-
MATERIAREN EGOERABEREZIA:HELIO SUPERFLUIDOAJose Antonio
Legarreta
Txikitan ikasi eta egunero ikusten dugunez, materiak
hiruagregazio-egoera dituela ziurta daiteke: solido-egoera,
likido-egoera eta gas-egoera, bakoitzak berezko
ezaugarriakdauzkalarik. Izan ere, eguneroko bizitzan ez omen da
materiaren
beste egoerarik ezagutzen.Guzti hau luzaro eguneroko
esperientziarekin bat etorri badaere, triologian hutsen bat agertu
zen, hala nola, ore-egoera
izenaz ezagutzen dena. Beronek ez dauka solidoen zurruntasunaeta
ezta lidikoen fluidotasuna ere; bion bitarteko ezaugarriakagertzen
bait ditu. Agregazio-egoeren triologia zalantzatan
jarrita ere, inor ez zen ikergai honetaz arduratu.
Materiaren hiru agregazio-egoera arrunten diagrama. Bertan
batetik bestera iragateko eginbehar diren prozesuen izenak ematen
dira. Materia arruntean tenperatura jaitsiz edo igozegoera batetik
bestera pasatzen da. Tenperatura hartuz kristaltzea, solidotzea eta
kondentsa-zio deitutako prozesuak gertatzen dira. Berotuz ordea,
sublimazioa, fusioa eta lurrinketa.
Teknikak hobetuz, ikerlariek ten-peratura handitan lan egiteko
aukera izanzuten eta ioi-egoera aurkitu zuten, plas-ma izeneko
bigarren gas-egoera ekarrizutelarik. Honen ostean
astronomoek,neutroizko izarren aurkkundearekinbatera bigarren
solido-egoera ekarrizuten; materia hiperdentsu deitutakoa.
Oso tenperatura txikietan lan egitekoahalmenak, bigarren
likido-egoera eka-rri zuen; egoera superfluido deritzona.Beronek
likido-egoeraren legerik tin-koenak desafiatzen ditu, bere
interpreta-zioa (atomo-mailan barne) oso zaila etaeztabaidatua
delarik.
Lantxo honetan helioaren egoera
superfluidoaz arituko gara, fisikariekaurkitua duten
superfluidorik arraroenadelako.
HELIOARENEZAUGARRIAK
Astronomoek eguzkian aurkitu zu-ten eta geroago atmosferako gas
urrie-nen artean identifikatua izan zen. At-mosferan aurki
daitekeen helioa 4
2He da
gehienbat, 32He isotopoa %10-7-ko port-
zentaian agertzen delarik.
1.868. urtean espektografoari eskereguzkiaren atmosferan helioa
aurkituzen. Lurrean mineral jakin batzuk bero-tuz lortu ahal izan
zen. Gas naturalarenhobien ustiakuntza heldu arte,
helioarenekoizpena oso urria zen, baina
nahikoalaborategi-beharretarako.
Atomo-mailan, hidrogenoaren os-tean helioarena oso sinplea bada
ere (bi
SOLIDOA
LIKIDOA GASA
SolidotzeaFusioa
Kristaltzea
Lurrinketa
Kondentsazioa
Sublimazioa
-
Helio superfluidodun bainura ontzi porotsua sartzen denean:1)
Superfluidoa ontzi porotsuaren hormatik sartu egiten da, harik eta
barruko superfluidoa eta kanpokoa altuera berean egon arte.2)
Erresistentzia elektriko baten bidez aldiuneko korronte elektrikoa
sortuko bagenu, beroketak barruko superfluidoari eragingo lioke,
kanpokosuperfluidoa tenperatur aldaketa anulatzeko ontziaren
barrura sartuko litzatekeelarik.3) Ontziaren kanpotik barruranzko
superfluido–fluxua dela eta, superfluido-zirristada sortzen da.
protoi, bi neutroi, bi elektroi), lehen esandugunez jokaerarik
arraroena hartzenduen superfluidoa da.
HELIO SUPERFLUIDOA
1900. urte inguruan, ezagutzen zi-ren gas guztiak likidotzeari
ekin ziotenikerlariek.
Jakina denez, edozein gas likidotueta solidotu daiteke,
baldintza egokietantenperatura jakin bateraino hoztuz gero.Eta are
gehiago, gasa zenbat eta presiohandiagoan jarri,
likidotze-tenperaturagero eta handiagoa da. Esaterako, pro-panoa
eta butanoa botila batean konpri-maketa hutsez giro-tenperaturan
izandaitezke likidotuak. Hortaz, gas bat liki-dotzerakoan presioaz
nahiz tenperatu-raz balia gaitezke geure xedea lortzeko.
Praktikan oso presio txikian laneginda ere, gas gehienen
likidotzeak osotenperatura txikiak eskatzen ditu, zeroabsolutua
(-273,16°C = OK) muga iza-ten delarik. Izan ere,
egurats-presioan
oxigenoak -218°C-ko tenperatura behardu, nitrogenoak -210°C,
kloroak -101°Ceta neonak -248°C. Beste zenbait gasenlikidotzeak
zailtasun handia agertu zuenarren, denboraren denboraz eta batez
ereteknikaren aurrerapenak zirela eta, gasguztien likidotzea lortuz
joan zen.Aipaturiko zailtasuna agertzen zuengasetako bat,
hidrogenoa zen; berelikidotze-tenperatura (-260°C) oso txi-kia bait
da. Beraz, hidrogenoarenlikidotze-tenperatura zero absolututikoso
hurbil dagoela eta, oso zail gertatuzitzaien ikerlariei bera
likidotzea, JamesDewar-ek 1892.ean lortu zuelarik.
Denok dakigunez, molekulak geldi-geldi daudenean (hau da,
higiduramolekularrik ez dagoenean) energiazinetikoak eta beraz
tenperaturak zerobalioa hartzen dute. Zero absolutuan ezdago
higidura molekularrik. Beraz, ino-lako molekulak ezin du zero
abso-lutupeko egoerarik lortu.
Hau horrela delarik, lantxo honenhasieran esana dugunez
helioaren ka-suan kokatuko gara. 1900.ean gas guz-
tiak, helioa izan ezik, likidotuak izanziren. Helioa likidotzeko
bide guztiakjorratu zirelarik ere, alde batetik ezinzela likidotu
eta are gutxiago solidotu,eta bestetik soil-soilik gas-egoeran
egonzitekeela pentsatu zuten horretan arituziren ikerlariek,
presioak eta tenperatu-rak edozein balio hartuta ere.
Berez, lehenengo baieztapena zuze-na da, zeren hozketa hutsez
helioa ezinbait da solidotu. Eta bigarren baieztape-nari
dagokionez, ez dela gas iraunkorraesan behar da, baina bai
likidotzen zaile-na. Helioaren likidotzea KammerlingOnnes holandar
fisikariak 1908an lortuzuen. Beraz, gas guztiak likidotu
zitez-keen, tenperatura baxutan lan egiteakeskatzen zuena ordainduz
gero. Aurki-kunde honek helio likidoaren ezauga-rriak ikastera
bultzatu zituen ikerlariak.Ezaugarriok ikertzen hasi zirenetik
las-ter oso harrigarriak zirela ikusi zuten,beraren jokaera
esplikatu ezin zutelarik.
Hasteko, 42He-aren likidotze-tenpe-
ratura presio normalean (1 atm) eza-gutzen denik txikiena da:
-268,82°C
-
(4,18K), hots, zero absolutuaren gai-netik lauren bat gradu
zentigradutan.3
2He-ari dagokionez, likidotze-ten-
peratura txikiagoa da: -270°C (3,2K).Tenperatura guztiz
txikiagotu arren,0,001K-eraino esaterako, giro-pre-siopean ezin
dira helioaren isotopo bioksolidotu.
Esandako tenperaturetan lortutakolikidoek likido guztien
ezaugarriakdauzkate, baina tenperatura txikiagotuzgero, biak
superfluido-egoerara iristendira. 3He-ak 0,001K tenperaturan
lort-zen du superfluido-egoera. 4He-aridagokionez 2,17 K
tenperaturan lortzendu bere superfluido-egoera. Gaur egunhain
tenperatura txikiak lortu eta luzaromantentzeko tresna egokiak,
finlandia-rrek dauzkate. Ondoko lerroetan helioa-ren 4 pisu
atomikoko isotopoaren ezau-garriez arituko gara bereziki;
berakagertzen bait ditu ezaugarririk berezie-nak.
Helioaren isotopo honek 4,18Ktenperaturan sortzen duen
likidoari, He1 deritzo. Lehenago esana denez, tenpe-ratura
txikiagotuz gero 2,17K tenpera-turaren inguruan He-ak
transformaziobitxia jasaten du, ezaugarri fisikoenaldaketa
gertatzen zaiolarik. Transfor-mazio honek solidoketa dirudien
arren,likido izaten jarraitzen du. 2,17K tenpe-ratura lortuz gero,
4He-ak superfluido-egoera hartzen du eta era berri honi He
IIderitzo.
Zeintzuk dira Helio IIaren bere-zitasunak?
HORMATIK GORA
Biskositatea fluido guztien propie-tatea da; bai gasena eta bai
likidoena.Biskositateak fluidoaren barne-marrus-kadura adierazten
du, zeinak higidurabaten efektuak, fluidoan zehar, higi-duraren
norabide elkartzutean transmi-titzen bait ditu. Unitatea poisea (P)
da.
Uraren biskositatea 25°C-tan 0,01P-koa da. Likido oretsuek oso
biskositatehandia daukate eta beirek infinitua.Gasek, ostera, oso
biskositate txikiadaukate. Helio superfluidoak ez
daukabiskositaterik, hau da, guztiz fluidoa da(fluido
perfektua).
Adibidez, olio-tanta bat ur-tanta batbaino astiroago irristatzen
da kristalbatean behera. Hortaz, olioak urak bai-no biskositate
handiagoa dauka. Bainahelio superfluidoa ezagutzen den edo-zein
likido normal baino askoz azkarra-go jaisten da. Airean altuera
jakin bate-tik eroritako berunezko bola bat bezainazkar irristatuko
litzateke helio super-fluidozko tanta bat kristalean behera.
Alderantziz, likido normaletan ezbezala helio superfluidoaren
barruan
higitzen den edozein objektuk ez duinongo marruskadurarik
topatzen.
Fluidoen mekanikaren lege batenarabera, fluido bat higitzen ari
denekodiametroa zenbat eta handiagoa izan,gero eta azkarrago
jariatzen da. He II-ak, aldiz, guztiz kontrako jokaera hartzendu;
diametro txikidun hodietan azkarra-go higitzen da handidunetan
baino.Jokaera honek ondorengo esperimentubitxi honetan garamatza:
esmaltatugabeko zeramikazko pitxer bat helio
superfluidoz beteko bagenu, hormanzehar oso azkar alde egingo
luke. Ura,berriz, pitxerraren barruan gelditukolitzateke. Beraz, He
II-a hain da fluidoperfektua, ezen erretako lurraren
poromikroskopikoetatik iragaten bait da.
Baina, ontzi porogabean gordekobagenu, zer gertatuko litzateke?
Pentsaliteke He II-a bertan geldituko litza-tekeela, hots, ez
lukeela alde egingo,pororik ez dagoelako. Baina, ez da hori
gertatzen; ontziaren barruko hormatikigotzen hasten da eta
kanpoko hormatikjaisten da, molekula bakoitzak murrubat eskalatuz
alde egingo balu bezala.Prozesuak ontzia hustu arte dirau. Pro-zesu
hau ez luke inongo likido normalekburutuko; alde batetik,
biskositateaklikidoaren xaflen desplazamendu kapi-larra galerazten
bait du eta gainazal-tentsioa dela bide likidoak ahalik etabolumen
txikiena betetzeko joera dauka,eta bestetik, grabitate-indarra
gainditubeharko luke kanpotik energiarik jaso
A) Mahai biragarri baten bidez ontzia bira-razten badugu, biratu
beharrean geldi-geldiksegitzen du. Izan ere, superfluido honek
ezdauka biskositaterik eta ez du hormetanmarruskadurarik.
Beraiekiko inolako ukipe-nik ez baleuka bezala jokatzen du.
B) Astronomi koordenatuak finkatzeko ba-lio duten izarrekiko ere
geldi-geldik segitzendu. Ontziak biratzen du Lurrarekin
batera,helio superfluidoa erabat geldi egonik.
A)
B)
-
geruza bat barne-hormatik igotzen has-ten da, zeharo estaliz.
Ontziko ertzerahelduta, kanpo-hormatik jaisten hastenda. Une
honetan kanpoko geruzak, gra-bitatearen eraginpean, barruko
geruza-tik tiratzen du, ontzia husten delarik.Hortaz, prozesuan
lehen esandako liki-do normalen oztopoak gainditzen dituHe
II-ak.
BIRATZERIK EZ ZAIOGUSTATZEN
Ontzi batean ura edo beste edozeinlikido normal ipintzen badugu
eta ontziabertikala zein horizontalaren inguruanbirarazten badugu,
ura ere biraketa-ardatzaren inguruan hasiko da biratzeneta indar
zentrifugoaren kariazzurrunbilo bat sortuko da ardatzareninguruan.
Hau ez da helio II-arekingertatzen: He II-z betetako ontzia
nora-bide bertikala edo beste edozein norabi-deren inguruan
biraraziko bagenu, su-perfluidoak geldi-geldi segituko luke.Are
gehiago, laborategiarekiko ezezik,izar geldiekiko ere ez da
higitzen, labo-
Helio superfluidoak biskositaterikez daukanez, ez du
atxekidurarik etaezta ontziaren hormekiko desplazamen-duaren
kontrako erresistentzi indarrikere, hau da, ontziak helio
superfluidoarieragiten ez dionez, inertzi printzipioabetetzen du.
Lehendabizi, ikus dezagunprintzipio honek zer dioen:
inolakoindarren eraginik gabe dagoen puntumaterial bat geldirik
dago edo higidurazuzen uniformez higitzen da. Printzpiohonen
ondorioz inertzia izeneko mate-riaren propietatea daukagu.
Propietatehonek adierazten duenez, gorputz batekezin du bere
higidurazko edo pausagu-nezko egoera berez aldatu. Helio
super-fluidoari marruskaduraz inongo kanpo-indarrik transmititzen
ez zaionez, inertziprintzipioaren arabera geldirik segitzendu He
II-ak, ontzia higitzen hasitakoan.
Bestalde helio superfluidoa higieraziko bagenu, inertzi
printzipioarenarabera higidura zuzen uniformez higitubeharko luke,
lehentxeago esana denezdesplazamenduaren aurkako erre-sistentzi
indarrik ez dagoelako. Baiez-tapen hau hurrengo esperimentuaz
fro-ga daiteke: hodi luze eta itxiaren barruan
He II-a higi erazten denetik aurrerantzetengabe higituko da
hodian barne-korronte iraunkorra burutuz, korronteelektriko
iraunkorrak supereroaletanhigitzen diren bezalaxe.
BEROAREKIKOJOKAERA
Gorputz baten barrena beroa errazhedatzen denean, bero-eroale
ona delaesaten da. Aitzitik, nekez hedatzendenean bero-eroale
txarra da. Beraz,gorputz batek beroa erraz eroaten due-nean
bero-eroankortasun handia dauka.Bero-eroankortasuna gorputz
batekberoa nola eramaten duen adieraztendigun propietatea da.
Fluidoetan molekula bakoitza pun-tu batetik bestera joan
daiteke, hau da,higitu egiten da. Higidura horren bidezhedatzen da
beroa fluidoan zehar.
Likido normal bat bero-iturri bateneraginpean jartzen denean,
likidoarenedozein puntu bero-iturritik zenbat etahurbilago egon
hainbat eta beroago dago,hau da, likidoa lokalki berotzen da.Beraz,
likidoaren barruan tenperaturdiferentziak sortzen dira. Punturik
be-roenetatik punturik hotzenetara heda-tzen da beroa, eta puntu
arteko tenperaturdiferentzia zenbat eta handiagoa izan,are eta
lasterrago gainera.
Helio superfluidoak beroaren au-rrean ez du lehen esan eran
jokatzen.Alde batetik, bere bero-eroankortasunainfinitu bide da,
eta berau gero eta han-diagoa da, puntu arteko tenperatur
dife-rentzia zenbat eta txikiagoa izan. Beste-tik, helio
superfluidoaren hondoan pun-tu berorik sortzen ez denez, ez du
iraki-ten. Hala ere, berotu orduko lurrinduegiten da, baina
lurrinketa gainazaleangertatzen da, gainerantzeko fluidoa
ten-peratura berean gelditzen delarik. Prak-tikan, beraz,
bero-supereroale bezalaagertzen da, hots, tenperatur
desberdin-tasun txikirik gertatuz gero ere, beroaberehala hedatzen
da likidoan zehar.Horregatik lokalki berotzea edo hozteaia
ezinezkoa da. Beraz, likidoaren bar-nean ezin da tenperatur
desberdintasu-nik sortu.
Helio superfluidoan zehar beroa nolahedatzen den jakiteko,
ondorengo espe-
gabe. Hemen termodinamikarenbigarren printzipioa sartzen da:
berekabuz utziriko sistemak energia galduegiten du beti,
desordenarik handienekoegoerara abiatuz.
Hau horrela delarik, aipaturiko era-gozpen guztiak
(biskositatea, gainazal–tentsioa, grabitate-indarra eta
termodi-namikaren bigarren printzipioa) gain-ditzen ditu He II-ak.
Prozesua, gutxigorabehera, honelaxe suertatuko litza-teke:
superfluidoaren lodiera txikiko
rategiak berak Lurrarekin batera Espa-zioan biratu bitartean.
Superfluidoa,beraz, astronomian erreferentziatzathartzen diren
norabide finkoekiko era-bat geldirik dago. Ontziaren
higiduraedozein norabideren ingurukoa (noski,biraketa eta
translazio motelak hartzendira kontutan eta ez astindu edo
ontziairauli) izanda ere, ezaugarri hau betet-zen du He-ak.
Esperimentu honetan HeII-a erreferentzia egonkorra da ontzia-ren
higidura guztiekiko eta ziba giros-kopikoa bezala portatzen da.
Biraketa-ardatzaren in-guruan zurrunbiloa sortubeharrean (likido
nor-maletan hori gertatzen da),helio superfluidoak dis-tantzikide
dauden zurrun-bilo txiki batzuen ingu-ruan biratzen du.
-
rimentua asmatu zen: helio super-fluidozko bainu batean ontzi
poroduneta lepo estuduna sartzen bada, heliosuperfluidoa poroetatik
sartzen da ont-zira, kanpoko eta barruko altuera bereandaudenean
sartze-prozesua amaitutzatematen delarik. Ondoren
erresistentziaelektriko batez ontziaren barrukoa bero-tuko bagenu,
ontzia inguratzen duensuperfluidoa horman zehar sartuko lit-zateke,
barrukoa hoztu eta tenperaturoreka mantentzeko. Ontzira sartzen
denhelio-kantitatearen ondorioz, ontziarenlepotik helio-zirristada
handia irteten damasa-desberdintasuna ezabatzeko.
Ikerlariek esperimentu hau berregindute, erresistentzia
elektriko baten bi-dezko bapateko beroaldi laburrak sor-tuz.
Beroaldi hauen ondorioz beroauhinen antzera hedatzen da masa
liki-
doan zehar. Uhin hauei oihartzun sekun-dario deritze. Beroa
hedatzeko era hau,ez da beste inongo materi egoeratanbetetzen.
ONDORIO GISA
Besteak beste, 4He-arekin burututakoesperimentu guztiak
3He-arekin ere eginlitezke, baina tenperatura hotzagotan lanegin
beharko litzateke; 0,001Ktenperaturaren inguruan hain zuzen. 3He–ak
oso propietate harrigarriak agertzenditu: presio jakin batzuen
eraginpeansolidotua izan daiteke, baina ez hoztuz;berotuz baizik.
Gainera 3He superfluidoamagnetikoa da, burdina edo nikelabezala,
eta burututako esperimentuek bimota daudela frogatzen dute: 3A eta
3B.3A Helioak (imantazio handiagoa dauka)
duen dentsitatea kalkulatzea oso zailada, aldakorra delako.
Superfluidoa ze-harkatzen duen eremu magnetikoarenarabera aldatzen
da dentsitatea.
Amaitzeko, egoera superfluidoazeharo interesatzen zaie
astronomoei;neutroizko izarren jokabidea esplika-tzen bait die.
Berauetan neutroi-geruzabat dago eta ez da ez solidoa, ez
likidoaeta ezta gaseosoa ere; superfluidoa bai-zik. Hortaz,
laborategi krioskopikoetanburutzen ari diren ikerlanek,
materiakinolako eraginik jasaten ez duen zerualdera
garamatzate.
Helio superfluidoa buztinezko ontzi baten barrura sartu eta
laster, mahai gainean zehar sakabanatuta ikusten da, ontzia
pitzatua balego bezala.Kristalezko ontzia edo metalikoa
erabiltzekotan, helio superfluidoa hormaren barruko azalean gora
igotzen da, eta ontziarenertzera heldutakoan, hormaren kanpoko
azaletik jaisten da, pixkanaka-pixkanaka ontzia hustu eta
superfluidoa mahai gaineansakabanatzen delarik.