Состояния с отрицательной температурой

Часть энергии излучения лампы накачки с частотой = = ( 3 — Ei)/k (эта частота соответствует частоте зеленого света) расходуется для накачки, т. е. для создания состояния с отрицательной температурой. Атомы, находящиеся в возбужденном состоянии 3, отдавая часть своей энергии кристаллической решетке, безызлучательно переходят в метастабильное состояние 2- Затем, излучая красный свет с длиной волны I = 6943 А, атомы могут спонтанно перейти в основное состояние. Так возникает красная флуоресценция кристалла рубина. [c.384]

Если равновесные состояния с инверсной заселенностью энергетических уровней и, следовательно, с отрицательной абсолютной температурой можно получить только у необычных систем, которыми являются лишь спиновые системы, то стационарные неравновесные состояния с инверсной заселенностью уровней можно непрерывной подкачкой создать и у обычных систем. Это осуществляется в таких усилительных установках, как мазеры. Очень часто, говоря об инверсной заселенности энергетических уровней, употребляют понятие отрицательной абсолютной температуры, однако это лишь условное терминологическое понятие, поскольку инверсная заселенность уровней еще не есть состояние с отрицательной температурой. Необходимо, чтобы система находилась в равновесном состоянии при инверсной заселенности уровней, как это наблюдается в спиновых системах. [c.141]

Термодинамические понятия работа , теплота , количество теплоты , более нагретое тело употребляются при анализе состояний с отрицательной температурой в том же смысле, что и в случае состояний с положительными абсолютными температурами. Это означает, что формулировка первого начала термодинамики для систем с отрицательной абсолютной температурой остается без изменения [c.141]

Термодинамика систем с отрицательными температурами изложена в гл. 7. Из этой главы можно заключить, что все вышеприведенные утверждения о системах с отрицательными температурами ошибочны. Спиновые состояния с отрицательными температурами — это равновесные состояния, и поэтому к ним применимо термодинамическое понятие температуры. Состояния эти являются устойчивыми, но в отличие от обычных систем их устойчивость характеризуется не минимумом внутренней энергии и энергии Гиббса, а максимумом этих функций (см. 34). Что касается того, что системы с отрицательной температурой остынут при контакте с телами, имеюш ими положительную температуру, то тело с /=10 С тоже остынет при контакте с термостатом, имеющим температуру / = 5° С, однако это не означает, что первоначальное состояние тела было неравновесным и неустойчивым. Теплый воздух в закрытой комнате зимой тоже остынет через характерное время теплопередачи через стены, хотя состояние воздуха все время равновесно и устойчиво. Состояния с отрицательной температурой нельзя представлять себе как состояния водного раствора соли в стакане в первые секунды после его переворачивания вверх дном, когда плотность раствора вверху больше, чем внизу, и система имеет избыток механической энергии, переходящей со временем в энергию теплового движения. При отрицательной температуре (см. 33) в системе могут быть проведены различные обратимые процессы, чего принципиально нельзя было бы сделать при неравновесном состоянии системы. [c.174]

Помимо перечисленных выше неверных утверждений о состояниях с отрицательной температурой доказывается также, что термодинамические температуры не могут отличаться знаком, [c.174]

Принимая это равенство за определение термодинамической температуры, мы видим, что если внутренняя энергия системы в некоторой области состояний может быть такой, что частная производная по энтропии (1) оказывается отрицательной, то соответствующее состояние будет состоянием с отрицательной температурой. [c.347]

В настоящее время представляется возможным сделать общие выводы о состояниях с отрицательной температурой. [c.96]

Открытие состояний с отрицательной температурой обогатило физическое содержание второго начала термодинамики. Вместе с тем оно явилось еще одним свидетельством наряду с проблемой границ применимости, что этот великий принцип природы далеко еще не познан и, следовательно, история второго начала термодинамики отнюдь еще не завершена. [c.97]

При неравновесном состоянии системы на более высоком уровне расположено больше частиц, чем на более низком. Формально такое распределение частиц по энергетическим уровням получается, если считать Т величиной отрицательной. Поэтому состояние системы, у которой на верхнем уровне больше частиц, чем на нижнем, называется состоянием с отрицательной температурой. [c.504]

Если же электромагнитная волна проходит через систему, находящуюся в состоянии с отрицательной температурой, то имеет место так называемое отрицательное поглощение, при этом происходит усиление энергии проходящей волны. Интенсивность выходящей волны в этом случае превосходит интенсивность падающей волны (/ > /о). [c.504]

Система, находящаяся в состоянии с отрицательной температурой, может стать источником увеличения электромагнитной энергии. [c.504]

Рассмотрим теперь вопрос о возможности физической реализации систем с ограниченным сверху спектром энергии, т. е. с отрицательными температурами. Заметим прежде всего, что интерпретация состояний с отрицательными температурами становится особенно наглядной для системы слабо взаимодействующих частиц, когда можно говорить об энергетических уровнях для отдельных частиц и об их заселенностях . В этом случае заселенность уровней — число частиц на данном уровне — пропорциональна максвелл-больцмановско-му множителю, и при Г> О заселенность уровней падает с увеличением энергии — на верхних уровнях меньше частиц, чем на нижних. При Г 00 1, и все уровни оказываются равномерно [c.347]

Практически состояния с отрицательными температурами могут быть осуществлены с помощью быстрого изменения направления магнитного поля на противоположное — предварительно ориентированные этим полем магнитные моменты сохраняют в течение некоторого времени прежнюю ориентацию. [c.348]

Следует также отдать себе ясный отчет в том, что для всех реально существующих систем состояния с отрицательными температурами не являются, строго говоря, равновесными, а лишь метастабильными. В самом деле, состояние системы спинов с магнитными моментами, ориентированными против поля, неустойчиво, так как обладает избытком энергии. За характерное время передачи энергии от спиновых степеней свободы к вращательным и колебательным степеням свободы оно разрушится и перейдет в состояние с преимущественной ориентацией спинов вдоль поля. В терминах температуры это значит, что система с отрицательной температурой остынет и перейдет в состояние с положительной температурой, передав избыток энергии другим степеням свободы. [c.348]

Для возбуждения части атомов и создания на некоторое время инверсной Заселенности по отношению к некоторому уровню используется внешний источник энергии. Электромагнитная волна, проходя через вещество, находящееся в состоянии с отрицательной температурой, испытывает отрицательное поглощение именно при этих условиях наблюдается индуцированное излучение, совпадающее по частоте, фазе и направлению света с проходящим излучением. Механизм возбуждения н излучения зависит от параметров используемого вещества. В настоящее время в зависимости от типа рабочего вещества лазеры разделяются на четыре группы на твердом теле, газовые, полупроводниковые и жидкостные. В качестве источников монохроматического излучения при интерферометрических исследованиях используются твердотельные и газовые лазеры (761. [c.79]

Такое состояние системы носит название равновесного, в этом случае говорят — система находится в тепловом равновесии. А. Эйнштейн показал, что если допустить формально, что Т < О, то знак в показателе степени изменится на противоположный. Это будет справедливо лишь для случая, когда П2>Пь т. е. на верхнем уровне число единиц больше, чем на нижнем. Если населенность верхнего уровня больше, чем нижнего, го-говорят об инверсной населенности. Вследствие того, что формально это было получено за счет изменения знака температуры, то состояние такой системы часто называют состоянием с отрицательной температурой. Система, находяш,аяся в таком состоянии, может стать источником энергии, т. е. генератором. [c.12]

Иллюстрация характера поглощения и излучения средой с различной населенностью уровней приведена на рис. 2. В левой части рисунка показан процесс поглощения энергии средой с равновесной населенностью (с положительной температурой). В правой части показан процесс излучения энергии (усиления ее) средой, находящейся в состоянии с отрицательной температурой, т. е. [c.13]

Таким образом, для получения индуцированного излучения необходимо обеспечить следующие условия иметь среду, которая могла бы принимать состояние с отрицательной температурой (обеспечивать инверсную населенность уровней) [c.16]

Неравновесные состояния с отрицательной температурой возникают, нанример, в процессе релаксации ядерных спинов в кристаллах. Нри возбуждении ядер сильным магнитным полем спиновая температура T t) существенно отличается от температуры решетки и даже может стать отрицательной [52, 137]. [c.103]

Мы видим, что он положителен, если температура атомных резервуаров отрицательна. Хорошо известно, что состояние с отрицательной температурой неустойчиво и может быть реализовано только в открытой системе благодаря потоку энергии от других неравновесных систем ). [c.134]

Инверсия отношения населенности атомных энергетических уровней является типичной в таких усилительных устройствах, как мазеры. Иногда, говоря об инверсной населенности уровней, употребляют понятие отрицательной температуры, однако это скорее вопрос терминологии, поскольку инверсия отношения населенностей еще не есть состояние с отрицательной температурой. Чтобы последнее имело место, инверсия отношения населенностей должна сохраняться как состояние равновесия в (приблизительно) изолированной системе. Только в этом случае распределение Больцмана (Г.9) с отрицательной температурой в качестве параметра имеет смысл. [c.214]

Принцип действия лазера. При создании квантовы.х генераторов главной задачей является получение инверсного состояния или состояния с отрицательной температурой. [c.433]

Если вероятность перехода между уровнями 3 и 2, обусловливаемая тепловой релаксацией, значительно превышает вероятность перехода между уровнями 2 и 1, т. е. W ai, тона уровне 2 находится больше атомов, чем на уровне 1. Таким образом, мы получили состояние с отрицательной температурой относительно уровней 2 и 1. В этом случае возможно излучение с частотой Vi2. Таким же образом лазер может генерировать с частотой Vg2, если W i W32- [c.433]

Состояния с отрицательной температурой [c.276]

Задача 68. В условиях предыдущей задачи рассчитать эволюцию вероятностей W и w , если в момент t = О включается внешнее поле, вызывающее нескомпенсированные вынужденные переходы с вероятностями Рп > Р2. Рассмотреть случай достижения системой состояния с отрицательной температурой. [c.442]

Системы ядерных и электронных спинов можно привести в состояние с отрицательной температурой при помощи соответствующих радиочастотных методов в опытах по ядерному магнитному резонансу. Если эксперимент по спиновому резонансу выполняется с системой, находящейся при отрицательной температуре, то вместо резонансного поглощения будет наблю-,,даться резонансное испускание [16]. Системы с отрицательной температурой полезны в качестве радиочастотных усилителей в радиоастрономии, где требуется усиливать очень слабые сигналы. [c.86]

Следовательно, для Е > О имеем Г < О (дЗ /дЕ < 0), т. е. система не является нормальной — она находится в состоянии с отрицательной температурой. Чтобы измерить температуру такой системы, приведем ее в контакт с идеальным газовым термометром, состоящим из п молекул. Обозначая энергию газа через Ед и число состояний через Eg), получаем [c.117]

Инверсное состояние иногда называют состоянием с отрицательной температурой . Происхождение этого формального названия М0Ж1Ю объяснить, пользуясь формулой Больцмана, которая определяет относительную заселенность энергетических уровней С1кле. ы, находящейся в термодинамическом равновесии. В этом случае, как следует из (17.4), [c.382]

Отрицательные термодинамические температуры достигаются не посредством отнятия у системы всей энергии теплового движения, а, наоборот, сообщением системе энергии больше той, которая соответствует бесконечной температуре. У большинства тел это сделать невозможно, так как у них при бесконечно высокой температуре внутренняя энергия бесконечна. Такие системы не могут находиться в состояниях с отрицательной температурой, если для них уже выбрана положительная температура. Однако у некоторых систем внутренняя энергия с ростом температуры Г- оо асимптотически приближается к конечному граничному значению, а это позволяет получить состояния систем с отрицательной температурой, когда ей сообщается энергия, большая данного граничного значения. В таких состояниях система, обладая энергией, большей энергии при бесконечной температуре, имеет ультрабесконечную температуру. Но в математике нет ультрабесконечности на числовой прямой, а есть только бесконечно удаленная точка, и если мы эту точку перейдем, то будем приближаться к О К с отрицательной стороны (рис. 22) направо от нуля по числовой оси, покидая +оо, [c.137]

Таким образом, у системы ядерных спинов LiF в магнитном поле выполняются все условия существования равновесных состояний с отрицательной температурой. Перселл и Паунд перевели эту систему из состояния с положительной температурой в состояние с отрицательной температурой, направив напряженность внешнего магнитного поля против ядерных магнитных моментов. [c.117]

Как мы видели в 67, такая инверсия формально может быть описана как состояние с отрицательной температурой Г < 0. Это состояние должно быть создано и должно поддерживаться путем непрерывной или импульсной подкачки частиц на вышележащий уровень. Мы не будем останавливаться на методах осуществления этой подкач- [c.466]

К принципиально новому типу источников когерентного света относятся оптические квантовые генераторы (ОКГ), или лазеры, основанные на явлении индуцированного излучения. Принцип действия лазера заключается в том, что состояние равновесия (при котором, как правило, число атомов на основном уровне всегда несколько больше, чем на более высоком энергетическом уровне) нарушается таким образом, чтобы на уровне с большей энергией находилось больше атомов по сравнению с более низким энергетическим уровнем. Такое состояние называется состоянием с отрицательной температурой, так как оно описывается законом Больцмана, а температура имеет отрицательный Зцак при этом наблюдается потеря энергии атомами и увеличение мощности электромагнитной волны. [c.79]

Однако одновременное введение положительных и отрицательных температур может быть сделано лишь при существенном расширении классической термодинамики. Так. Паунд и Парселл в 1951 г. показали, что ядерные спины в кристалле могут быть приведены в такое метастабильное состояние, которое наиболее естественно описывается как состояние термодинамического равновесия спиновой системы при отрицательной температуре. Рамзей (1956) показал, каким образом следует изменить положения термодинамики, чтобы учесть такие случаи. Но поскольку они наблюдаются довольно редко, мы исключим их в дальнейшем из рассмотрения и не будем менять формулировку основных принципов теории. Обсуждение состояний с отрицательной температурой проводится в приложении Г. [c.42]

Проще всего подойти к понятию отрицательных температур, приняв равенство (Г.З) как определение температуры. Тогда мы можем сказать, что если внутренняя энергия может быть где-либо такой функцией энтропии, что частная производная (Г.З) оказывается отрицательной, то соответствующее состояние будет состоянием с отрицательной температурой. Чтобы система могла находиться в состоянии с отрицательной температурой, энергия системы должна быть ограничена сверху. Состояния как с наименьшей энергией так и с наибольшей энергией могут быть реализованы единственным механическим состоянием, и, следовательно, согласно принципу Больцмана (см. ГЛ. 2, 5), этим состояниям должна соответствовать нулевая энтропия. При промежуточных значениях внутренней энергии < макс энтропия 5 ( 7) ДОЛЖ а быть величиной положительной и конечной. Типичная кривая (У (8) для системы, которая может находиться в состоянии с отрицательной температурой, показана на фиг. 26. [c.210]

Определенная таким образом температура положительна или отрицательна в зависимости от того, какая из величин больше, или /ig. Поскольку Паунд и Парселл получили равновесное состояние при > Нр они осуществили в этом смысле состояние с отрицательной температурой. [c.213]

Наиболее простой способ приведения спиновой системы из состояния с положительной температурой в состояние с отрицательной температурой состоит во внезапном изменении направления магнитного поля на противоположное. Спины не успевают следовать за этим изменением и остаются поляризованными в направлении, противоположном направлению поля. Так как этот метод является существенно неквазистатическим и необратимым, он не годится для получения очень горячих отрицательных [c.394]

Аналогичным образом адра которые имеют изотоническую распространенность около 7%, можно поляризовать путем теплового смешения с системами ядер и Малая величжиа магнитного момента ж малая -распространенность ядер приводят к тому, что для иж полной поляризации достаточно одного акта смешения. Точно так же можно приготовить состояния с отрицательной температурой путем обращения вектора яамагниченностж и методом быстрого прохоящепжя до смешения. [c.151]

Более серьезная помеха для определения спиновой температуры в присутствии радиочастотного поля состоит в наличии поперечной ядерной намагниченности существование последней вытекает, например, из уравнений Блоха и несовместимо с описанием статистического поведения системы спинов при помощи представления о населенностях ее энергетических уровней и тем более температуры. Когда допускается возможность использования радиочастотного поля для приведения системы спинов в данное состояние, благоразумней воздержаться от описания ее поведения при помощи температуры , после того как радиочастотное поле включено (см., однако, гл. XII). Сразу после выключения радиочастотного поля ядерная намагниченность все еще имеет поперечную компоненту и, следовательно, как показано в гл. II, матрица плотности спиновой системы имеет отличные от нуля недиагодальные элементы. Пока существуют эти недиагональные элементы невозможно строгое описание состояния системы спинов при помощи температуры и только через время порядка времени затухания этих недиагональных элементов (Гг) можно пытаться использовать понятие спиновой температуры. Интересным исключением является случай, когда система спинов подвергается действию 180°-импульса или быстрому прохождению, к концу которого нет поперечной компоненты намагниченности, а продольная намагниченность антипараллельна приложенному полю. Этот случай соответствует состоянию, когда верхний энергетический уровень населен больше, чем нижний, и, согласно определению (У.2), должен быть описан при помощи отрицательной спиновой температуры. Следует подчеркнуть, что отрицательной температуре соответствует не более холодное , а более горячее состояние, поскольку для того чтобы привести систему спинов с бесконечной температурой в состояние с отрицательной температурой, нужно сообщить ей дополнительную энергию. [c.135]

Таким образом, система, находящаяся в равновесном состоянии, никогда не может иметь отрицательной температуры. Однако се можно создать в некоторых неравновесных процессах. Предположим, что спины ориентированы магнитным полем, а затем направление поля быстро меняется. Если спины не усповают следовать за изменением магнитного поля, то при новом направлении поля число спинов на более высоких зеемановских уровнях будет больше, чем число спинов на более низких уровнях. Если это распределение является каноническим, то температура должна быть отрицательной. Следовательно, изменение направления магнитного поля переводит спиновую систему в состояние с отрицательной температурой. Другим степеням свободы системы должна соответствовать прежняя положительная температура. Если спиновая система не взаимодействует с другими степенями свободы, то она останется в состоянии с отрицательной температурой. В действительности между ними всегда существует некоторое взаимодействие, в результате чего спиновая система переходит в новое равновесное состояние, а температура в конце концов принимает положительное значение. Более удобно температуру характеризовать обратной величиной ЦТ. Тогда при непрерывном возрастании обратных отрицательных температур они переходят в положительные тем- [c.166]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...