تكاثف بوز أنشتاين Bose Einstein Condation

فكرة تكاثف بوز آينشتاين

عرفت فكرة تكاثف حينما تنبأ بها كل من الفيزيائي الهندي  ساتيندرا ناث بوز سنة 1924 وألبرت أينشتاين بين عامي 1924 و1925، وأثبت بالتجربة سنة 1995 أي بعد 70 عاماً من التكهن بوجود هذه الظاهرة. لا نستطيع طبعا بلوغ هذه الحالة إلا أن الباحثين تمكنوا من الوصول إلى درجة قريبة جداً منها تدعى: الدرجات النانوكلفنية (من نانوكلفن أي واحد على مليار من الدرجة فوق الصفر المطلق)، وعندها تنشأ حالة جديدة من المادة تدعى تكاثف بوزه – آينشتاين.

 فما هو تكاثف بوز اينشتاين:

تكثافة بوز- آينشتاين   Bose Einstein Condition  ويرمز له (BEC) : هو حالة الخامسة من حالات المادة يكون فيها الغاز مائع للغاية وبدرجة لزوجة صفرية, ومكون من بوزونات حيث يتم تبريده إلى درجة حرارة قريبة جداً من الصفر المطلق (أي قريبة جداً من 0 K كلفن أو -273,15 درجة مئوية). وتدعى بالدرجات النانوكلفانية, في ظل هذه الظروف حينما تقترب درجة الحرارة من درجة الصفر المطلق تصبح حركة الذرات بالنسبة لبعضها البعض شبه معدومة، كما أنها لا تمتلك أي طاقة.

   عند هذه النقطة تبدأ الذرات في التجمع مع بعضها البعض وتدخل في نفس حالة الطاقة. تصبح كل الذرات متماثلة تماماً من وجهة نظر فيزيائية، وكل المجموعة تسلك سلوك ذرة واحدة. من الجدير بالذكر أن هذه الحالة الغازية تتشكل عن طريق التبريد غاز إلى كثافة منخفضة للغاية، تصل إلى مائة في الألف كثافة من الهواء العادي[1]، لدرجات حرارة منخفضة للغاية. وتوقعت هذه الحالة لأول مرة، بشكل عام، في 1924-1925 من قبل ساتيندرا ناث بوز وألبرت أينشتاين .

ما هي الظواهر التي يمكن أن يتمثل فيها تكاثف بوز- أنشتاين؟

يرتبط تكاثف بوز- آينشتاين بظاهرتين فيزيائتين تحدث بدرجات الحرارة فائقة البرودة.

والظاهرتين هما

الظاهرة الأولى- الميوعة الفائقة Super fluidity، والتي تقوم فيها نظري الهيليوم (He³, He⁴) بتشكيل سائل يستطيع التدفق بدون أي احتكاك عند هبوط درجة حرارتها إلى الدرجات الدنياً جداً.

الظاهرة الثانية- الموصيلية الفائقة[2] Superconductivity، وتسمح هذه الظاهرة عند حدوثها بجريان الإلكترونات عبر المادة بدون أي مقاومةٍ كهربائية لها.

    في مفهوم الجسيمات الدون ذرية يعد نظير الهيليوم ذرات He⁴ بوزونات( تتألّف نواته من بروتونين ونيوترونين اثنين)، هو النظير الطبيعي الأكثر وفرةً حيث أن 99,99986% من عنصر الهيليوم في الطبيعة.

ويعد نظير الهليليوم ذرات He³ فرميونات. علماً أن للهيليوم تسع نظائر, والنظيران الانفا الذكر  هما النظيران الوحيدان الذين يمتلكان حالة الأستقرار من بين نظائر الهيليوم, وأما بقية النظائر المشعة فتكون قصيرة العمر، أطولها هو ⁶He بعمر نصف مقداره 806,7 ميلي ثانية، أما أقصرها أمداً فهو النظير ⁵He بعمر نصف مقداره 7,6×10⁻²² ثانية.

 إلا أنه يمكن لها أن تصبح بحالة تكاثف بوز-آينشتاين إذا تم جعل كل زوج من ذرات He³ يمتلك قيماً متعاكسة للسبين، بحيث تصبح القيمة الكلية للسبين مساوية للصفر، أي أن الزوج يشبه شبيهاً بالبوزونات، من حيث امتلاكة لقيمة موجبة صحيحة للسببين. وفي عام 2003، تمكنت "ديبورا جين" من استخدام أزواج الفرميونات من أجل تشكيل أول تكاثف فرميوني يتبع لحالة تكاثف

درجة الحرارة الحرجة: يحدث هذا التحول إلى BEC أقل من درجة الحرارة الحرجة، والتي لموحد ثلاثي الأبعاد  يعطى الغاز يتكون من جسيمات غير متفاعلة مع عدم وجود درجة الداخلية واضحة من الحرية من قبل:

اكتشف الفيزيائي الروسي پيوتر كاپيتسا Peter Kapitza، الميوعة الفائقة عام 1937م. وقد حاز جائزة نوبل في الفيزياء عام 1978م لأ بحاثه في فيزياء الحرارة المنخفضة.

تجربة تمييع الهيليوم

تمكّن كمرلنش أونس Kamerlingh Ones عام 1908 من تمييع الهيليوم ، وهو النظير الأكثر وفرة في الطبيعة مقارنة بنظيره الخفيف الهليوم . لكن ظاهرة السيولة الفائقة لم تكتشف إلا عام 1937 على يد العالم الروسي بيتر كابتزا Peter Kapitza، وتلاه في العام التالي العالم البريطاني جون فرانك ألن John Frank Allen.

فقد اكتشفا انخفاضاً واضحاً في تيارات الحمل الحرارية وناقلية حرارية عالية جداً، وجرياناً فائقاً عبر أنابيب شعرية بما يعرف باسم النافورة، وسلوكاً غريباً للأغشية عند جدران الأوعية الحاوية للهليوم السائل، عند درجة حرارة محددة 2,17 مطلقة، وما دونها.

 فقالا بوجود طور مميز للهيليوم يتصف بلزوجة معدومة، يرمز له بالهيليوم II تمييزاً له من الهليوم العادي ذي اللزوجة المحدودة، الذي يرمز له بالهيليوم I.

 حصل العلماء بعدئذ على ما يكفي من الهليوم ، فحاولوا تقصي مثل هذا السلوك فيه دون جدوى حتى حلول عام 1972 حين حدد ظهور الطور الفائق له عند درجة تقارب 2,7 ميلي درجة مطلقة، مع أن درجة حرارة تميعه قرابة 3,2 درجة مطلقة.

تتغير الحرارة النوعية للهليوم بتغير درجة الحرارة عند الانتقال الطوري فتأخذ شكلاً يشبه شكل الحرف اليوناني λ لذلك تدعى نقطة الانتقال النقطة لمدا، وقد لاحظ العالم الأمريكي (من أصل ألماني) فرتز لندن Fritz London تشابه التغير مع نتائج حسابات إحصائية معتمدة على ميكانيك الكم لنوع من الجسيمات تدعى البوزونات عندما تتكاثف عند درجة حرارة محددة، فبين أن هذه الظاهرة ذات أصل كمومي.

مفعول النافورة: إن وجود فارق في درجة الحرارة بين طرفي مرشح مسامي يولد فرقاً في الضغط وبالتالي تدفقاً نفاثاً للهيليوم فائق السيولة غطي أغشية فائقة السيولة .لا تزيد سماكتها على بضع عشرات من النانومترات. جدران الوعاء الداخلي، إلا أنها تنساب بسرعة فائقة حتى تصبح سوية السائل في الوعاءين واحدة

تغير درجة الحرارة النوعية للهليوم بدلالة درجة الحرارة مقدرة بالكلفن

---

[1]

[2] الموصلية الفائقة في الفيزياء هي ظاهرة تحدث في بعض المواد عند تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة جدا تقترب من الصفر المطلق (صفر كلفن) ، حيث تسمح الموصلات الفائقة بمرور الكهرباء خلالها دون أي مقاومة كهربية تقريباً.

[3]