полагает упорядоченное движение частиц. Закономер­ности перехода жидкой макроскопической системы в пар наглядно можно сформулировать, исходя из описа­ния отдельных микрочастиц.

Вывод критической температуры Т произведен из приближенного равенства, характеризующего энергию одиночного атома [41]: kT @ e²(Z + N)/(rR_о), где k — по­стоянная Больцмана (или универсальная газовая посто­янная в расчете на атом); е — заряд электрона; г — первый боровский радиус, соответствующий основному состоянию в атоме водорода; R_о — постоянная Ридберга, равная 109737 см"¹. Вспомним, что волновое число, эк­вивалентное энергии ионизации атома водорода, носит такое название; Z — число протонов ядра (порядковый номер элемента); N — число внешних электронов атома (номер группы периодической системы). Учет внешних электронов связан с тем, что в тепловом движении большинство электронов не может участвовать.

Большие возможности фрактального анализа заклю­чаются в том, что в нем рассматриваются совокупности точек в качестве основных объектов. Эта особенность аффинной геометрии (см. п. 2.1) согласуется с фунда­ментальной структурой фрактальной физики, в которой фотоны, электроны, ядра представляются электрически­ми зарядами. Возбужденные внешние электроны взаи­модействуют с вихревой структурой пространства атома (см. ранее), что вызывает возникновение фотонов. Чем больше внешних электронов и чем больше заряд ядра (число протонов), тем необходимо больше затрачивать работу (энергию) для образования фазового перехода. Поэтому можно электроны и протоны представить как волновые числа. Единицей волновых чисел является в данном случае обратный сантиметр. Теперь мы получаем

в написанном выше выражении полное согласование размерностей.

В вышеприведенном выражении е² / r= X_а, постоян­ная Хартри — единица измерения энергии равной уд­военной энергии основного состояния атома водорода (т. е. потенциальной энергии атома водорода) и составляет 27,212 эВ. Тогда Т=X_a (Z + N)/(R_o • k), где k - значение постоянной Больцмана, выраженное в эВ на Кельвин, равное 0,862^.10^-4 эВ/К. Используя фрактальное пред­ставление состояния связанного в молекулу атома, по­следнее соотношение представлено в виде: Т = Х_a[Z + I + (n^σ + J)N)/(R_o • k), где n — номер уровня задает энергию электрона. Поэтому число σ соответственно равно 2 и 0 для двухатомного и атомарного вещества. (Заметим, σ может принимать значение 1 для атомарного кислорода. Для кислорода воды — это значение равно 2).

Полученное соотношение характеризует температуру превращения жидкой макроскопической системы в пар при нормальном давлении, при этом максимальное зна­чение совершенной работы примерно равно глубине потенциальной ямы связанного атома, когда атом пере­ходит в свободное состояние. Разрыв межмолекулярных связей наступает раньше достижения нуля потенциаль­ной энергии атома. Поэтому коэффициент пропорцио­нальности полученного соотношения Xa / (R_o • k) = 2,876... приближается по величине к числу е = 2,718... Тогда температура кипения Т однородных веществ выражена соотношением (6.1), а результаты исследования сведены в таблицу 6.1.

Следует заметить, что большой интерес представляет исследование дейтерия и трития, которые по своим атомным массам отличаются соответственно в 2 и 3 раза по сравнению с атомной массой водорода, однако тем­пературы кипения отличаются незначительно — на ве­личину 1/2 — спина нейтронов, умноженного на число е = 2,718...

В сложных соединениях установленные температуры кипения являются инвариантом, т. е. не зависят от структурной формулы соединения. Так, при образовании молекулы метана у атома углерода подверглись гибри­дизации один s- и три р-электрона и получились четыре одинаковые гибридные связи. В результате температура кипения метана определяется, в соответствии со структур­ной формулой, суммированием для каждой связи нату­ральных температур кипения (в е К) как для углерода, ко -торая определена соотношением (6.1) и равна 9, так и тем­пературы кипения атомарного водорода, которая равна 1. К полученному результату добавляется единица, характери­зующая поглощение кванта энергии. Тогда температуру кипения метана СН₄ выразим в численном виде: Т/е = 4(Т_с/е + Т_н/е) + 1 = 4(9 + 1)+ 1 = 41.

Интересные результаты получаются при исследовании процесса кипения воды. Молекула воды окружена че­тырьмя соседними соединениями: каждый атом водоро­да, уже связанный с кислородом, может приближаться к атому кислорода другой молекулы и образовывать с ним связь. Эта связь дает возможность каждой молекуле воды связаться с четырьмя другими. Поэтому температу­ру кипения воды выразим в численном виде: Т/е = 4(Т₀/е + Т_н/е) + 1 = 4(33 + 1) + 1 = 137. Полученный ре­зультат (число 137) наводит на мысль, что вода и тонкая структура пространства являются основными энергети­ческими носителями для обеспечения развития жизни (см. п. 3.3).

Температура тела человека (его фазового перехода) 36,8°С равна температуре кипения воды 100°С, разделен­ной на е = 2,718... Это говорит о том (см. п. 5.1), что температура фазового перехода человека в Кельвинах Т/е = (273,2+ 3б,8)/е = 114 определяется структурой углевода молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая ки­слота), формулу которого можно представить как С₅Н₁₀О₄. Здесь не хватает одного атома кислорода (66]. Поэтому этот углевод назвали обескислороженной ри-

бозой — дезоксирибозой. Молекула ДНК состоит из трех частей: молекулы фосфорной кислоты, молекулы дезоксирибозы и молекулы азотосодержащего соедине­ния, называемого азотистым основанием. Молекулу уг­левода в среднем можно представить из пяти группСН, одного атома кислорода О, двух атомов водорода Н, трех групп ОН/2, цифра 2 характеризует, что данные соеди­нения являются общими с двумя другими частями ДНК. Поэтому температуру фазового перехода человека вы­разим в численном виде как:

Т/е = 5(Т_с/е+Тн/е)+То/е+2Т_н/е + 3(Т₀/е + Тн/е)/2 = = 5(9+1)+ 32+2 • 1+3(19+1)72 = 114. Температура ки­пения кислорода-карбонила, в соответствии с формулой (6.1), в натуральных единицах равна 32, а для кислорода-гидроксила соответственно равна 19. Обратим внимание, что температура кипения кислорода-карбонила соот­ветствует температуре кипения кислорода воды (см. ра­нее), хотя и меньше на единицу.

Вывод соотношения (6.2) сделан на основании того, что система находится в равновесии при температуре Т. Тогда, передав ей бесконечно малое количество теплоты dQ, получим элементарное изменение энтропии [53]: dS = dQ/Т = C_v • dT/T, где использовали определение те­плоемкости при постоянном объеме, как C_v(Т) = (dQ/dT)_v. Температура кипения Т характеризует уровень особой точки процесса парообразования и определяет наступление разрыва межмолекулярных связей. Измене -ние энтропии жидкого газа представим в виде выраже­ния несобственного (расходящегося) интеграла, при этом учтем, что теплоемкость постоянна вблизи точки кипе­ния (Т ± ε), где ε — бесконечно малое изменение темпе­ратуры кипения. Главное значение (V.P.) несобственного интеграла, после замены переменных, является искомым результатом — изменением энтропии в точке кипения:

(Т+ ε)

ΔS = V.P. С_v ò [l/(ξ-T)]^.δξ = π^.C_v.

(Т- ε)

 

 

Так как теплоемкость C_v, зависит от количества и типа вещества, то изменение энтропии при кипении одного моля при нормальном давлении однородного газа пред­ставлено в форме (6.2). Размерность изменения энтропии определяется единицей молярной теплоемкости.

Для веществ, состоящих из сложных молекул, энтро­пия определяется в соответствии со структурной фор­мулой, как сумма элементарных энтропии (в натураль­ных единицах) всех элементов, составляющих молекулу без учета обобществляемых электронов (точек прикос­новения электрических объектов) элемента, входящих в электронные пары. Последнее уточнение определяет, что энтропия — качественная характеристика материи. На примере метана СН₄, определим изменение энтропии как

ΔS/π = A_C + Z_C +4A_H + 1 = 12 + 6 + 4 + 1 = 23, где

к результату добавлена единица, характеризующая по­глощение кванта энергии. Заметим, что ограничение энтропии для сложных веществ происходит при величи­не, большей 25.

Однако для воды такое ограничение не выполняется. Выше показано, что каждая молекула воды связана с четырьмя другими. Поэтому изменение энтропии воды

определим как ΔS/π = ΔS_о/π + 4(A_н + Z_н) +1 = 25+4(1+1) +1 = 34. Такое отклонение энтропии вызывается способностью молекулы воды удваивать свои связи. В удвоении связей молекулы воды просматрива­ются свойства живых организмов размножаться, уд­ваиваться в числе при делении клеток. Это указывает, что вода является основным энергетическим носителем и соответственно основой для развития живой материи (см. главу 5).

Следствием установленных взаимосвязей и форм частиц является раскрытие механизма сверхпроводимо­сти [1, 5]. На рис. 6.2 показано энергетическое изобра­жение явления сверхпроводимости в керамических со­единениях. На плоскости, имитирующей двумерную кристаллическую решетку, находится связанная кор-

пускулярная система, состоящая из трех (четырех) эле­ментов, причем у среднего элемента, например, 6 внеш­них электронов, а у нижнего и верхнего — по 3 внешних электрона. Электроны элементов спариваются «полюсами», между которыми имеется потенциал при­тяжения из - за разной энергии связи.

Потенциал

Рис. 6.2. Энергетическое изображение явления сверхпроводимости в керамических соединениях

В некий момент одна из взаимодействующих частиц — электрон первого элемента испускает квант электро­магнитного поля. Мы.уже знаем из модели атома (см. п. 4.2), что возникновение фотона обусловлено взаимодей­ствием возбужденного электрона с вихревой структурой пространства атома. Это обсуждалось выше при рас­смотрении проводимости полупроводникового прибора. Там же установлено, что носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон (квант), так как его составляющие противоположно за­ряжены. Взаимодействующие друг с другом частицы с большой скоростью обмениваются квантом. Действие распространяется от частицы к частице через ядро сред -него элемента и передается внешним электронам третьего (четвертого) элемента. Таким образом, обмен энергией между валентными электронами нижнего и

 

верхнего элементов происходит без рассеяния, а процесс создания электрического тока можно представить как рождение уединенных волн — солитонов, несущих от­рицательный электрический заряд, который указан на рис. 6.2, как результат сложения зарядов взаимодейст­вующих частиц. При этом критический ток определяется содержанием нижнего элемента — иттрия — на примере системы Y-Ba-Cu-O. Однако в проводниках обмен энергией между валентными электронами происходит с рассеянием ввиду отсутствия согласованности взаимо­действия между ними.

Таким образом, несмотря на проведенный в 1916 г. опыт по определению носителей заряда в металлах (см. п. 1.4), нынешняя физика не могла описать природу электрической проводимости в проводниках, полупро­водниках и сверхпроводниках. Однако фрактальная физика показала, что возникающие фотоны в про­странственной структуре соединений являются не только инициаторами возбуждения электронов или дырок ато­ма, но также и энергетическими носителями, ибо фото­ны при взаимодействии с электроном или дыркой обес­печивают рождение уединенных волн — солитонов, не­сущих отрицательный или положительный электриче­ский заряд. Явление электрической проводимости по­могло понять природу электромагнитного поля движу­щихся электронов и возникающую при таком процессе поляризацию структуры пространства (см. п. 3.3). Под влиянием электронов происходит поляризация структу­ры пространства, которую можно также представить как процесс образования солитонов.

Такое понимание механизма сверхпроводимости по­зволило синтезировать химическое соединение YBa₂Ag₃S₇ [80] с критической температурой Т_с = 194 К, а позже дос­тигнута Т_с = 210 К. На этом примере мы убедились, что критическая температура имеет квантовый характер, под­твердив тем самым наши теоретические изыскания, пред­ставленные соотношениями (6.1) и (6.2). Критическая тем-

пература этого соединения определяется в основном на­личием пирит-ионов S₂^2- в кристаллической структуре и зависит от их энергетического состояния. В конечном счете достигнутый результат обусловил возможность синтези­ровать с устойчивой сверхпроводимостью материал YBa₂Ag₃Se₇ до температуры кипения воды [81].

Для получения сверхпроводника YBa₂Ag₃Se₇ были подготовлены три селенидных соединения: селенид се­ребра Ag₂Se, селенид бария с селеном (ввиду непрочного соединения селенид бария) BaSe + Se_2, селенид иттрия Y₂Se₃. Для получения вещества с заданным стехиометрическим составом исходная смесь была помещена в тигель плазмотронной технологической установки, в котором при высокой температуре проходила твердо­фазная реакция:

Y₂Se₃/2 + 2(BaSe + Se₂) + 3Ag₂Se/2 ® YBa₂Ag₃Se₉ ® YBa₂Ag₃Se₇.

Полученный сверхпроводник в виде поликристалли­ческого порошка темно-серого цвета явился оптималь­ным по своим сверхпроводящим свойствам при выше­указанной реакции. Критическая температура этого со­единения определяется возникновением в кристалличе­ской структуре в основном селенид- ионов Se₂^2-.

Для проверки правильности изложенной теории так­же синтезировано соединение YBa₂Cu₃Se₇ с критической температурой 371 К, что опубликовано в печати [16]. Покажем, как проведено проектирование такого сверх­проводника.

За основу проектирования сверхпроводника взято существующее химическое соединение YBa₂Cu₃O₇. Ис­следования существующего сверхпроводника показали, что наличие пероксид - иона О₂^2- в кристаллической структуре обусловливает температуру перехода в сверх­проводящее состояние 90 К. Заметим, что пероксид-ион О₂^2- возникает вследствие пространственного ограниче­ния в элементарной ячейке соединения. Критическая

температура перехода Т_с = 90 К подтверждается теоре­тическим расчетом в соответствии с соотношением (6.1), приведенным выше:

Т_с = 2,718 [8 + 1 + (2² + 0) 6] = 90 К.

Если кислород в соединении заменить на серу или селен, то в кристаллической структуре этих соединений возникает пирит-ион S₂^2- или селенид-ион Se₂^2-. Соот­ветственно критические температуры переходов опре­деляются следующим образом.

Для серы: Т_с= 2,718 [16 +1 + (3² + 1) 6] = 209 К. Для селена: Т_с = 2,718 [34 + 1 + (4² + 1) 6] = 372 К.

Для уточнения отметим, что ион-молекулы О₂^2- и S₂^2-, Se₂^2- различаютя по энергетическому состоянию, поэто­му их квантовые числа J неодинаковы. Кроме того, ука­жем, что при замене кислорода на теллур следует ожи­дать максимально достижимую температуру перехода порядка

Т_с = 2,718 [52 4- 1 4- (5² + 1) 6] = 568 К.

Экспериментальные исследования зависимости маг­нитной восприимчивости и сопротивления кристалла YBa₂Cu₃Se₇ от температуры (см. рис. 6.3) показали, что у нас действительно систематически наблюдается сверх­проводимость, причем расчетная критическая темпера­тура перехода составляет 372 К, а измеренная — 371 К. Проведенные исследования позволили объективно вы­явить сверхпроводящие свойства полученных материа­лов и защитить их патентами [82].

 

325 330 335 340 345 350 355 360 365 370 375 380

б

Рис. 6.3. Экспериментальные исследования зависимости магнитной восприимчивости (а) и сопротивления (б) кристалла YBa₂Cu₃Se₇ от

Температуры

Разработка космических аппаратов для передвижения со световой скоростью в Галактике (см. далее п. 6.3) по­требовала создания сверхпроводников с критической температурой Т_с = 905°С. Данные сверхпроводники по своей структуре отличаются от ромбической формы элементарного кристалла вышеприведенных керамиче-

ских соединений. Эти сверхпроводники созданы на базе металлоорганических соединений, включая железо, и от­носятся к сандвичевым соединениям [67]. Такое назва­ние структуры соединения вызвано тем, что молекула этого вещества напоминает сандвич, т. е. один из атомов в ней находится между плоскостями двух колец соеди­нений элементов. Критическая температура таких сверхпроводящих соединений определяется температу­рой кипения одной из компонент.

Для доказательства наличия сверхпроводящих свойств разработана эффективная установка (см. рис. 6.4), по­зволяющая фиксировать температуру перехода в сверх­проводящее состояние Т_с по изменению знака магнит­ной восприимчивости сопротивления исследуемого ма­териала.

Рис. 6.4. Структурная схема установки для измерения параметров сверхпроводящих материалов

Для понимания напомним, что магнитная восприим­чивость к является важным показателем физических свойств материалов и связана с относительной магнит­ной проницаемостью μ выражением κ = μ - 1. Магнит­ная восприимчивость диамагнетиков отрицательна и по абсолютному значению очень мала. Сверхпроводники ведут себя как идеальные диамагнетики. Их магнитная восприимчивость равна минус 1, а относительная маг­нитная проницаемость — нулю.

Полая катушка индуктивности 1 подключалась к из­мерителю сопротивления R, емкости С и индуктивности L типа Е7-12 2, включенному в режим измерения RL. При этом катушка стационарно устанавливается в тер­мостат 3, куда помещается термопара 4, подключенная к вольтметру В7-39 5. Через каналы общего пользования приборов Е7-12 и В7-39 первичная измерительная ин­формация подавалась на устройство управления и об­работки данных специализированного типа Р - 908 6.

Первоначально при комнатной температуре было проведено измерение магнитной восприимчивости к соединения. Потом включался нагрев термостата и мас­сив зависимости κ = (L* — L_о)/L_о, = f(T), — где L* — индуктивность системы при текущей температуре, L_о — индуктивность пустой катушки, -подавался на персо­нальный компьютер 7, на мониторе которого зависи­мость κ = f(T) выводилась в графическом виде и распе­чатывалась на устройстве (принтере) 8.

Для определения температурного характера сопро­тивления исследуемого материала в вышеописанной ус­тановке катушка индуктивности 1 и измеритель R, С, L 2 заменялись на выпрямитель ВС