Главная | Обратная связь

ТЕРМОМАГНИТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Для измерения температур ниже 1К применяется магнитный термометр, термометрическим параметром которого является восприимчивость подходящей магнитной соли. Экспериментально достижимая область температур постоянно понижается; вместе с тем повышаются требования к точности измерения температуры, поэтому конструирование новых и надёжных приборов становиться жизненно необходимой задачей. Можно сказать, что измерение температуры в миллиградусном диапазоне более сложно, чем само достижение этих температур, и едва ли менее важно.

Наибольшая трудность при измерении температуры ниже 1К и особенно ниже 10мК заключается в приведении термометра в тепловое равновесие с телом, температуру которого необходимо измерить.

В принципе любое физическое свойство, являющееся функцией температуры, можно использовать в качестве термометрического параметра. Практически, однако, реально используемое физическое свойство должно удовлетворять нескольким довольно жестким требованиям: термометрический параметр должен быть легко, быстро и точно измерим; его зависимость от температуры должна быть достаточно простой или по крайней мере должна хорошо объясняться теорией; термометр на основе этого параметра должен обладать высокой чувствительностью, малым временем отклика, небольшой теплоёмкостью.

Парамагнитная восприимчивость χ многих веществ, содер­жащих металлы переходной группы и редкоземельные элементы, хорошо описывается законом Кюри, согласно которому χ обратно пропорциональна Т. Однако вычислить магнитную восприимчивость реального кристалла очень сложно и хотя роль основных влияющих факторов видна вполне ясно, детали проблемы трудны и часто недостаточно понятны. В основном по этой причине магнитная термометрия не применяется для первичных измерений температуры, хотя существует и вторая трудность, состоящая в том, что абсолютные измерения магнит­ной восприимчивости очень сложны. Как мы увидим ниже, кон­станты в функциональной зависимости χ от Т приходится на­ходить градуировкой по другим термометрам. Хотя магнитная термометрия не является первичной в строгом смысле, она занимает важное место в первичной термометрии, выступая в качестве особого интерполяционного и в некоторых случаях экстраполяционного термометра.

Термометры можно разделить на две основные группы: первичные и вторичные. Первичные термометры определяют температуру без предварительной градуировки, тогда как вторичные необходимо градуировать хотя бы при одной известной температуре.

Из множества существующих термометров экспериментатор должен выбрать такой, который наилучшим образом подходит для данного эксперимента, и измерения с которым можно выполнить на имеющемся или доступном оборудовании.

Рассмотрим кратко основные факторы, определяющие температурную зависимость парамаг­нитной восприимчивости конкретных кристаллов и это сделает ясной специфическую роль магнитной термометрии.

1. Зависимость парамагнитной восприимчивости от ТЕМПЕРАТУРЫ

Температурную зависимость восприимчивости парамагнит­ного вещества легко вычислить, предположив, что оно состоит из отдельных невзаимодействующих диполей и что первое воз­бужденное состояние достаточно далеко от основного. Такое вычисление приводит к закону Кюри, согласно которому

(1)

где N_A — число Авогадро, J— квантовое число основного со­стояния атома, g — фактор Ланде, описывающий расщепление вырожденного основного состояния атома под действием поля Нна (2J+1) уровней, разделенных по энергии на gm_BH; m_B — магнетон Бора и С — так называемая константа Кюри.

Восприимчивость реального парамагнитного кристалла под­чиняется простому закону Кюри в довольно ограниченном ин­тервале температур. Вблизи верхнего конца этого интер­вала отклонения возникают при T→E/k, где Е—энергия первого возбужденного состояния. При низких тем­пературах отклонения обусловлены взаимодействием ионов между собой и, если основное состояние сложнее, чем дублет, расщеплением его кристаллическим полем. Для термометриче­ских целей восприимчивость обычно записывают в виде

(2)

где χ_ν ­— зависящая от температуры восприимчивость ван Флека, ε — размагничивающий фактор, зависящий от формы образца, который позволяет найти истинное магнитное поле, действующее на ион, если известно внешнее приложенное поле. Член ((⁴/₃)π — ε)С представляет собой первый порядок диполь-дипольного взаимодействия в эллипсоидальном образце и опи­сывает локальное поле, в котором находится диполь. Для об­разца сферической формы и с кристаллической решеткой прос­той кубической симметрии ε =(⁴/з)π и Δ = 0. Для реальных веществ, применяющихся в магнитной термометрии, эти соотно­шения служат хорошим приближением. Член Θ описывает об­менные силы, возникающие в результате электростатических взаимодействий электронов, находящихся на незаполненных оболочках магнитных ионов; δ возникает в результате влияния кристаллического поля и диполь-дипольных взаимодействий второго порядка.

Константа Кюри Сне зависит от температуры и определяется основным состоянием атома, а для кристалла с некубической кристаллической решеткой зависит от ориентации его осей относительно внешнего поля. Соотноше­ние (2) выполняется в том случае, когда возбужденные со­стояния иона не заполнены, в противном случае появляется дополнительный вклад в величину С. К счастью, у большинства переходных металлов низшее возбужденное состояние лежит на 10³—10⁴ К выше основного состояния и его влиянием можно пренебречь. Это, однако, неверно для некоторых редко­земельных ионов. Так, у церий-магниевого нитрата (ЦМН) первое возбужденное состояние соответствует 38 К. По этой причине ЦМН выше приблизительно 4 К перестает подчиняться простому закону Кюри.