dopoledne - Přednáška dr. Remeše o fyzice elementárních
částic
.................- Počítačová farma
odpoledne - Supravodivost a levitace
.
dopoledne
Přednáška dr. Remeše o fyzice elementárních částic
Z experimentů víme, že kvarky a elektrony jsou menší než 10-18 metru; je možné,
že vůbec nemají konečnou velikost (fyzikové říkají takovým objektům "bodové").
Na druhé straně není ani vyloučeno, že kvarky a elektrony nejsou fundamentální
a skládají se z ještě menších částic.
Atomy se skládají z protonů, neutronů a elektronů. Protony a neutrony se skládají
z kvarků a je možné, že ty jsou složeny z ještě jednodušších částic...
Kdybychom si vytviřili model atomu ve správném měřítku, přičemž protony a neutrony
by na něm měly průměr 1 centimetr, pak by elektrony a kvarky měly menší průměr
než lidský vlas a atom jako celek by měl průměr větší než 30 fotbalových hřišť
na délku. Všechny částice (protony, neutrony, kvarky a elektrony) jsou ve skutečnosti
neustále v pohybu.
Kvarky
Existuje šest typů kvarků, které lze podle fyzikálních vlastností uspořádat
do tří párů: u/d (z anglického up/down), c/s (charm/strange - pro tento pár
se používá i české pojmenování půvabný/podivný) a t/b (top/bottom). Ke každému
kvarku existuje odpovídající kvark z antihmoty antikvark.
Kvarky mají nanejvýš neobvyklou vlastnost - nesou "neceločíselný"
(vyjádřeno v jednotkách náboje protonu) elektrický náboj 2/3 nebo -1/3 (náboj
elektronu je v těchto jednotkách -1 a náboj protonu, pochopitelně, 1). Všechny
běžné částice mají při tom náboj celočíselný. Kvarky nesou i další typ náboje
nazývaný barevný.
Leptony
Existuje šest typů leptonů, z nichž tři nesou elektrický náboj a tři jsou elektricky
neutrální. Nejznámějším nabitým leptonem je elektron (e). Další dva leptony
s nábojem jsou mion a lepton tau; jsou to prakticky kopie elektronu,
pouze jejich hmotnost je mnohem vyšší. Všechny nabité leptony nesou záporný
náboj. Ilustrace přirovnávající nabité leptony k osamoceným kočkovitým šelmám
a lehká neutrina k blechám
Zbývající tři typy leptonů jsou velmi obtížně pozorovatelné (protože jejich
vzájemné silové působení s jinými částicemi je nesmírně slabé) neutrina. Mají
nulový elektrický náboj a velmi malou - pokud vůbec nějakou - hmotnost. Každý
ze tří typů nabitých leptonů má "své" neutrino.
Ke každému z šestice leptonů existuje partner z antihmoty (antilepton), který
má stejnou hmotnost a náboj opačného znaménka (antineutrina mají pochopitelně
nulový náboj, ale nejsou totožná s neutriny - pozná se to třeba podle toho,
že neutrina interagují s jinými částicemi než antineutrina).
Leptony mohou existovat samostatně, nezávisle na dalších částicích. Tím se liší
od kvarků, které se vyskytují pouze ve skupinách.
V současné době nic nenasvědčuje tomu, že by leptony měly nějakou vnitřní strukturu
nebo konečnou velikost.
Počítačová farma
Experimentální trasa Praha-CERN pro potřeby výzkumu fyziky elementárních částic
Pro potřeby Fyzikálního ústavu Mazanka byl zřízen okruh o plné GE kapacitě z
Prahy do střediska CERN v Ženevě. Okruh je využíván především pro experimenty
na LHC (Large Hadron Collider) v CERN (plánované spuštění v roce 2007) zahrnující
rozsáhlé počítačové simulace činnosti detektoru. FZU spolupracuje na dvou experimentech
na LHC - ATLAS a ALICE. Pro oba experimenty jsme se v rámci oficiálních kampaní
- tzv. Data Challenge - zúčastnili rozsáhlých simulací pomocí lokální výpočetní
farmy Goliáš. Typická simulační úloha trvá asi 1 den a pro jeden simulační požadavek
se jich zadává několik set. Výsledkem každé úlohy je několik souborů, z nichž
se jeden o typické velikosti 200 MB kopíruje do CERN. Celkem bylo v roce 2003
zkopírováno do CERN asi 2 TB dat.
S rozvojem automatizace spouštění a monitorování simulačních úloh a manipulace
se soubory, který je výsledkem CERN projektu LCG (LHC Computing Grid), bude
v roce 2004 postupně narůstat objem simulačních úloh a objem přenášených dat
se bude i nadále zvětšovat. Současně ve Fyzikálním ústavu probíhají rozsáhlé
simulace pro projekt D0 ve Fermilabu v Chicagu. Zde pomocí dodávky simulačních
služeb splácíme náš příspěvek do experimentu. Další zvýšení kapacity linek přes
CzechLight a NetherLight na StarLight je žádoucí (připojení Fermilabu ke StarLight
je v závěrečné fázi realizace).
odpoledne
Supravodivost a levitace
V tento den krátce po třinácté hodině jsme se při jedné z našich posledních
návštěv Fyzikálního ústavu AV ČR v Praze podívali na bezesporu jedny z nejatraktivnějších
věcí, co jsme tam mohli spatřit, a to sice na supravodivost a levitaci. Atraktivita
celé věci spočívala hlavně v tom, že jsme mohli vidět a dokonce si i nafotit
praktickou ukázku celé akce.
O co jde?
Slovem supravodič nazýváme materiály, které při ochlazení pod určitou teplotu
vykazují tyto dvě charakteristické vlastnosti:
1. Nulový odpor při vedení elektrického proudu.
2. Dokonalé vytěsňování magnetického pole ze svého objemu.
Něco z historie
Jev supravodivosti objevil roku 1911 holandský fyzik Heike Kammerlingh Onnes.
Důležitým předpokladem tohoto objevu byl velký pokrok v dosahování nízkých teplot,
který byl učiněn nedlouho předtím právě tímto vědcem. V roce 1908 se mu podařilo
zkapalnit helium na teplotu 4 stupně nad absolutní nulou, tzn. 4 Kelviny (absolutní
nula, tzn.
0 K = -273,15oC ). Toho využil k výzkumu elektrických vlastností
kovů při nízkých teplotách. Při sledování odporu čisté rtuti pozoroval náhlé
vymizení elektrického odporu při teplotě 4 K. Onnes rozpoznal, že je svědkem
nového, dosud nepopsaného fyzikálního jevu, když sám prohlásil: "rtuť přešla
do nového stavu, který na základě jeho neobyčejných elektrických vlastností
lze nazývat supravodivým stavem". V roce 1913 obdržel za tyto objevy Nobelovu
cenu.
Až do roku 1933 byly supravodiče považovány jen za látky s nulovým elektrickým
odporem. Tohoto roku Walther Meissner a R. Ochsenfeld objevili, že supravodiče
mají rovněž schopnost dokonale vytlačovat magnetické pole ze svého objemu. Tento
jev se se nazývá "perfektní diamagnetismus", nebo po svém objeviteli Meissnerův
efekt.
Postupně bylo objeveno velké množství látek se supravodivými vlastnostmi, všechny
ovšem dosahovaly těchto vlastností až při velmi nízkých teplotách. V roce 1960
byl materiál s nejvyšší teplotou přechodu do supravodivého stavu (tzv. kritickou
teplotou, neboli Tc ) slitina niobu a germania (Nb3Ge) s Tc = 23 K. V roce 1986
Georg Bednorz a Alex Müller, pracující v IBM v Curychu, připravili první z řady
tzv. keramických supravodičů. Jimi připravený supravodič měl Tc = 35 K. Následně
byly připraveny další supravodiče tohoto typu s vyššími kritickými teplotami.
Již rok nato byl připravena látka s Tc = 90 K. Důležitost tohoto objevu vyplyne
ze srovnání s teplotou kapalného dusíku, která je 77 K. Díky snadné dostupnosti
a nízké ceně kapalného dusíku ve srovnání s kapalným heliem bylo dosažení supravodivého
stavu u těchto materiálů mnohem jednodušší. Tím byla zahájena éra tzv. "vysokoteplotních
supravodičů". Nynější nejvyšší dosažená kritická teplota je 138 K.
Nulový odpor při vedení elektrického proudu
Podle způsobu vedení elektrického proudu lze rozdělit látky do několika skupin:
- izolanty
- polovodiče
- vodiče (převážně kovy)
- supravodiče
Na obrázku je srovnání závislosti elektrického odporu na teplotě pro kov, klasický
(nízkoteplotní) a vysokoteplotní supravodič. Při ochlazování se odpor kovu i
supravodiče zmenšuje. U kovu zůstává i při ochlazení na teplotu 0 K nenulový
zbytkový odpor. U supravodiče dojde při kritické teplotě ( Tc ) k vymizení elektrického
odporu.
Vytěsňování magnetického pole
Podle chování v magnetickém poli lze rozdělit látky do několika skupin:
- feromagnetické
- antiferomagnetické
- paramagnetické
- diamagnetické - vytlačují částečně magnetické pole ze svého objemu. Supravodiče
jsou tzv. perfektní diamagnety , tzn. vytlačují magnetické pole z celého svého
objemu
Supravodič, po ochlazení pod kritickou teplotu ( Tc ), vytlačuje siločáry magnetické
pole ze svého objemu, jak je schématicky znázorněno na obrázku. Konkrétně k
tomu dochází proto, že vnější magnetické pole indukuje na povrchu supravodivé
proudy, které vytvoří magnetické pole stejné velikosti jako vnější pole ale
opačného znaménka. Tím se magnetické pole uvnitř supravodiče zcela vyruší. Jestliže
je magnetické pole vytvářeno magnetem umístěným blízko supravodiče, dochází
k jejich vzájemnému odpuzování. Na rozdíl od odpuzování mezi dvěma magnety,
ke kterému dochází pouze jsou-li natočeny souhlasnými póly, v případě magnetu
a supravodiče dochází k odpuzování nezávisle na natočení magnetu.
Levitace
Některé supravodiče nevykazují úplný Meissnerův jev, ale dovolují částečné pronikání
magnetických siločar do svého objemu ve formě tzv. vortexů. Díky vortexům pak
dochází k tomu, že magnet umístěný nad supravodičem je nejen odpuzován, ale
zároveň udržován ve stabilní poloze v určité vzdálenosti od supravodiče (levitace).
Takto může být magnet udržován i zavěšen pod supravodičem (magnetický závěs).
Levitující magnet se může točit bez tření, zpomalovaný pouze odporem vzduchu,
tzn. že ve vakuu by se točil nekonečně dlouho.
Na obrázcích je příklad levitace magnetu nad vysokoteplotním supravodičem YBa2Cu3O7
ochlazeným pomocí kapalného dusíku. A tohle je právě onen "náš" pokus, co jsme
měli možnost spatřit na vlastní oči...
Příklady použití a překážky
Vedení elektrické energie bez tepelných ztrát, obrovská magnetická pole umožňující
vlakům levitovat, elektronické a mikrovlnné součástky... Očekávané aplikace
supravodičů mohou vést k obdobné technické revoluci jako v elektronice po objevu
tranzistoru.
Překážky pro běžné používání vysokoteplotních supravodičů:
- Provozní teplota - součástky vyrobené z vysokoteplotních supravodičů je nutno
chladit kapalným dusíkem na teplotu 77 K .
- Mechanické vlastnosti - vysokoteplotní supravodiče jsou vesměs křehké keramické
materiály a technologie výroby vodičů z nich je velmi náročná. V současné době
se prosazují dvě cesty, (1) kombinované válcování a žíhání polykrystalického
materiálu v měděné či stříbrné trubičce, (2) napařování nebo chemické nanášení
tenkých vrstev supravodičů na ohebné podložky ve formě dlouhého pásku. Dnešní
technologie umožňuje vyrobit supravodivé dráty či pásky i několik km dlouhé.
Příklady použití:
- Přesné měření velmi malých magnetických polí pomocí speciálního obvodu ze
supravodivého materiálu, tzv. SQUID ( Superconducting QUantum Interference Device
). Používá se především ve výzkumu nebo v lékařství např. v magnetoencefalografii.
- Přenos elektřiny beze ztrát. Supravodivé kabely s vnitřní trubicí naplněnou
kapalným dusíkem se již pokusně používají na přenos energie na kilometrové vzdálenosti.
- Uchování elektrické energie pomocí cívek ze supravodivého drátu. Do takové
cívky můžeme zapnout proud, poté zdroj proudu odpojit a zavedený proud teče
cívkou prakticky nekonečně dlouhou dobu beze změny. V supravodivé cívce lze
tak beze ztrát uchovávat elektrický proud a velmi rychle jej dodat do sítě či
odebrat a tím vyrovnávat fluktuace.
- Supravodivé magnety. Protože proud budí v okolí vodiče magnetické pole, je
supravodivá cívka popsaná v předešlém odstavci také zdrojem magnetického pole.
To je princip supravodivého magnetu, který umožňuje vytvořit silná a stabilní
magnetická pole s využitím v tomografii, urychlovačích atd.
- Omezovač proudu (pojistka). Supravodiče ztrácejí své supravodivé vlastnosti
nejen při překročení kritické teploty, ale rovněž při překročení kritického
proudu. Této vlastnosti využívají supravodivé pojistky, což je supravodivá součástka
s patřičně nastaveným kritickým proudem.
- Magnetická ložiska bez tření, např. u setrvačníkových akumulátorů. Ty se mohou
točit rychlostí až několik set tisíc otáček za minutu a tím dlouhodobě uchovávat
energii.
- Levitující vlak Maglev využívající supravodivé magnety k nadnášení a pohonu.
Supravodivé magnety jsou umístěny na bocích vlaku. Vlak se pohybuje v korytu,
na jehož stěnách jsou běžné cívky. Po připojení proudu se v těchto cívkách vytvoří
magnetické pole, které se posouvá ve směru pohybu vlaku.
Maglev dosahuje při zkušebním provozu rychlosti nad 500 km/h. Supravodivý pásek
může vést stejný proud jako měděný kabel 100x většího průřezu
