નિમ્નતાપિકી

નિમ્નતાપિકી (Cryogenics) (ગ્રીક Kryos = અત્યંત ઠંડું) : અત્યંત નીચાં તાપમાનો મેળવવાનું, તેમને જાળવી રાખવાનું અને આ તાપમાનોએ દ્રવ્યના ગુણધર્મોના અભ્યાસ અંગેનું વિજ્ઞાન. સામાન્ય રીતે 120 K(કૅલ્વિન)થી લગભગ નિરપેક્ષ શૂન્ય (0K = –273.15° સે.) સુધીના તાપમાનની સીમાને નિમ્નતાપિકી વિસ્તાર તરીકે ગણવામાં આવે છે; કારણ કે આ સીમામાં મિથેન, ઑક્સિજન, આર્ગોન, હવા, નાઇટ્રોજન, નિયૉન, હાઇડ્રોજન અને હિલિયમ જેવા સ્થાયી વાયુઓનું પ્રવાહીકરણ શક્ય બને છે.

નિમ્નતાપિકીનો વિકાસ : નીચાં તાપમાનો મેળવવાના પ્રયત્ન રૂપે લગભગ 200 વર્ષ પહેલાં બરફ બનાવવાનું યંત્ર શોધાયું. 1851માં અમેરિકન ભૌતિકશાસ્ત્રી જ્હૉન ગોરીએ સૌપ્રથમ શીતકયંત્ર (refrigerator) બનાવ્યું. જોકે નિમ્નતાપિકીમાં પાયાનું કાર્ય 1823થી 1845ના ગાળા દરમિયાન બ્રિટિશ રસાયણવિદો સર હમ્ફ્રી ડેવી અને માઇકેલ ફેરેડેએ કર્યું. 1834માં થિલોરિયર કાર્બન- ડાયૉક્સાઇડ(CO₂)નું પ્રવાહીકરણ કર્યું અને ઘન CO₂ એટલે કે શુષ્ક બરફ (dry ice) પણ મેળવ્યો. ઘન CO₂ અને ઈથરનું મિશ્રણ (થિલોરિયરનું મિશ્રણ) વાપરી તેણે –78° સે. તેમજ નીચા દબાણે તેના બાષ્પીભવન દ્વારા –110° સે. જેટલું તાપમાન મેળવ્યું. 1869માં ઍન્ડ્રૂઝે દર્શાવ્યું કે દરેક વાયુ માટે એક એવું તાપમાન, ક્રાંતિક (critical) તાપમાન, હોય છે કે જેનાથી ઉપરના તાપમાને વાયુનું પ્રવાહીકરણ શક્ય નથી.

1877માં ફ્રેન્ચ વૈજ્ઞાનિક કેઇલટેટ અને સ્વિસ વૈજ્ઞાનિક પિક્ટેટે એકબીજાથી સ્વતંત્ર રીતે ઑક્સિજનનું પ્રવાહીકરણ કર્યું. પિક્ટેટે સોપાની દ્રાવિત્ર(cascade liquifier)નો ઉપયોગ કર્યો હતો. 1895–96માં જર્મનીના લિન્ડેએ થ્રોટલ વાલ્વનો ઉપયોગ કરી સતત ચાલુ રહે તેવું દ્રાવિત્ર તૈયાર કર્યું. 1898માં બ્રિટિશ રસાયણશાસ્ત્રી ડ્યૂઅરે હાઇડ્રોજનનું પ્રવાહીકરણ કર્યું. 1902–1907 દરમિયાન લિન્ડે, ક્લાઉડે અને હેલેન્ડે ભેગા મળીને હવાનું પ્રવાહીકરણ કર્યું તેમજ હવાના ઘટકો છૂટા પાડતા સ્તંભો (air separation columns) તૈયાર કર્યા. 10 જુલાઈ, 1908ના રોજ કેમરલીંઘ ઓનેસે હિલિયમના પ્રવાહીકરણનું મુશ્કેલ કાર્ય પાર પાડ્યું (4.2K). 1920થી 1955ના ગાળામાં હવા-પ્રભાજક (fractionating) પ્લાન્ટોની સંખ્યા ખૂબ વધી ગઈ તેમજ ટર્બાઇનોનો ઉપયોગ શરૂ થતાં પ્રવાહી હિલિયમ તૈયાર કરતા મોટા પ્લાન્ટો નંખાયા. નીચાં તાપમાનો મેળવવા માટેના પ્રયત્નોમાં રશિયન વૈજ્ઞાનિક પીટર કૅપિટ્ઝા અને અમેરિકન ઇજનેર સેમ્યુઅલ કોલિન્સનો ફાળો પણ નોંધપાત્ર છે. 1934માં કૅપિટ્ઝાએ –269° સે. (4K) તાપમાન મેળવ્યું જ્યારે 1932માં કીસમે પ્રવાહી હિલિયમના ઝડપી બાષ્પીભવન દ્વારા 0.71K જેટલું નીચું તાપમાન મેળવ્યું હતું.

1954માં કોહલર અને જોન્કરે હવાનું પ્રવાહીકરણ અને તેના ઘટકો છૂટા પાડતાં ઊલટ સ્ટર્લિંગ ચક્ર (reverse Sterling cycle) પર ચાલતાં ઊંચી ક્ષમતાવાળાં સાધનો તૈયાર કર્યાં.

1965–70 દરમિયાન વિકસિત દેશોએ ઉષ્મા-ઊર્જા પર આધારિત વ્યૂલેમીર–ટેકોનિસ વાયુ-પ્રશીતકો તૈયાર કર્યાં. લગભગ એ જ સમયગાળામાં અતિવાહકતાનો ઉપયોગ શરૂ થયો. બે સ્તરવાળા નિફોર્ડ-મેકમોહન ક્રાયોરેફ્રિજરેટરના ઉપયોગ દ્વારા 6.7K જેટલું નીચું તાપમાન મળ્યું હતું. 1976–78માં અતિવાહકોનો ઉપયોગ કરતા 20 MW માપનાં ઇલૅક્ટ્રિક યંત્રો તૈયાર કરી શકાયાં.

સૈદ્ધાંતિક : ગતિવાદ અનુસાર કોઈ પણ ભૌતિક પ્રણાલીના અણુઓની અસ્તવ્યસ્ત ગતિ(random motion)ને કારણે ઉષ્મા ઉદભવે છે અને અણુઓની સરેરાશ ગતિજ ઊર્જા પ્રણાલીના તાપમાનનું નિરૂપણ કરે છે. પ્રણાલીમાંથી ઉષ્માને દૂર કરવી એટલે તેમાંના અણુઓની સ્થિર વ્યવસ્થિત ગોઠવણી અને પરિણામે નિમ્ન તાપમાનની સ્થિતિ પ્રાપ્ત કરવી.

ક્વૉન્ટમવાદ અનુસાર કોઈ પણ ભૌતિક તંત્ર(system)ના સૂક્ષ્મ-ઘટકો વિવિક્ત રીતે (discretely) નિશ્ચિત મૂલ્યની ઊર્જા ધરાવે છે. આ ઊર્જા ચોક્કસ ઊર્જાસ્તરોમાં વહેંચાયેલી હોય છે. નિરપેક્ષ શૂન્ય તાપમાને તંત્રના ઘટકો શક્ય તેટલા ન્યૂનતમ ઊર્જા-સ્તરોએ આવેલા હોય છે. ઉષ્માગતિશાસ્ત્ર પ્રમાણે તાપમાન એ પદાર્થની એન્ટ્રૉપી, S, (અસ્તવ્યસ્તતાના માપ) સાથે સંકળાયેલ હોય છે.

S = ∫ (C/T) dT

જ્યાં C ઠંડા કરવામાં આવતા પદાર્થની વિ. ઉષ્મા અને T તાપમાન છે. ઉષ્માગતિશાસ્ત્રના ત્રીજા નિયમ અનુસાર નિરપેક્ષ શૂન્ય તાપમાને શુદ્ધ અને સંપૂર્ણ સ્ફટિકમય પદાર્થની એન્ટ્રૉપી શૂન્ય થવા જાય છે. તંત્રના તાપમાનમાં ઘટાડાનો અર્થ એ કે તેની એન્ટ્રૉપીમાં ઘટાડો કરવો અથવા તેના સૂક્ષ્મઘટકોની ગોઠવણી વધુ ને વધુ વ્યવસ્થિત કરવી.

પદ્ધતિઓ : પદાર્થનું તાપમાન ઘટાડવા માટે ઘણી પદ્ધતિઓ શોધાઈ છે. તેમાંની સૌથી સરળ ઠાર-મિશ્રણોના ઉપયોગની છે. આઇસક્રીમ બનાવવા વપરાતું બરફ અને મીઠાનું મિશ્રણ આવું એક ઠારમિશ્રણ છે. 2:1 ના પ્રમાણમાં બરફ : મીઠું લેવાથી તાપમાન 0° સે. (273.15K)થી ઘટીને –17.7° સે. જેટલું પ્રાપ્ય બને છે. કૅલ્શિયમ ક્લોરાઇડ અને બરફ (2:1) વડે –42° સે. જેટલું તાપમાન પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. તેથી નીચાં તાપમાનો મેળવવા માટે મુખ્યત્વે આ પદ્ધતિઓ પ્રચલિત છે : (1) પ્રશીતન (refrigeration) પદ્ધતિ. આ પદ્ધતિ વડે લગભગ 1K (–272° સે.) જેટલું તાપમાન મેળવી શકાય છે. વાયુઓના પ્રવાહીકરણ માટે તેનો બહોળો ઉપયોગ થાય છે. વાયુનું પ્રવાહીકરણ કરવા તેનું તાપમાન તેના ઉ.બિં.થી નીચું લઈ જવું જરૂરી હોય છે. પ્રશીતનની બધી જ ક્રિયાઓ બે તબક્કામાં કરવામાં આવે છે.

સૌપ્રથમ નિશ્ચિત કદના વાયુનું સમતાપી સંકોચન કરવામાં આવે છે. સમતાપી સંકોચન દ્વારા પ્રણાલીની એન્ટ્રૉપીમાં ઘટાડો થાય છે. ત્યારબાદ તેનું સમોષ્મી પ્રસારણ અથવા જૂલ-થૉમ્સન ઘટનાનો ઉપયોગ કરી પ્રસરણ કરવામાં આવે છે. સમોષ્મી પ્રસરણને કારણે તાપમાનમાં થતો ફેરફાર નીચેના સમીકરણને અનુરૂપ હોય છે :

T₁ = શરૂઆતનું કૅલ્વિન તાપમાન; P₁ = શરૂઆતનું દબાણ; T₂ = અંતિમ કૅલ્વિન તાપમાન; P₂ = અંતિમ દબાણ; γ = વિશિષ્ટ-ઉષ્મા ગુણોત્તર (C_p/C_v).

જૂલ-થૉમ્સન ઘટનામાં વધુ દબાણવાળા ભાગમાંથી વાયુને થ્રોટલ નળી મારફત ઓછા દબાણવાળા ભાગમાં દાખલ કરી તેનું વિસ્તરણ થવા દેવામાં આવે છે. આ અસરને કારણે તાપમાનમાં થતો ઘટાડો (ΔT) નીચેના સમીકરણને અનુરૂપ હોય છે :

ΔT = 0.276 (ΔP) (273/T)²

T= પ્રારંભનું નિરપેક્ષ તાપમાન (K); ΔP = દબાણનો તફાવત.

આ રીતે મળતા નીચા તાપમાને ઉપર્યુક્ત ચક્રનું પુનરાવર્તન કરતાં વાયુનું તાપમાન વધુ પ્રમાણમાં ઘટે છે. આમ દરેક ચક્રીય પ્રક્રિયા દરમિયાન વાયુનું તાપમાન તબક્કાવાર ઘટાડતાં જતાં છેવટે તેનું પ્રવાહીમાં રૂપાંતર થાય છે. આ રીતે મળતા પ્રવાહીને ડ્યૂઅર પાત્રમાં સંગ્રહવામાં આવે છે. ઉપર્યુક્ત ચક્રીય પ્રશીતન વિધિમાં પ્રથમ વાયુના સમતાપી સંકોચન દરમિયાન તંત્રની એન્ટ્રૉપીમાં ઘટાડો થાય છે. પછીના સમોષ્મી પ્રસારણ દરમિયાન એન્ટ્રૉપી અચળ રહેતાં (બહારથી ગરમી ન મળતાં) પ્રણાલીના તાપમાનમાં ઘટાડો થાય છે, અને તેથી પ્રણાલી તેના પ્રારંભિક તાપમાન કરતાં નીચું તાપમાન ધરાવે છે. જૂલ-થૉમ્સન ઘટનામાં પ્રણાલીની એન્ટ્રૉપીમાં થોડો ફેરફાર થાય છે, પરંતુ સરવાળે તેની એન્ટ્રૉપી પ્રારંભિક એન્ટ્રૉપી કરતાં ઘટે છે, અને તાપમાન પણ ઘટે છે. આમ શીતનપ્રક્રિયામાં પ્રણાલી પર બાહ્ય પરિબળો એવી રીતે બદલવામાં આવે છે કે જેથી પ્રણાલી એક ચક્ર પૂર્ણ કરી તેની મૂળ સ્થિતિમાં આવે ત્યારે તેની આંતરિક વ્યવસ્થા(order)માં વધારો થાય અને પરિણામે તેના તાપમાનમાં ઘટાડો થાય. અનેક પરંપરિત ચક્રીય પ્રક્રિયાઓને અંતે વાયુનું પ્રવાહીમાં રૂપાંતર થાય છે.

(1) ઑક્સિજનનું પ્રવાહીકરણ : રોબ્લવ્સ્કી અને ઓલ્ઝેવ્સ્કીએ પરંપરિત ચક્રીય પ્રશીતનપ્રક્રિયા દ્વારા પ્રવાહી ઑક્સિજન, નાઇટ્રોજન અને કાર્બન મૉનૉક્સાઇડ મેળવ્યા. કેમરલીંઘ ઓનેસે આકૃતિ (2)માં દર્શાવ્યા મુજબ સાધનની રચના કરી વ્યાપારી ધોરણે પ્રવાહી ઑક્સિજન મેળવ્યો.

આ સાધન ત્રણ એકમોનું બનેલું છે. દરેક એકમમાં એક કૉમ્પ્રેસર પમ્પ અને કન્ડેન્સર હોય છે. પહેલા એકમમાં મિથાઇલ ક્લોરાઇડ પ્રવાહી સ્વરૂપે મેળવવામાં આવે છે. મિથાઇલ ક્લોરાઇડનું ક્રાંતિ તાપમાન 143° સે. હોવાથી ઓરડાના તાપમાને અને થોડાક વાતાવરણના દબાણે તેનું પ્રવાહીકરણ શક્ય છે. દાબપંપ (compressor) P₁માંથી મળતા મિથાઇલ ક્લોરાઇડને કન્ડેન્સર Aના સ્પાઇરલ ગૂંચળામાંથી પસાર કરવામાં આવે છે. ક્ન્ડેન્સર ફરતે પાણીનો સતત પ્રવાહ વહે છે, જેથી મિથાઇલ ક્લોરાઇડ વાયુ ઠંડો પડી પ્રવાહીમાં રૂપાંતર પામે છે, જેનું તાપમાન –90° સે. જેટલું હોય છે. પંપ P₂માંથી દબાણયુક્ત ઇથીલીન વાયુ કન્ડેન્સર Bમાં દાખલ કરવામાં આવે છે. આ કન્ડેન્સર ફરતે પ્રવાહી મિથાઇલ ક્લોરાઇડ વહે છે, જે ઇથીલીનનું પ્રવાહીમાં રૂપાંતર કરે છે. પંપ P₃માંથી દાબયુક્ત ઑક્સિજન વાયુ કન્ડેન્સર Cમાં દાખલ કરવામાં આવે છે. કન્ડેન્સર Cની ફરતે પ્રવાહી ઇથીલીન વહે છે, જે ઑક્સિજન વાયુનું પ્રવાહીકરણ કરે છે. પ્રવાહી ઑક્સિજન ડ્યૂઅર ફ્લાસ્ક Dમાં એકઠો કરવામાં આવે છે.

(2) સમોષ્મી વિચુંબકન (demagnetisation) : 1930 પછી અત્યંત નીચાં તાપમાનો મેળવવાના પ્રયત્નોમાં ઘણી પ્રગતિ થઈ છે. ઓનેસે પ્રવાહી હિલિયમનું બાષ્પીભવન કરી 0.82K જેટલું તાપમાન મેળવ્યું. 1932માં પ્રવાહી હિલિયમના બાષ્પીભવન દ્વારા 0.71K જેટલું તાપમાન મેળવ્યું. પણ આવી પદ્ધતિઓની બે કારણે મર્યાદા આવી જતી હતી. (અ) અત્યંત નીચાં તાપમાનોએ પ્રવાહી હિલિયમનું બાષ્પદબાણ સારામાં સારા શૂન્યાવકાશી પંપથી મળતા દબાણ કરતાં પણ નીચું હોય છે. (બ) બાષ્પીભવન પામતા પ્રવાહી દ્વારા પ્રણાલીમાંથી જેટલી ઉષ્મા બહાર ખેંચાય તેટલી જ ઉષ્મા આવરણમાંથી પ્રણાલીમાં દાખલ થઈ જવાનો સંભવ રહે છે.

આનાથી વધુ નીચાં, લગભગ નિરપેક્ષ શૂન્ય નજીકનાં, તાપમાનો ડેબાય (1926) અને જીઓક (1927) દ્વારા રજૂ થયેલ સમોષ્મી વિચુંબકનની પદ્ધતિ વડે મેળવી શકાયાં છે.

પદાર્થને ચુંબકીય બનાવવા માટે કાર્ય કરવું પડે છે અને તેનાથી તેના તાપમાનમાં થોડો વધારો થાય છે. જો આ ચુંબકીય પદાર્થનું ઝડપથી સમોષ્મી વિચુંબકન કરવામાં આવે તો તેના તાપમાનમાં ઘટાડો થાય છે. ક્યુરિ(1892)ના નિયમ મુજબ સમચુંબકીય પદાર્થની ગ્રહણશીલતા (susceptibility) તેના નિરપેક્ષ તાપમાનના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે :

અત્યંત નીચા (< 1K) તાપમાને આ નિયમનું સારું પાલન થતું હોવાથી તે સંજોગોમાં તેની મૅગ્નેટો-કૅલરિક અથવા મૅગ્નેટો-થર્મલ અસર વધુ હોય છે. આને કારણે પ્રબળ ચુંબકત્વ ધરાવતા સમચુંબકીય પદાર્થોનું એકાએક વિચુંબકન કરતાં તેમના તાપમાનમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો થાય છે. 1914માં દ હાસે અનુચુંબકીય લવણ ગેડોલિનિયમ સલ્ફેટને અતિ નીચા તાપમાને 10000 ગોસ (1 ગોસ = 10^–4 ટેસ્લા) તીવ્રતાવાળા ચુંબકીય ક્ષેત્ર વડે ચુંબકિત કરી પછી ઝડપથી તેનું સમોષ્મી વિચુંબકન કરી 0.02°K જેટલું નીચું તાપમાન મેળવ્યું હતું.

જીઓકના પ્રયોગને T–S [તાપમાન (T) – એન્ટ્રૉપી S] આકૃતિ વડે દર્શાવી શકાય :

આકૃતિમાં ક્ષાર માટે બે વક્રો દર્શાવ્યા છે : એક વિચુંબકિત (demagnetized) અવસ્થા માટે (ચુંબકીય ક્ષેત્રની ગેરહાજરીમાં) (H = 0) અને બીજો ચુંબકિત (magnetized) અવસ્થા માટે (ચુંબકીય ક્ષેત્રની હાજરીમાં) (H = H_i). H_iનું મૂલ્ય 8000થી 30000 આર્સ્ટેડ જેટલું હોઈ શકે છે. આકૃતિ પ્રમાણે કોઈ એક અચળ તાપમાને ચુંબકિત ક્ષાર વિચુંબકિત ક્ષાર કરતાં ઓછી એન્ટ્રૉપી ધરાવે છે.

સંક્રમણ વિચુંબકિત ક્ષાર → ચુંબકિત ક્ષાર એ ઊંચી એન્ટ્રૉપી અને ઊર્જા અવસ્થામાંથી ઓછી એન્ટ્રૉપી અને ઊર્જા અવસ્થા તરફ થાય છે. (T – S આકૃતિમાં 1 → 2). જ્યારે ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઘટીને શૂન્ય થાય ત્યારે પ્રણાલી સમએન્ટ્રૉપીય (isentropic) ફેરફાર (ΔS = 0) અનુભવી H = 0 વાળા વક્ર ઉપર આવે છે. (2 → 3). આને લીધે તાપમાનમાં ઘટાડો થાય છે.

જીઓક અને મેક્ડુગલ સમોષ્મી વિચુંબક્નની પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરનાર પ્રથમ વૈજ્ઞાનિકો હતા (19 માર્ચ, 1933). આ સાધનની રેખાકૃતિ આકૃતિ 4 માં દર્શાવી છે.

આ માટે તેઓએ 61 ગ્રા. જેટલા ગેડોલિનિયમ સલ્ફેટ ઑક્ટાહાઇડ્રેટનો ઉપયોગ કરેલો.

(3) ³He/⁴He મંદન પ્રશીતક : હિલિયમ-3 અને હિલિયમ-4નાં પ્રવાહી દ્રાવણો અનાદર્શ (nonideal) હોય છે. અને 0.86K જેટલા તાપમાને તે સાંદ્રતા પ્રમાણે બે અલગ સ્તરોમાં વહેંચાઈ જાય છે. મિશ્રણીયતા(miscibility)ના વિભાગમાં મિશ્રન(mixing)ની ક્રિયા દરમિયાન ગરમી શોષાય છે. આને કારણે નીચેના ભાગમાં 2 માઇક્રોકેલ્વિન જેટલું તાપમાન મળી શકે છે.

(4) નાભિકીય ધ્રુવીભવન (nuclear polarization) પદ્ધતિ : પરમાણુના નાભિકમાં રહેલા પ્રોટૉન, ન્યૂટ્રૉન જેવા કણો પણ પ્રચક્રણ ધરાવતા હોવાથી નાભિકીય ચુંબકત્વ ઉત્પન્ન કરે છે. તેમનું ધ્રુવીભવન અથવા સંરેખણ કરી શકાય, પણ તે માટે ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઘણું વધુ જોઈએ. આ માટેની પદ્ધતિ સૌપ્રથમ ગોર્ટર અને રોઝે સૂચવી હતી.

103Kથી નીચેનાં તાપમાનો મેળવવાની આવી પદ્ધતિઓ બે પ્રક્રમો(processers)ની બનેલી હોય છે. ઑક્સફર્ડ ખાતે પ્રો. કુર્તિની પ્રયોગશાળામાં આવા પ્રયોગો કરવામાં આવ્યા હતા.

પહેલામાં ક્ષારમાંના આયનનું સમોષ્મી વિચુંબકન કરી (ઇલેક્ટ્રૉનીય તબક્કો) 0.01 K જેટલું તાપમાન મેળવવામાં આવે છે. આ માટે ક્રોમિયમ પોટૅશિયમ ઍલમ (ફટકડી) જેવા પદાર્થનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. તેમાં તાંબાના ઇનૅમલ કરેલા 1500 જેટલા બારીક (વ્યાસ : 7.62  104 સેમી.) તારનો એક તરફનો છેડો મૂકવામાં આવ્યો હતો. તારની 20 સેમી. જેટલી લંબાઈ છોડીને બાકીનો ભાગ વાળીને એકસાથે બાંધી દઈ બીજો નાભિકીય તબક્કો બનાવવામાં આવેલો. આમ, પ્રથમ ભાગમાં ક્રોમિયમ આયન વડે શીતન થાય છે. જ્યારે બીજા ભાગમાં તાંબાના નાભિકો વડે તેમ થાય છે. આ પ્રયોગ ધારીએ છીએ તેટલો સહેલો નથી. પ્રો. કુર્તિના જણાવ્યા પ્રમાણે એક ટાંકણી પણ જો 3 મિમી. જેટલી નીચે પડે તો જે થોડીક ગરમી ઉત્પન્ન થાય તે આખા પ્રયોગને નકામો કરી મૂકે. આ રીત વડે 1963માં 1.2 × 10^–6K જેટલું તાપમાન મળી શક્યું હતું. 1969માં ફ્રાન્સમાં અબ્રાગમ વગેરેએ 5 × 10^–7 જેટલું નીચું તાપમાન મેળવ્યું હતું. જ્યારે 1995માં કોર્નેલ અને વાઈમેને રૂબિડિયમ –87ના નમૂનાનો ઉપયોગ કરી 170 નેનાકેલ્વિન (l nK = 10^–9K) જેટલું નીચું તાપમાન પ્રાપ્ત કર્યું હતું.

નિમ્ન તાપમાન જાળવણી–ક્રાયોસ્ટેટ : પદાર્થનું નિમ્ન તાપમાન પ્રાપ્ત કર્યા પછી તેને નિમ્ન તાપમાનવાળી સ્થિતિમાં જાળવી રાખી શકાય તથા પ્રાયોગિક હેતુ માટે તેનો ઉપયોગ કરી શકાય તેવી રચનાને ક્રાયોસ્ટેટ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આ માટે ડ્યૂઅર નામના વૈજ્ઞાનિકે ખાસ સાધનની રચના કરી જે ડ્યૂઅર ફ્લાસ્ક અથવા ડ્યૂઅર ટાંકી તરીકે ઓળખાય છે.

ઉષ્માનું પ્રસારણ ત્રણ રીતે થાય છે : ઉષ્માવહન, ઉષ્માસંવહન અને ઉષ્માવિકિરણ. ડ્યૂઅર ફલાસ્કની રચના થરમૉસને મળતી આવે છે. અવાહક કાચ કે ફાઇબર ગ્લાસની બરણીમાં તેનાથી નાની બીજી બરણી રાખવામાં આવે છે. બરણીની અવાહક દીવાલ વડે ઉષ્માવહન અટકાવી શકાય છે. ઉષ્માસંવહન અટકાવવાના હેતુથી બે બરણી વચ્ચેની જગ્યામાં શૂન્યાવકાશ સર્જવામાં આવે છે. બરણીની અંદરની દીવાલ ચળકતી પૉલિશ કરેલી અને ચાંદીનો ઢોળ ચઢાવેલી બનાવવામાં આવે છે, જેથી વિકિરણ અટકાવી શકાય. બરણીને અવાહક પદાર્થના બૂચ વડે ચુસ્ત રીતે ઢાંકી દેવામાં આવે છે. ડ્યૂઅર પાત્રમાંથી નિમ્ન તાપમાને પ્રવાહી બહાર કાઢવા માટે ખાસ પ્રકારની બકનળી(syphon)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ડ્યૂઅર ફ્લાસ્કમાં નિમ્નતાપિક પ્રવાહી દિવસો સુધી અચળ તાપમાને જાળવી શકાય છે. તેમજ તેને એક સ્થળેથી બીજે સ્થળે સરળતાથી ખસેડી શકાય છે.

નિમ્નતાપમાનનું માપન : પ્રવાહી થરમૉમીટરમાં પ્રવાહી તરીકે પારો, આલ્કોહૉલ કે પેટ્રોલિયમ ઈથરનો ઉપયોગ કરી અનુક્રમે –38° સે., –110° સે. અને –190° સે. સુધીનાં તાપમાન માપી શકાય છે. પ્લૅટિનમ વીજ અવરોધ થરમૉમીટર વડે –253° સે. સુધીનું તાપમાન માપી શકાય છે. ઉષ્માવીજ થરમૉમીટર –270° સે. સુધીનું તાપમાન માપવા માટે ઉપયોગી છે. વાયુ થરમૉમીટરમાં વાયુ તરીકે હિલિયમનો ઉપયોગ કરી -259° સે. સુધીનું તાપમાન માપી શકાય છે. આ થરમૉમીટરો તેમના મોટા કદને કારણે તેમ જ ચોકસાઈથી તાપમાન માપવા માટે તેમનું અંકન (calibration) જરૂરી હોઈ અતિ નીચા તાપમાને વાપરવા અનુકૂળ નથી. 254° સે.થી નીચા તાપમાનવાળા વિસ્તારમાં હિલિયમ બાષ્પદબાણ થરમૉમીટર વડે 0.75K જેટલું તાપમાન સરળતાથી માપી શકાય છે. સમચુંબકીય પદાર્થ પર જાણીતા મૂલ્યનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર લગાડી તેની ગ્રહણશીલતાના મૂલ્યાંકન પરથી 1K કરતાં પણ નીચું તાપમાન જાણી શકાય છે.

નિમ્નતાપિકી ક્ષેત્રમાં પદાર્થના ગુણધર્મો અને ઉપયોગો : નિમ્નતાપિકી ક્ષેત્રમાં પદાર્થના જોવા મળતા અવનવા ગુણધર્મો અને તેમના વિશિષ્ટ ઉપયોગોએ વિજ્ઞાન અને ટૅકનૉલૉજીના ક્ષેત્રે ક્રાંતિ સર્જી છે.

નીચા તાપમાને જોવા મળતા કેટલાક ગુણધર્મો આ પ્રમાણે છે : (1) મોટાભાગના પ્લાસ્ટિક પદાર્થો નીચા તાપમાને બરડ બને છે. લોખંડ જેવી સામાન્ય વપરાશની ધાતુ તથા કેટલીક મિશ્રધાતુઓ (alloys) કે જેમની સ્ફટિકસંરચના વસ્તુ(કાય)કેન્દ્રિત ઘન (body centred cubic, bcc) પ્રકારની હોય છે તે પણ નીચા તાપમાને બરડ બને છે. જ્યારે ઍલ્યુમિનિયમ, તાંબું તથા સ્ટેનલેસ સ્ટીલ કે જે ફલક-કેન્દ્રિત ઘન (face centred cubic, fcc) પ્રકારની સંરચના ધરાવે છે તે બરડ બનવાને બદલે વધારે મજબૂત બને છે. કાચ જેવાં પાત્રોમાં નિમ્નતાપિક પ્રવાહી ભરતાં તેની અંદરના અને બહારના તાપમાનમાં મોટો તફાવત રહેવાથી તેમાં તિરાડ પડવાની સંભાવના રહેલી છે. ટેફ્લોન પ્રવાહી હિલિયમના તાપમાને પણ સુનમ્ય (flexible) હોવાથી ક્રાયોજેનિક સાધનો બનાવવામાં ઘણી વાર તેનો ઉપયોગ થાય છે.

(2) શુદ્ધ સ્ફટિકમય પદાર્થોની ઉષ્માવહનક્ષમતા તાપમાન ઘટતાં વધે છે;  દા. ત., 60 K તાપમાને શુદ્ધ ચાંદીની ઉષ્માવાહકતા ઓરડાના તાપમાનની ઉષ્માવાહકતા કરતાં પચાસગણી વધારે જોવા મળે છે. સુવાહક ધાતુઓની વીજવાહકતા તાપમાન ઘટતાં વધે છે, પરંતુ અર્ધવાહકો(semiconductors)માં તેથી ઊલટું બને છે.

(3) પ્રવાહી હિલિયમ કેટલાક અવનવા અને રસિક ગુણધર્મો ધરાવે છે. હિલિયમ વાયુ બે સમસ્થાનિકો (isotopes), ³He અને ⁴He ધરાવે છે. ³He ફ્રર્મી-ડિરેક અને ⁴He બોઝ-આઇન્સ્ટાઇન સાંખ્યિકી-(statistics)ને અનુસરે છે. 4.2K તાપમાને હિલિયમ વાયુ પ્રવાહીમાં રૂપાંતર પામે છે જે હિલિયમ-I તરીકે ઓળખાય છે. 2.19K તાપમાને ફેઝ-રૂપાંતર થઈ તે હિલિયમ-IIમાં પરિણમે છે. આથી નીચા તાપમાને તે અતિતરલ (superfluid) બને છે. આવા તરલની સ્નિગ્ધતા (viscosity) શૂન્ય હોઈ તે અત્યંત બારીક કેશનળીમાંથી પણ (ઘર્ષણ વગર) વહી શકે છે.

(4) ઉપસૂક્ષ્મકૅલ્વીન (submicrokelvin) સીમામાં તાંબું નાભિકીય (nuclear) પ્રતિલોહચુંબકીય (antiferromagnetic) ગુણ ધરાવતું થાય છે.

(5) તાપમાન ઘટાડતાં સુવાહક ધાતુ તથા મિશ્રધાતુના ઉષ્મા-અવરોધ અને વીજ-અવરોધ ઘટે છે. તાપમાન સતત ઘટાડતાં એક એવું તાપમાન મળે છે, જ્યારે તેનો અવરોધ શૂન્ય થઈ જાય છે અને તેમાંથી અવિરતપણે વીજવહન થાય છે. આ ઘટનાને અતિવાહકતા (super-conductivity) અને પદાર્થને અતિવાહક (super-conductor) કહે છે. આવા પદાર્થો કેટલાક લાક્ષણિક ગુણધર્મો ધરાવે છે. જુદા જુદા પદાર્થો માટે અતિવાહક સ્થિતિમાં રૂપાંતર થવા માટેનાં તાપમાન જુદાં જુદાં હોય છે.

નિમ્નતાપિકીના ઉપયોગો આ પ્રમાણે છે : (1) રેફ્રિજરેટર જેવાં સાધનો દ્વારા ફળફળાદિ, શાકભાજી, ખાદ્યપદાર્થો તથા કેટલીક દવાઓની યથાવત્ જાળવણી લાંબા સમય સુધી કરી શકાય છે. પ્રવાહી નાઇટ્રોજનના તાપમાને લોહી તેમજ જૈવિક નમૂના બગડ્યા કે વિકાસ પામ્યા વિના સાચવી શકાય છે. ક્રાયોજેનિક મેડિસિન અને સર્જરીનું ક્ષેત્ર પ્રમાણમાં નવું છે પરંતુ ઝડપથી વિકસી રહ્યું છે.

(2) પ્રવાહી નાઇટ્રોજન પ્રમાણમાં ઓછો ખર્ચાળ, રાસાયણિક રીતે નિષ્ક્રિય અને સરસ શીતક છે. ચામડીના ડાઘા દૂર કરવામાં તેની સારવાર અસરકારક માલૂમ પડી છે. મસા દૂર કરવાથી માંડીને પાર્કિન્સન રોગ અને મગજના ઑપરેશનમાં નિમ્નતાપિકીનો ઉપયોગ શક્ય બન્યો છે. 1950 પછી કૃત્રિમ વીર્યદાન માટે પ્રવાહી નાઇટ્રોજન વડે વીર્યને થિજાવી તેની હેરફેર કરવાનું શક્ય બન્યું છે. ચીઝના ઉત્પાદન માટેના જીવાણુઓને પણ આ રીતે થિજાવવાનું શક્ય બન્યું છે. મગજમાંની ગાંઠ અને ગ્રીવા (cervical) કૅન્સરમાં પણ તે ઉપયોગી બની શકે તેમ છે.

(3) રૉકેટ, મિસાઇલ અને અવકાશયાનોમાં નીચા તાપમાને રાખેલા પ્રવાહી ઑક્સિજન અને પ્રવાહી હાઇડ્રોજનનો બળતણ તરીકે ઉપયોગ થાય છે. આને લીધે તેમના સંગ્રહ માટે ઓછી જગા જોઈએ છે. જોકે આ વાયુઓ સ્ફોટક હોવાથી તેમનો ઉપયોગ કાળજીપૂર્વક કરવો જરૂરી છે. અન્ય વાયુઓની હેરફેર પણ આ પ્રકારે શક્ય બની છે.

(4) આયર્ન અને સ્ટીલ ઉદ્યોગમાં જ્વલનની વિધિ તીવ્ર બનાવવા તથા આયર્ન અને સ્ટીલના ભંગારને શુદ્ધ કરવા જોઈતો ઑક્સિજન નિમ્નતાપિકી પદ્ધતિઓ દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. સ્ટીલની પટ્ટીઓના તાપાનુશીતન (annealing) માટે ઊંચી શુદ્ધતાવાળા નાઇટ્રોજન તેમજ પ્રવાહી ધાતુઓમાં રહેલા અનિચ્છનીય વાયુઓને દૂર કરવા વપરાતા ઉમદા વાયુઓ મેળવવા માટે પણ નિમ્નતાપિકીનો ઉપયોગ થાય છે. સ્ટીલના 180°K તાપમાને અવક્ષેપન–કઠોરણ (precipitation hardening) માટે પ્રવાહી નાઇટ્રોજનનો ઉપયોગ જાણીતો છે.

(5) અત્યંત શૂન્યાવકાશ મેળવવા માટે પણ નિમ્નતાપિકીનો ઉપયોગ થાય છે.

(6) સારા યંત્રીય ગુણધર્મો ધરાવતા અને ઊંચાં તાપમાનોએ ભારે વીજપ્રવાહ લઈ જઈ શકે તેવા અતિવાહકો બનાવવાના પ્રયત્નો હાલ થઈ રહ્યા છે. ફળસ્વરૂપે પ્રવાહી હાઇડ્રોજન વાપરી Nb₃^Ge (સંક્રમણ તાપમાન ~23K) જેવા અતિવાહકો વિકસાવી શકાયા છે. આવાં પ્રબળ વીજચુંબકો કણ-પ્રવેગકો(particle accelerators)માં વપરાય છે..

(7) કણ-પરખકો (particle detectors), નાભિકીય સંગલન (nuclear fusion), પારરક્ત સાધનો (devices), મેસર અને લેસરમાં પણ નિમ્નતાપિકી તાપમાનોનો ઉપયોગ થાય છે.

મોહનલાલ ભલેચંદ જૈન

શશીધર ગોપેશ્વર ત્રિવેદી