Отрицательная температура

отрицательная абсолютная температура, величина, вводимая для описания неравновесных состояний квантовой системы, в которых более высокие уровни энергии более населены, чем нижние. В равновесном состоянии вероятность иметь энергию En определяется формулой. . (1) Здесь Ei — уровни энергии системы, k — Больцмана постоянная, Т — абсолютная температура, характеризующая среднюю энергию равновесной системы U = Σ (WnEn), Из (1) видно, что при Т > 0 нижние уровни энергии более населены частицами, чем верхние. Если система под влиянием внешних воздействий переходит в неравновесное состояние, характеризующееся большей населённостью верхних уровней по сравнению с нижними, то формально можно воспользоваться формулой (1), положив в ней Т < 0.

Однако понятие О. Т. Применимо только к квантовым системам, обладающим конечным числом уровней, так как для создания О. Т. Для пары уровней необходимо затратить определённую энергию. В термодинамике абсолютная температура Т определяется через обратную величину 1/Т, равную производной энтропии (См. Энтропия) S по средней энергии системы при постоянстве остальных параметров х. . (2) Из (2) следует, что О. Т. Означает убывание энтропии с ростом средней энергии. Однако О. Т. Вводится для описания неравновесных состояний, к которым применение законов равновесной термодинамики носит условный характер. Пример системы с О. Т.— система ядерных Спинов в кристалле, находящемся в магнитном поле, очень слабо взаимодействующих с тепловыми колебаниями кристаллической решётки (См.

Колебания кристаллической решётки), то есть практически изолированной от теплового движения. Время установления теплового равновесия спинов с решёткой измеряется десятками минут. В течение этого времени система ядерных спинов может находиться в состоянии с О. Т., в которое она перешла под внешним воздействием. В более узком смысле О. Т.— характеристика степени инверсии населённостей двух выбранных уровней энергии квантовой системы. В случае термодинамического равновесия населённости N1 и N2 уровней E1 и E2 (E1 < E2), т. Е. Средние числа частиц в этих состояниях связаны формулой Больцмана. , (3) где Т — абсолютная температура вещества. Из (3) следует, что N2 < N1. Если нарушить равновесие системы, например воздействовать на систему монохроматическим электромагнитным излучением, частота которого близка к частоте перехода между уровнями.

Ω21 = (E2 — E1)/ħ и отличается от частот других переходов, то можно получить состояние, при котором населённость верхнего уровня выше нижнего N2 > N1. Если условно применить формулу Больцмана к случаю такого неравновесного состояния, то по отношению к паре энергетических уровней E1 и E2 можно ввести О. Т. По формуле. . (4) Несмотря на формальный характер этого определения, оно оказывается в ряде случаев удобным, например позволяет описывать флуктуации в равновесных и неравновесных системах с О. Т. Аналогичными формулами. Понятием О. Т. Пользуются в квантовой электронике (См. Квантовая электроника) для удобства описания процессов усиления и генерации в средах с инверсией населённости. Лит. См. При статьях Квантовая электроника, Квантовый усилитель.

Д. Н. Зубарев..