А   Б  В  Г  Д  Е  Є  Ж  З  І  Ї  Й  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Щ  Ю  Я 


Надтекучість - гелій

Надтекучість гелію може бути пояснена тільки на основі квантової теорії.

Деякі прояви надплинності гелію II сприймаються майже як курйози. В гелій II вертикально занурюють відкриту капілярну трубку аботрубку більшого діаметру, заповнену порошком, і нагрівають се знизу лампочкою кишенькового ліхтаря. Рідкий гелій починає фонтанувати.

Одним із наслідків надплинності гелію II є швидке переповзання його по стінках посудини у вигляді тонкої поверхневоїплівки. Якщо частково опустити порожню відкриту зверху пробірку в гелій II, то рідина буде в неї перетікати через цю поверхневу плівку, діючу як система капілярних каналів.

Радіальний електромагнітний сепаратор. Одним із наслідків надплинностігелію II є швидке переповнення його по стінках посудини у вигляді тонкої поверхневої плівки.

Теплоємність гелію II. Покажемо тепер, що надтекучість гелію II випливає з описаних вище властивостей енергетичного спектру. Почнемо з розгляду рідкого гелію приабсолютному нулі; при цій температурі рідина знаходиться у своєму нормальному, не збудженому стані.

У чому полягає явище надплинності гелію.

У 1941 році Ландау теоретично обгрунтував надтекучість гелію.

Рассмотрім деякі основисучасних квантових уявлень про надплинності гелію II. Перш за все слід сказати, що тільки квантова теорія пояснила, чому саме гелій є єдиною незамерзаючої рідиною при дуже низьких температурах і нормальному тиску. Квантова теоріяпоказує, що, на відміну від класичних уявлень, при будь як завгодно низькій температурі речовини (в тому числі і при Т 0) існують нульові коливання атомів і молекул. Їм відповідає деяка нульова енергія, яку неможливо відняти у речовини. Відповідь напитання про те, чи залишається речовина поблизу абсолютного нуля рідким або твердим, залежить від того, що відіграє визначальну роль - межмолекулярное тяжіння, що викликає утворення кристалічної решітки, або нульові коливання, що перешкоджають цьому утворенню.

Пришвидкостях течії, що задовольняють умові (6.1), надтекучість гелію в усякому разі повинна зникнути.

Нарада відзначає величезну принципове значення відкриття і дослідження надплинності гелію II, а також розвитку квантової теорії цього явища,виконаних радянськими вченими.

Правда, може бути і безпосереднє післямова до теорії надплинності гелію II. В першу чергу слід назвати експеримент, за допомогою якого фізики отримали криву енергетичного спектру.

Кеезомамі, Капіца відкривдійсно нове у фізиці явище - надтекучість гелію II. Так і проситься порівняння з Колумбом, який поплив шукати шлях до Індії, а відкрив Америку. Може, це порівняння дещо поверхово. Тому що, хоча саме явище надплинності було несподіваним, Капіцавідкрив його зовсім не випадково і швидко зрозумів, що Америка - це Америка.

При низьких темп-рах, не дуже близьких до темп-ро Т зникнення надплинності гелію, норм, компонента являє собою газ квазічастинок (елементарних порушенні системи), я ВЗ - звукові хвилів газі квазічастнц. У чистому Не це звукові хвилі в системі ротони і фононів.

І виявилося, що здогад Ландау аріадніной ниткою призводить до пояснення надплинності гелію. Це випливає з самої картини енергетичного спектру, такого, яким намалював йогоЛандау.

При дуже низьких температурах (поблизу абсолютного нуля) відкриті незвичайні властивості матерії - надпровідність деяких металів, надтекучість гелію та інші.

Оскільки ще не минув 50-річний термін зберігання документації нобелівських комітетів, мипоки мало що знаємо про номінування відкриття надплинності гелію в 50 - х роках. Знаємо лише за документами з особистого архіву Нільса Бора в Копенгагені, що той двічі висував обох претендентів, Капицю і Ландау, в 1956 і 1960 роках.

Ми вже відзначали, що техніка роботи заномальними середніми типу pi вперше була розроблена[53]саме в зв'язку із завданням про надплинності гелію. Аналогічні релятивістські моделі з'явилися значно пізніше.

Сердечно вдячний Вам за Ваше люб'язне лист з копією замітки, надісланій Вами в Nature, проВашому чудовому і дуже важливому відкритті надплинності гелію нижче точки переходу.

При температурах, близьких до абсолютного нуля, виявляються вельми незвичайні властивості речовин, такі як надпровідність металів, тобто майже повна відсутність електричногоопору, і надтекучість гелію, тобто майже повне зникнення в'язкості.

І це межа: заважає надтекучість гелію. А ось легкий ізотоп гелію - гелій - Ill не стає надтекучим до дуже низьких температур порядку 10 - 3 К. Гелій-Ill менш щільний, ніж звичайнийгелій, кипить при більш низькій температурі, і теплота випаровування у нього багато менше. Але коли фізики вивчили, що відбувається, якщо змішати гелій - Ш і звичайний гелій, то знайшли спосіб знизити температуру ще нижче. Це дозволило створити дуже ефективну холодильну машину,звану кріостат розчинення, за допомогою якої вдається отримати температури порядку тисячних часток Кельвіна. Інший спосіб отримання наднизьких температур - магнітне охолодження. Ще в 1926 р. учені прийшли до висновку, що температури нижче 1 К можуть бутидосягнуті шляхом використання магнітних властивостей парамагнітних солей.

При охолодженні рідкого гелію нижче температури 217 К, яка носить назву К-точки, в ньому виникає квантова конденсація, почасти нагадує конденсацію куперовських пар в надпровіднику.Подібне конденсована стан, відоме як надтекучість гелію, або гелій II, характеризується дуже малим коефіцієнтом в'язкості, великою теплоємністю і хорошою теплопровідністю. У надплинному гелії спостерігаються також великі значення коефіцієнтатеплопередачі на кордоні з металом. У зв'язку з цим неодноразово висловлювалися припущення про можливість використання надтекучого гелію в якості хладоагента для стаціонарної стабілізації надпровідних магнітів. При такому підході крім збільшення запасустабільності та коефіцієнта заповнення обмотки сверхпроводником зростає критична щільність струму в надпровіднику за рахунок пониження температури.

У свій час вважалося, що гелій утворює на поверхні якусь особливу плівку, ооладающую особливимивластивостями, завдяки яким і відбувається явище перетікання його. Ясно, що справа не в цьому, а справа саме надплинності гелію; Аама плівка утворюється і у всіх інших рідин. Якщо вода змочує посудину, то і вода піднімається по стінках цієї судини плівкою того жмасштабу і може бути, навіть більшого, ніж це має місце у гелію, але ота плівка не може текти, вона відчуває опір, свехтекучій ж гелій переповзає за допомогою цієї плівки великими швидкостями.

Не будемо тут скільки-небудь докладно зупинятися назмісті книги, оскільки вже оглавление дає про це достатнє уявлення. В цілому книга присвячена викладу основних експериментальних даних про надпровідність і про надплинності гелію II, яке супроводжується досить докладним освітленняммакроскопічної теорії. Остання розвивається в основному в спрощеній формі, але вказуються також результати більш суворих розрахунків. В якійсь мірі це пов'язано з тим, що книга була закінчена в 1973 р. Правда, для російського її видання автори надіслали кілька приміток,не кажучи про виправлення описок та додаткових посиланнях на літературу.

Квантова механіка сьогодні пронизує всю фізику. Вона пояснює структуру і властивості твердих тіл, випромінювання і поглинання світла атомами, надтекучість гелію і надпровідність металів.

Так було вимовлено слово надтекучість. Збираючись виявити витоки і причини явно ненормальною сверхтеплопроводності, виміряної Кеезомамі, Капіца відкрив дійсно нове у фізиці явище - надтекучість гелію II. Так і проситься порівняння з Колумбом,який поплив шукати шлях до Індії, а відкрив Америку. Може, це порівняння дещо поверхово. Тому що, хоча саме явище надплинності було несподіваним, Капіца відкрив його зовсім не випадково і швидко зрозумів, що Америка - це Америка.

Даний екскурс в історіюнауки характеризує низьку компетентність автора документа. Камерлінг-Оннес виявив явище надпровідності в 1911 р., коли Капіці було 17 років і він тільки що закінчив реальне училище, а рідкий гелій отримав ще раніше, в 1908 р. Принципово нове явище -надтекучість гелію (в документі помилково пойменоване надпровідністю) Капіца виявив в 1938 р., через 12 років після смерті Камерлінг-Оннес. У 1978 р. за фундаментальні винаходи і відкриття в галузі фізики низьких температур Капіца був удостоєний Нобелівської преміїз фізики.

Звичайна рідина майже не просочується крізь таку щілину; так поводиться і гелій при температурі вище 219 к. Але ледве тільки температура стає нижче 219 К, швидкість витікання гелію стрибком зростає принаймні в тисячі разів. Надтекучість геліюпризводить до ще більш дивним явищу. Гелій II здатний сам вилазити зі склянки чи пробірки, куди він налитий.

Для спостереження надплинності виготовляється посудину, в дні якого є дуже вузька щілина - шириною всього лише в полмікрона. Звичайна рідина майже непросочується крізь таку щілину; так поводиться і гелій при температурі вище 219 К - Але ледве тільки температура стає нижче 219 К, швидкість витікання гелію стрибком зростає принаймні в тисячі разів. Надтекучість гелію призводить до ще більш дивним явищу.Гелій II здатний сам вилазити зі склянки чи пробірки, куди він налитий.

В області близьких до абсолютного нуля температур відомі речовини виявляють дивовижні риси, на які й натяку немає при звичайних температурах. Сучасна наука розглядає їх якмакроскопічні прояви квантово-механічних закономірностей, так як класична фізика не вміщає такого роду явища. З одним із них - надплинності гелію II-ми знайомі. Ще більша наукове і технічне значення має в наші дні явище, що носить назвунадпровідності.

Гелій II протікає через капіляри практично без тертя. Це властивість гелію II було названо надплинності гелію.

Частинки накопичуються при абсолютному нулі температури в основному, найменшому з енергії стані. Це явище називаєтьсяконденсацією Бозе - Ейнштейна. Воно відіграє важливу роль при поясненні надпровідності металів і надплинності гелію при низьких температурах. Перехід частинок з основного стану в перше порушену вимагає витрати кінцевого кількості енергії. Якщо середнєзначення теплової енергії частинок менше цього енергетичного інтервалу, то частинки не можуть перейти з основного стану в інші і вибувають із загальної картини теплового руху. Сконденсовані частинки практично не дають вкладу в тиск газу.

З 1946 року П.Л.Капіца неодноразово висувався на Нобелівську премію іноземними номінатора (див. табл. 4.1 і 6.1), висувався теж в однині. Сведберг та ін не конкретно за відкриття надплинності, а за сукупність його експериментальних досліджень стану матерії всильних магнітних полях і при наднизьких температурах. Але коли згодом, у 1956 і 1960 рр, Бор вважав більш доцільним обмежити зміст номінації тільки блискучим відкриттям надплинності гелію, він закономірно представив в Нобелівський комітет двікандидатури на одну премію - П. Л. Капіци, першовідкривача явища, і Л. Д. Ландау, творця теорії надплинності.

Критична температура (Ткр), названа за пропозицією Д.І. Менделєєва абсолютної температурою кипіння - температура, при якій зникає відмінністьміж жидко - і газоподібним станом речовини. При температурах понад Ткр речовина переходить в надкритичний стан без кипіння і пароутворення (фазовий перехід 2-го роду), при якому теплота випаровування, поверхневий натяг і енергії міжмолекулярноївзаємодії дорівнюють нулю. При сверхкритическом стані виникають характерні флуктуації щільності (розшарування за висотою посудини), що призводить до розсіювання світла, загасанню звуку та іншим аномальних явищ, таким як надпровідність і надтекучість гелію. Дляречовин, що знаходяться в сверхкритическом стані, не застосовні закономірності абсорбції, адсорбції, екстракції і ректифікації.

Для спостереження надплинності виготовляється посудину, в дні якого є дуже вузька щілина - шириною всього лише в полмікрона. Звичайнарідина майже не просочується крізь таку щілину; так поводиться і гелій при температурі вище 219 к. Але ледве тільки температура стає нижче 219 К, швидкість витікання гелію стрибком зростає принаймні в тисячі разів. Надтекучість гелію призводить до ще більшдивним явищу. Гелій II здатний сам вилазити зі склянки чи пробірки, куди він налитий. Пробірку з гелієм II поміщають в дьюарі над гелієвої ванній. Ні з того ні з сього гелій піднімається по стінці пробірки у вигляді найтоншої абсолютно непомітною плівки і перетікає черезкрай; із денця пробірки капають краплі.

Для спостереження надплинності виготовляється посудину, в дні якого є дуже вузька щілина - шириною всього лише в полмікрона. Звичайна рідина майже не просочується крізь таку щілину; так поводиться і гелій при температурівище 219 к. Але ледве тільки температура стає нижче 219 К, швидкість витікання гелію стрибком зростає принаймні в тисячі разів. Надтекучість гелію призводить до ще більш дивним явищу. Гелій II здатний сам вилазити зі склянки чи пробірки, куди він налитий.

Дійсно, уповільнення означало б, що зменшилася кінетична енергія русі рідини. А енергія може зменшитися завдяки тертю рідини об стінки капіляра або тертю всередині самої рідини, тобто завдяки в'язкості. Але відсутність в'язкості адже і єнадтекучість. Таким чином встановлюється прямий зв'язок між надплинності гелію і постійністю кінетичної енергії його руху.

Це призводить до чудовому властивості газу з частинок Бозе: при низькій температурі настає своєрідна конденсація цьогогазу, навіть якщо припустити, що газ - абсолютно ідеальний, так що сили взаємодії бзсконечно малі. Теорія ідеального газу Бозе була розвинена Н. Н. Боголюбовим (Journ. Ця теорія дозволяє дати тлумачення цікавого явища надплинності гелію.

Імена Ландау іКапіци пов'язані тісно в науці і житті. Борн отримав кафедру в Единбурзі, а Капіца запропонував Ландау очолити цей відділ. Саме тут Капіца відкрив надтекучість гелію, а Ландау створив теорію цього фундаментального явища. За цю роботу йому в 1962 р., вже після трагічноїавтомобільної аварії, була присуджена Нобелівська премія з фізики.

Перебувають поблизу поверхні Фермі електрони в металах можуть утворювати попарно зв'язані стани. Ці пари при низьких температурах зазнають конденсацію в просторі імпульсів, щоведе до виникнення надплинності. Але надтекучість таких систем проявляється як надпровідність, так як частинки системи мають електричний заряд. Дуже цікаве питання, чи є надтекучість гелію і і надпровідність електронної плазми в металахєдиними квантово-ко-герентнимі станами рідин. Електронна плазма в металах нагадує рідину. Цілком імовірно, що надтекучість і надпровідність у всесвіті поширені більш широко. Вони можуть зустрічатися у великих згустках ядерної матерії,які, по суті, теж є рідкі системи.

Ландау добре знав здобутки сучасної йому експериментальної фізики, причому це твердження в рівній мірі відноситься і до фізики ядра, і до фізики твердого тіла, і до фізики елементарних частинок. Він завждиохоче вислуховував експериментаторів, що розповідали йому про свої роботи. Це відноситься і до робіт Шубнікова по надпровідності і антиферомагнетизмом, і до чудовій роботі Капіци про надплинності гелію, ця робота сприяла створенню фундаментальної теоріїнадплинності Ландау. За цю роботу та інші дослідження в галузі теорії конденсованого стану Ландау в листопаді 1962 р. була присуджена Нобелівська премія. У тому ж році Ландау був удостоєний (спільно з Є. М. Ліф-шіцем) Ленінської премії за курс теоретичної фізики.

Система котушок, призначена для вимірювання поздовжньої намагниченности дроти. Критичну густину струму і намагніченість вимірюють звичайно при постійній температурі 4 2 К, так як саме при цій температурі найчастіше працюють надпровідні магніти. Вокремих випадках, однак, необхідно також знати залежність вказаних характеристик від температури. Якщо, наприклад, магніт працює в замкнутому циклі, то в лінії повернення гелій знаходиться при підвищеному тиску - приблизно 025 ат, при якому температура кипіннярідкого гелію становить приблизно 4 5 К. Дані про температурної залежності зазначених характеристик потрібні також для розрахунку стабільності проводів. Разом з тим часто бажано використовувати магніт при знижених температурах, щоб отримати більш високі критичніполя і струми (рис. 1.1) або поліпшити тепловідвід за рахунок надтекучості гелію для досягнення стаціонарної стабільності.

Діаграма стану гелію.

При охолодженні рідкого гелію до температури 219 К він поводиться, як звичайна рідина, яка називається гелій-1. Вцьому стані гелій являє собою як би суміш двох рідин, одна з яких яв ляется звичайною рідиною (гелій-1), а інша являє собою надтекучої компоненти, абсолютно позбавлену в'язкості. Ці два компоненти можуть рухатися одна усередині іншої безвзаємодії між собою. Виявилося, що збільшення надтекучої компоненти в гелії-II пов'язано зі зниженням його температури і при абсолютному нулі весь рідкий гелій повинен перейти в надтекучий стан. Таким чином, фільтруючи надтекучої компоненти рідкогогелію при його протіканні через капіляр, можна як завгодно близько наближатися до температури абсолютного нуля. Явище надтекучості гелію доводить, що і при абсолютному нулі зберігається рух молекул, що перешкоджає утворенню кристалічної решітки гелію.

Особливе місце серед простих речовин VIIIA-групи займає гелій. По-перше, це найбільш важко зріджується газ, по-друге, це єдиний елемент, для якого твердий стан досягається тільки при підвищеному тиску (близько 25 - Ю6 Па), по-третє, в рідкому станігелій має особливі властивості. Ця рідина з особливими і унікальними властивостями: вона практично не володіє в'язкістю (надтекучість), має колосальну теплопровідність (в 3 - 108 разів більше гелію-I), а також проявляє ряд інших аномальних ефектів. Томунадтекучий Не - П називають квантової рідиною. Існує глибока аналогія між надплинності гелію - П і надпровідністю металів.

Згадані вище теорії зовсім не враховують квантових ефектів, які повинні виявлятися при досить низьких температурах. Єдиною рідиною, не замерзає (при звичайному тиску) навіть при абсолютному нулі температури, є рідкий гелій. Теорія ця, приведена до більш конкретній формі Є. М. Ліфшицем, була потім блискуче підтверджена на досвіді Пєшкова. Незважаючи на ці успіхи, концепція Ландау в ряді відносин видається спірною і, мабуть, може бути замінена менш парадоксальною концепцією, заснованої на послідовному застосуванні до гелію статистики Бозе, якій повинні підкорятися атоми гелію. Однак Лондону не вдалося врахувати взаємодії між атомами гелію, який він трактував як ідеальний газ, через що намічена ним програма залишалася невиконаною. Цю програму вдалося недавно (у 1946 р.) виконати радянському математику Н. Н. Боголюбову, який показав, що властивість надплинності гелію може бути пояснено виходячи зі статистики Бозе при обліку переважання сил відштовхування між атомами над силами тяжіння.

Його теорія еволюції, що стверджувала, що придбані ознаки успадковуються, зробила великий вплив на розвиток еволюційних уявлень в XIX столітті, але пізніше була спростована Чарлзом Дарвіном. У книзі філософія зоології Ламарк висунув припущення, що нові потреби, що виникають у організму, призводять до зміни його звичок і способу життя і, як наслідок, до зміни його морфології, а потім придбані таким чином ознаки передаються потомству. Зокрема, він вважав, що довга шия жирафа - результат того, що ця тварина тягнеться за листям, зростаючими високо. У 1927 році вчений запропонував описувати стану системи за допомогою матриць щільності в енергетичному представленні. У 1962 році Ландау був удостоєний Нобелівської премії з фізики за дослідження надплинності гелію.

З усіх людей, яких я сам бачив або знав, можу порівняти Ландау лише зРічардом Фейнманом, який багатьом відомий по його книгах. Ландау, безсумнівно, не перевершував їх своїми науковими досягненнями і сам оцінював себе правильно, ставлячи згаданих і деяких інших фізиків вище себе за досягненнями. І якщо я виділяю Ландау з усіх, то тому, що оцінка його класу складається з багатьох інгредієнтів. Наукові досягнення Ландау першокласні - це квантова теорія рідин (зокрема, теорія надплинності гелію), теорія фазових переходів і ряд інших прекрасних робіт.