ผู้ใช้:Natwajee Inlek/กระบะทราย

การกระโดดของค่าความจุความร้อนจำเพาะของตัวนำยวดยิ่ง

      ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific heat) คือปริมาณความร้อนที่ทำให้สารมวล 1 กิโลกรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 เคลวิน
     จากประวัติการศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับสมบัติของตัวนำยวดยิ่ง พบว่าตัวนำยวดยิ่งในสถานะนำยวดยิ่งจะมีสมบัติที่พิเศษกว่าในสถานะปกติหลายประการ คือ ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ ปรากฏการณ์ไอโซโทป การที่ความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์อย่างทันทีทันใด ความไม่ต่อเนื่องของเส้นแรงแม่เหล็ก  และปรากฏการณ์โจเซฟสัน ซึ่งการกระโดดของค่าความจุความร้อนจำเพาะเป็นหนึ่งในสมบัติสำคัญของตัวนำยวดยิ่ง

ประวัติ

ในปี ค.ศ. 1961 ไบร์อันท์และคีโสม (Bryant and Keesom, 1961) ได้ทดลองวัดค่าความจุความร้อนจำเพาะของตัวนำยวดยิ่งในดีบุก พบว่าความจุความร้อนที่ได้มีค่าไม่ต่อเนื่องที่บริเวณอุณหภูมิวิกฤต โดยเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจนเข้าใกล้อุณหภูมิวิกฤต ค่าความจุความร้อนที่ได้จะมีค่าเพิ่มขึ้นแล้วลดลงอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิวิกฤต ซึ่งสามารถพบได้ทังในกรณีที่เมื่อสารเปลี่ยนสถานะจากตัวนำปกติไปเป็นสถานะนำยวดยิ่ง และเมื่อสารเปลี่ยนสถานะจากสถานะนำยวดยิ่งไปเป็นสถานะปกติ การเปลี่ยนสถานะในลักษณะนี้ไม่ใช้ความร้อนแฝงในการเปลี่ยนสถานะ จึงเรียกว่า การเปลี่ยนสถานะลำดับที่สอง (Second-order phase transition) ซึ่งเป็นสมบัติเชิงอุณหพลศาสตร์ที่สำคัญอย่างหนึ่งของตัวนำยวดยิ่ง

ความจุความร้อนจำเพาะของตัวนำยวดยิ่ง

สำหรับตัวนำยวดยิ่งพบว่าความจุความร้อนจำเพาะในสถานะยวดยิ่ง (C_s) และในสถานะปกติ (C_n) มีความแตกต่างกัน(Buckel, 1991) ที่อุณหภูมิเข้าใกล้ ศูนย์เคลวิน ตัวนำยวดยิ่งมีความสัมพันธ์ของความจุความร้อนจำเพาะกับอุณหภูมิเป็นรูปเอกโพเนนเชียล และเมื่ออุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต ตัวนำยวดยิ่งจะอยู่ในสถานะปกติ ความจุความร้อนจำเพาะมีความสัมพันธ์แบบแปรผันตามกับอุณหภูมิกำลังสาม ดังนั้นที่อุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิวิกฤตจะเกิดการกระโดดของค่าความจุความร้อนจำเพาะขึ้น โดยจากทั้งการทดลองและทฤษฎีพบว่า C_n(T_c) - C_s(T_c) / C_n(T_c) = ค่าคงตัว ซึ่งค่าคงตัวนี้เท่ากับ 1.42 สำหรับตัวนำยวดยิ่งทุกตัวตามทฤษฎี BCS จากการที่ความสัมพันธ์ของความจุความร้อนจำเพาะกับอุณหภูมิเป็นรูปเอกโพเนนเชียล ยังแสดงให้เห็นอีกว่า ที่สถานะนำยวดยิ่งจะมีช่องว่างพลังงาน Δ(T) (Energy gap) เกิดขึ้น โดยช่องว่างพลังงานนี้จะแยกสถานะนำยวดยิ่งกับสถานะปกติออกจากกัน และจะมีค่าเท่ากับศูนย์ที่อุณหภูมิวิกฤต โดยจะมีค่ามากที่สุดที่ศูนย์เคลวิน Δ(0) ตามทฤษฎี BCS ได้แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Δ(0) กับ T_c เป็นไปตามสมการ Δ(0) = 1.76 k_B T_c หรือ 2Δ(0)/ k_B T_c =3.53

อ้างอิง

1. Bryant, C.A., and Keesom, P. H. 1961."Low-Temperature Specific Heat of Indium an Tin." Physics Review 123, 2: 491-499
2. Buckel, W. 1991. Superconductivity: Fundamentals and Applications. New York: VHC Publisher.
3. พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ, ตัวนำยวดยิ่งพื้นฐาน, สำนักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, 2559, 987-974-03-3522-1.
4. สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี กระทรวงศึกษาธิการ, หนังสือเรียน รายวิชาเพิ่มเติม ฟิสิกส์เล่ม ๕ กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ ๔-๖ ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช ๒๕๕๑, โรงพิมพ์ สกสค. ลาดพร้าว, 978-974-01-9701-0.

ดูเพิ่ม

• ความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์
• ปรากฏการณ์ไมสเนอร์
• ปรากฏการณ์ไอโซโทป
• ความไม่ต่อเนื่องของเส้นแรงแม่เหล็ก
• ปรากฏการณ์โจเซฟสัน
• สภาพนำยวดยิ่ง