Надтекучість
 
а б в г д е 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
 

Надтекучість

Надтекучість, особливий стан квантовій рідині, знаходячись в якому рідина протікає через вузькі щілини і капіляри без тертя; при цьому протікаюча частина рідини володіє рівною нулю ентропією . Єдиним представником сімейства надплинних рідин довгий час вважався рідкий гелій 4 He що стає надплинним нижче за температуру Т l = 2,17 До (при тиску насиченої пари p s = 37,8 мм рт. ст. ) . Надплинний 4 He називався Не II (див. Гелій ) . С. Не II була відкрита П. Л. Капіцей в 1938. У 1972—74 було встановлено, що С. володіє також рідкий 3 He при температурі нижче Т з = 2,6 ×10 -3 До на кривій плавлення. Перехід нормальних рідких 4 He і 3 He в надплинний стан є фазовий перехід II роду.

загрузка...

  Надплинну рідину не можна представляти як рідину, що не володіє в'язкістю, т. до. эксперименты з крутильними коливаннями диска, зануреного в Не II, показали, що загасання коливань при температурі, не дуже далекій від Т l («лямбда-крапки»), мало відрізняється від загасання аналогічних коливань в Не I, який С. не володіє.

   Теорія надтекучості Не II. С. He ll була пояснена Л. Д. Ландау в 1941. Теорія Ландау, що отримала назву двохрідинної гідродинаміки, заснована на уявленні про те, що при низьких температурах властивості Не II як слабозбудженої квантової системи обумовлені наявністю в нім елементарних збуджень, або квазічастинок . Згідно цієї теорії, Не II можна представити таким, що складається з двох взаємнопроникаючих компонент: нормальною і надплинною.

  Нормальна компонента при температурах, не дуже близьких до Т l , є сукупністю квазічастинок двох типів — фононів (квантів звуку) і ротонов (квантів короткохвильових збуджень, що володіють більшою, ніж у фононів, енергією). При T = 0 щільність нормальної компоненти r n = 0, оскільки при цьому будь-яка квантова система знаходиться в основному стані і збудження (квазічастинки) в ній відсутні. При температурах від абсолютного нуля до 1,7—1,8 До сукупність елементарних збуджень в 4 He можна розглядати як ідеальний газ квазічастинок. З подальшим наближенням до T l із-за взаємодії квазічастинок, що помітно посилюється, модель ідеального газу стає непридатною. Взаємодія квазічастинок між собою і із стінками судини обумовлює в'язкість нормальною компоненти.

  Остання частина Не II — надплинна компонента — в'язкістю не володіє і тому вільно протікає через вузькі щілини і капіляри; її щільність r s = r   r n , де r — щільність рідини. При Т = 0, r s = r, при збільшенні температури концентрація квазічастинок зростає, тому r s зменшується і, нарешті перетворюється на нуль при Т = Т l (С. в l-крапці зникає, мал. 1 ). Згідно теорії Ландау, рідина перестає бути надплинною і у разі, коли швидкість її потоку перевищує критичне значення, при якому починається спонтанне утворення ротонов (див. Квантова рідина ) . При цьому надплинна компонента втрачає імпульс, рівний імпульсу ротонов, що випускаються, і, отже, гальмується. Проте експериментальне значення критичної швидкості істотно менше тієї, яка потрібна по теорії Ландау для руйнування С.

  З мікроскопічної точки зору поява С. в рідині, що складається з атомів з цілим спином ( бозонів ) , наприклад атомів 4 He, пов'язано з переходом при Т < Т l значного числа атомів в стан з нульовим імпульсом. Це явище називається Бозе — Ейнштейна конденсацією, а сукупність атомів, що перейшли в новий стан, — Бозе-конденсатом. Існування в Не II атомів, що володіють різним характером руху, — атомів конденсату і атомів, що не увійшли до конденсату, — приводить до двохрідинної гідродинаміки Ландау (Н. Н. Боголюбов ; 1947, 1963). Стан всіх часток Бозе-конденсату описується однією і тією ж квантовомеханічною хвилевою функцією (конденсатною функцією) в =, де n про щільність конденсату, j — фаза хвилевої функції. У випадку, якщо атоми слабо взаємодіють між собою, n про збігається з r s . В Не II із-за сильної взаємодії атомів n про складає при Т = 0 лише декілька відсотків r s . Швидкість руху надплинної компоненти u s пов'язана з j співвідношенням, де  — градієнт функції j, m —   маса атома 4 He,  і h — Планка постійна . Це означає, що надплинна компонента рухається потенційно (див. Потенційний перебіг ) і, отже, не випробовує опору з боку обтічних нею предметів і стінок каналу або судини.

  Потенційність перебігу надплинної компоненти може порушуватися на осях т.з. квантованих вихорів, які відрізняються від вихорів в звичайних рідинах (див. Вихровий рух ) тим, що циркуляція швидкості довкола осі вихору квантується (Л. Онсагер, 1948; Р. Фейнман, 1955). Квант циркуляції швидкості рівний h/m. Квантовані вихори здійснюють взаємодію між надплинною і нормальною компонентамі надплинної рідини. Ця взаємодія приводить хоча і до слабкого, але кінцевого загасання потоку надплинної рідини в замкнутому каналі. При деякій швидкості руху надплинної компоненти відносно нормальної компоненти або стінок судини квантовані вихори починають утворюватися настільки інтенсивно, що властивість С. зникає. В рамках цієї теорії С. пропадає при швидкостях, істотно що менших передбачаються теорією Ландау і ближчих до реальних значень критичної швидкості. Квантовані вихори спостерігаються експериментально при обертанні судини з Не II. Крім того, в експериментах з іонами, інжектіруємимі в Не II, виявлені квантовані вихори, що мають форму кільця.

  Надтекучість 3 He. За певних умов С. може здійснюватися і в системах, що складаються з атомів з напівцілим спином — ферміонів (у т.з. фермі-рідінах). Це відбувається у тому випадку, коли між ферміонами є сили тяжіння, які приводять до утворення зв'язаних станів пар ферміонів, т.з. куперовських пара (див. Купера ефект ) . Куперовськие пари володіють цілим спином, тому можуть утворювати Бозе-конденсат. С. такого роду здійснюється для електронів в деяких металах і носить назву надпровідності . Аналогічна ситуація має місце в рідкому 3 He, атоми якого мають спин 1 / 2 і утворюють типову квантову фермі-рідіну. Властивості фермі-рідіні можна описати як властивості газу квазічастинок-ферміонів з ефективною масою приблизно в 3 рази більшою, ніж маса атома 3 He. Сили тяжіння між квазічастинками в 3 He дуже малі, лише при температурах порядка декілька мК в 3 He створюються умови для утворення куперовських пар квазічастинок і виникнення С. Откритію С. в 3 He сприяло освоєння ефективних методів здобуття низьких температур Померанчука ефекту і магнітного охолоджування . З їх допомогою удалося з'ясувати характерні особливості діаграми стану 3 He при наднизьких температурах ( мал. 2 ). На відміну від 4 He (див. мал.(малюнок) 1 до ст. Гелій ) , на діаграмі стану 3 He виявлені дві надплинні фази (А і Би). Перехід нормальної фермі-рідіні у фазу А є фазовим переходом II роду ( теплота фазового переходу дорівнює нулю). У фазі A куперовськие пари, що утворилися, володіють спином 1 і відмінним від нуля моментом імпульсу. У ній можуть виникати області із загальними для всіх пар напрямами спинів і моментів імпульсу. Тому фаза А є анізотропною рідиною. У магнітному поле фаза А розщеплюється на дві фази ( A 1 і A 2 ) , кожна з яких також є анізотропною. Перехід з надплинної фази А в надплинну фазу В є фазовим переходом 1 роду з теплотою переходу ~1,5 ×10 -6 дж/моль (15 ерг/міль ) . Магнітна сприйнятливість 3 He під час переходу А ® У стрибком зменшується і продовжує потім зменшуватися з пониженням температури. Фаза В є, мабуть, ізотропною.

  Ефекти, супутня надтекучість. В надплинній рідині, окрім звичайного (першого) звуку (коливань щільності), може поширюватися т.з. другий звук, звук, що є, в газі квазічастинок (коливання щільності квазічастинок, а отже і температури). Надплинна рідина володіє аномально високою теплопровідністю, причиною якої є конвекція, — теплота переноситься макроскопічним рухом газу квазічастинок. При нагріванні Не II в одній із сполучених (через капіляр) посудин між судинами виникає різниця тиску (термомеханічний ефект). Цей ефект пояснюється тим, що в судині з більшою температурою виявляється підвищеною концентрація квазічастинок. Через те, що вузький капіляр не пропускає в'язкого потоку нормальної компоненти, виникає надлишковий тиск газу квазічастинок, подібний осмотичному тиску в розчині. Існує і зворотний — механокалоричний — ефект: при швидкому витіканні Не II через капіляр з судини температура усередині судини підвищується (у нім збільшується концентрація квазічастинок), а витікаючий гелій охолоджується. Цікавими властивостями володіє надплинна плівка гелію, що утворюється на твердій стінці судини. Так, наприклад, вона може вирівнювати рівні Не II в судинах, що мають загальну стінку.

  Літ.: Капіца П. Л., Експеримент, теорія, практика, М., 1974; Халатників І. М., Фомін І. А., Надтекучість і фазові переходи в рідкому гелії-З, «Природа», 1974 № 6; Халатників І. М., Теорія надтекучості, М., 1971; Квантові рідини. Теорія. Експеримент, М., 1969; Мендельсон До., На шляху до абсолютного нуля, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1971; William Е., Kelier, Helium-3 and Helium-4, N.-Y., 1969.

  Т. Е. Воловик.

Мал. 1. Діаграма, що ілюструє двохрідинну модель Не II (Т — абсолютна температура, r n /r — відношення щільності нормальної компоненти до щільності Не II).

Мал. 2. Діаграма стану 3 He при низьких температурах (T — абсолютна температура, r — тиск).