Большая Советская Энциклопедия.

Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Отрицательная температура

Отрицательная температура (далее О)отрицательная абсолютная температура, величина, вводимая для описания неравновесных состояний квантовой системы, в которых более высокие уровни энергии более населены, чем нижние. В равновесном состоянии вероятность иметь энергию En определяется формулой:

.      (1)

Здесь Ei - уровни энергии системы, k - Больцмана постоянная, Т - абсолютная температура, характеризующая среднюю энергию равновесной системы = (nEn), Из (1) видно, что при Т > 0 нижние уровни энергии более населены частицами, чем верхние. Если система под влиянием внешних воздействий переходит в неравновесное состояние, характеризующееся большей населенностью верхних уровней по сравнению с нижними, то формально можно воспользоваться формулой (1), положив в ней Т < 0. Однако понятие Отрицательная температура применимо только к квантовым системам, обладающим конечным числом уровней, так как для создания Отрицательная температура для пары уровней необходимо затратить определенную энергию.

  В термодинамике абсолютная температура Т определяется через обратную величину 1/Т, равную производной энтропии по средней энергии системы при постоянстве остальных параметров х:

.  (2)

Из (2) следует, что Отрицательная температура означает убывание энтропии с ростом средней энергии. Однако Отрицательная температура вводится для описания неравновесных состояний, к которым применение законов равновесной термодинамики носит условный характер.

  Пример системы с Отрицательная температура- система ядерных спинов в находящемся в поле, очень слабо взаимодействующих с тепловыми колебаниями кристаллической решетки, то есть практически изолированной от теплового движения. Время установления теплового равновесия спинов с решеткой измеряется десятками минут. В течение этого времени система ядерных спинов может находиться в состоянии с Отрицательная температура, в которое она перешла под внешним воздействием.

  В более узком смысле Отрицательная температура- характеристика степени инверсии населенностей двух выбранных уровней энергии квантовой системы. В случае термодинамического равновесия населенности 1 и 2 уровней E1 и E2 (E1 < E2), т. е. средние числа частиц в этих состояниях связаны формулой Больцмана:

,  (3)

где Т - абсолютная температура вещества. Из (3) следует, что 2 < 1. Если нарушить равновесие системы, например воздействовать на систему монохроматическим электромагнитным излучением, частота которого близка к частоте перехода между уровнями: w21 = (E2 - E1)/ и отличается от частот других переходов, то можно получить состояние, при котором населенность верхнего уровня выше нижнего 2 > 1. Если условно применить формулу Больцмана к случаю такого неравновесного состояния, то по отношению к паре энергетических уровней E1 и E2 можно ввести Отрицательная температура по формуле:

. (4)

Несмотря на формальный характер этого определения, оно оказывается в ряде случаев удобным, например позволяет описывать флуктуации в равновесных и неравновесных системах с Отрицательная температура аналогичными формулами. Понятием Отрицательная температура пользуются в квантовой электронике для удобства описания процессов усиления и генерации в средах с инверсией населенности.

  Лит.: см. при статьях Квантовая электроника, Квантовый усилитель.

  Д. Н. Зубарев.


Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 21.08.2017 07:31:26


07:28 В Исландии автомобиль въехал в здание аэропорта
07:01 Названы сроки коллапса человеческой цивилизации
06:40 Американский блогер сравнил ожидания с реальностью
06:38 В Москве объявлен «желтый» уровень погодной опасности
06:16 Несуществующий дагестанский судья взыскал с Hyundai 18 миллионов рублей
05:24 Российские ВКС ликвидировали в Сирии более 200 боевиков ИГ