ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА

ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА отрицательная
абсолютная температура, величина, вводимая для описания неравновесных состояний
квантовой системы, в к-рых более высокие уровни энергии более населены,
чем нижние. В равновесном состоянии вероятность иметь энергию Еопределяется
формулой:

Здесь Еуровни энергии
системы, k - Болъимана постоянная, Т - абс. темп-pa, характеризующая
ср. энергию равновесной системы U = WИз
(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, т. к. для создания
О. т. для пары уровней необходимо затратить определённую энергию.

В термодинамике абс. темп-pa
Т
определяется
через обратную величину 1/Т, равную производной
энтропии S по
средней энергии системы при постоянстве остальных параметров х:

Из (2) следует, что О. т. означает убывание
энтропии с ростом средней энергии. Однако О. т. вводится для описания неравновесных
состояний, к к-рым 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,
т. е. 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 к-рое она перешла
под внешним воздействием .

В более узком смысле О. т.- характеристика
степени инверсии населённо-стей двух выбранных уровней энергии квантовой
системы. В случае термодина-мич. равновесия населённости Nи NЕЕ(Ет.
е. средние числа частиц в этих состояниях связаны формулой Больцмана:

где Т - абс. темп-pa вещества. Из
(3) следует, что NЕсли нарушить равновесие
системы, напр. воздействовать на систему монохроматич. электромагнитным
излучением, частота к-рого близка к частоте перехода между уровнями: w= (ЕЕh и отличается от
частот др. переходов, то можно получить состояние, при к-ром населённость
верхнего уровня выше нижнего NNЕсли условно
применить формулу Больцмана к случаю такого неравновесного состояния, то
по отношению к паре энергетич. уровней ЕЕможно ввести О. т. по формуле:

Несмотря на формальный характер этого определения,
оно оказывается в ряде случаев удобным, напр. позволяет описывать флуктуации
в равновесных и неравновесных системах с О. т. аналогичными формулами.
Понятием О. т. пользуются в квантовой электронике для удобства описания
процессов усиления и генерации в средах с инверсией населённости.

Лит. см. при статьях
Квантовая
электроника. Квантовый усилитель.

Д. Н. Зубарев.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я