تكاثف بوز-أينشتاين

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
(بالتحويل من تكاثف بوز وأينشتاين)
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

تكاثف بوز وأينشتاين في الفيزياء هو تكاثف تنبأ به كل من ساتيندرا ناث بوز سنة 1924 وألبرت أينشتاين بين عامي 1924 و1925،وثبت بالتجريب سنة ١٩٩٥ أي بعد ٧٠ عاما من التكهن بوجود هذه الظاهرة[1].وتكاثف بوز وأينشتاين يعد طورا من أطوار المادة وقد حاز قصب السبق في برهنتها معمليا كل من كارل ويمان وإيريك ألين كورنيل من جامعة كولورادو في بولدر في معامل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وبعيدهما بفترة ولفجانج كيترلي في معهد ماساتشوستس للتقنية وكلا الفريقين برهنها سنة ١٩٩٥ واستحق الفريقان بموجب ذاك جائزة نوبل في الفيزياء لسنة ٢٠٠١ بالتشارك فيما بينهما[2].وكان بوز وأينشتاين قد تكهنا أن ذرات الغاز إذا كانت من البوزونات فإنها تحتل حالة كمومية واحدة إذا انخفضت درجة حرارتها تحت حد معين[1].

النظرية[عدل]

الجسيمات الأولية إما أن تكون بوزونات ((صحيحات المغزل 0, 1 ,2,...)) أو فيرميونات ((كسريات المغزل 1/2, 3/2, 5/2,...)) مثل الإلكترونات وتخضع الفيرميونات لمبدأ باولي للاستبعاد والذي ينص على أنه لا يمكن لفيرميونين أن يحتلا نفس الحالة الكمومية في حين أن البوزونات يجوز احتلال ذات الحالة الكمومية.فعند درجات الحرارة المنخفضة وتدني الحركة الحرارية إلى مستويات سفلى فإن مجموعات كبرى من البوزونات تميل إلى احتلال ذات الحالة الكمومية.ومن الدلائل الجلية على وجود تكاثف بوز وأينشتاين[1]:

توزيع السرعة ويظهر الشكل البيضاوي بالأخضر.
  1. توزيع السرعة في الغازات يكشف عن وجود مركبتين متمايزة.
  2. زيادة طارئة في الكثافة تصاحب انخفاض درجة الحرارة.
  3. الشكل البيضاوي لتوزيع السرعة.

الصياغة الرياضية[عدل]

يحصل تكاثف بوز-أينشتاين عند تدني درجة الحرارة تحت درجة معينة وتدعى هذه الدرجة بالدرجة الحرجة وهي في الغاز ثلاثي الأبعاد لا نهائي الحجم ولا يوجد تآثر متبادل بين جسيماته ، تنطبق المعادلة على الدرجة الحرجة:

T_c=\left(\frac{n}{\zeta(3/2)}\right)^{2/3}\frac{2\pi \hbar^2}{ m k_B} \approx 3.31 \ \frac{\hbar^2 n^{2/3}}{m k_B}

حيث أن:

\,T_c    درجة الحرارة الحرجة,
\,n    كثافة الجسيم,
\,m    كتلة البوزون,
\hbar    ثابت بلانك المختزل,
\,k_B    ثابت بولتزمان,
\,\zeta    دالة زيتا ريمان وقيمتها \,\zeta(3/2)\approx 2.6124. (متسلسلة A078434 في OEIS)

الاكتشاف المعملي[عدل]

تنبأت بتلك الظاهرة نظرية ساتيندرا ناث بوز وألبرت أينشتاين عام 1924. وفي أغسطس 2005 عثر معهد لورينتو للفيزياء النظرية التابع لجتمعة لايدن ب هولاندا على أطروحة من 16 صفحة بعنوان :"نظرية الكم لغاز مثالي أحادي الذرات - الأطروحة الثانية" كتبها أينشتاين عام 1924 عن تكثف غاز مثالي مكوّن من بوزونات عند درجة الصفر المطلق (−273,15 درجة مئوية ، أي 0 كلفن).[3][4]

واكتشاف الخواص الغريبة للهيليوم السائل عند درجة حرارة منخفضة جدا فسمي بعد ذلك "تكاثف بوز-أينشتاين" ، ولكن بعض التأثيرا المتنبأ بها لم يسطتع التجربة إثباتها بسبب وجو تآثر فعلي بين الذرات. كذلك أجريت تجربة أخرى للتعرف عل الظاهرة بالكامل على غاز منكون من هيدروجين مستقطب ، ولم يمكن أيضا في هذه التجربة قياس التأثير المصاحب. وأخيرا في 5 يونيو 1995 أستطاع الفيزيائي "ميشائيل بروي " تحضير تكاثف بوز-أينشتاين في "مصيدة مغناطيسية" (تكثف 100 ذرة عند درجة حرارة منخفضة جدا).[5]. وفي عام 2001 حصل الفيزيائيون إريك كورنيل وولفجانج كيترلي وكارل ويمان على جائزة نوبل للفيزياء عن تحضيرهم لأول تكاثف بوز-أينشتاين لغازين أولهما من ذرات الروبيديوم والثاني من ذرات الصوديوم.

تطبيقات[عدل]

أمكن عام 2004 الوصول غلأى درجات حرارة منخفضة جدا 10−7 كلفن وتحتها , وتتحضير عددا من تكثفات بوز-أينشتاين : (7Li, 23Na, 41K, 52Cr, 85Rb, 87Rb, 133Cs und 174Yb)وكذلك للهيدروجين. ولكن تكاثف الهيليوم-4 لتكوين تكاثف بوز-أينشتاين لا يعد مثالا مثاليا لحالة الميوعة الفائقة ، إذ أن الهيليوم-4 عند 17و2 كلفن لا تزال الذرات تتفاعل مع بعضها البعض ، مما يجعل 8% فقط من الذرات تتكاثف في حالة قاعية.

وفي نوفمبر 2010 سجلت مجموعة من الباحثين في جامعة بون بألمانيا عن تحضيرها لتكاثف بوز-أينشتاين للفوتونات. [6] فقد حوصرت الفوتونات في "رنان ضوئي " بين مرآتين مقعرتين. ونظرا لعدم إمكانية تبريد الفوتونات فقد أضيفت جزيئات لمادة ملونة للحصول على توازن حراري في المصيدة. وتلى ذلك عملية مضخة ضوئية فظهر شعاع أصفر متوافق. ويعني العلماء العاملين تحت رعاية البروفيسور "مارتن فايتز" أن تكثف للفوتونات بطريقة تكاثف بوز-أينشتاين يمكن أن ينتج شعاعا ليزريا قصير الموجة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية يمكن استغلاله . [7]

طالع أيضا[عدل]

المراجع[عدل]

  1. ^ أ ب ت http://plato.stanford.edu/entries/physics-experiment/app3.html
  2. ^ http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/
  3. ^ Einstein A. (1925). "Handschriftliches Manuskript „Quantentheorie des einatomigen idealen Gases“". اطلع عليه بتاريخ 2010-03-21. 
  4. ^ Einstein A. (1925). "Quantentheorie des einatomigen idealen Gases - Zweite Abhandlung". Sitzungsberichte der preussischen Akademie der Wissenschaften: 3–10. 
  5. ^ Michael Breu: Eingefroren, 100 Atome bei tiefsten Temperaturen: Quantenoptiker stellen eindimensionales Bose-Einstein-Kondensat her, ETH Zürich, 26. Februar 2004, Abgerufen am 6. Juni 2010
  6. ^ Nature News: Chilled light enters a new phase. 2010-11-24. Retrieved on 2010-11-25.
  7. ^ Handelsblatt: Bonner Physiker stellen neue Lichtquelle her. 2010-11-25. Retrieved on 2010-11-25.