Сверхтекучесть - гелий
Cтраница 3
В области близких к абсолютному нулю температур известные вещества обнаруживают удивительные черты, на которые и намека нет при обычных температурах. Современная наука рассматривает их как макроскопические проявления квантово-механических закономерностей, так как классическая физика не вмещает такого рода явления. С одним из них - сверхтекучестью гелия II-мы знакомы. Еще большее научное и техническое значение имеет в наши дни явление, носящее название сверхпроводимости. [31]
Гелий II протекает через капилляры практически без трения. Это свойство гелия II было названо сверхтекучестью гелия. [32]
Частицы скапливаются при абсолютном нуле температуры в основном, наименьшем по энергии состоянии. Это явление называется конденсацией Бозе - Эйнштейна. Оно играет важную роль при объяснении сверхпроводимости металлов и сверхтекучести гелия при низких температурах. Переход частиц из основного состояния в первое возбужденное требует затраты конечного количества энергии. Если среднее значение тепловой энергии частиц меньше этого энергетического интервала, то частицы не могут перейти из основного состояния в другие и выбывают из общей картины теплового движения. Сконденсированные частицы практически не дают вклада в давление газа. [33]
С 1946 года П.Л. Капица неоднократно выдвигался на Нобелевскую премию иностранными номинаторами ( см. табл. 4.1 и 6.1), выдвигался тоже в единственном числе. Сведберг и др. не конкретно за открытие сверхтекучести, а за совокупность его экспериментальных исследований состояния материи в сильных магнитных полях и при сверхнизких температурах. Но когда впоследствии, в 1956 и 1960 гг., Бор счел более целесообразным ограничить содержание номинации только блистательным открытием сверхтекучести гелия, он закономерно представил в Нобелевский комитет две кандидатуры на одну премию - П. Л. Капицы, первооткрывателя явления, и Л. Д. Ландау, создателя теории сверхтекучести. [34]
Критическая температура ( Ткр), названная по предложению Д.И. Менделеева абсолютной температурой кипения - температура, при которой исчезает различие между жидко - и газообразным состоянием вещества. При температурах свыше Ткр вещество переходит в сверхкритическое состояние без кипения и парообразования ( фазовый переход 2-го рода), при котором теплота испарения, поверхностное натяжение и энергии межмолекулярного взаимодействия равны нулю. При сверхкритическом состоянии возникают характерные флуктуации плотности ( расслоение по высоте сосуда), что приводит к рассеянию света, затуханию звука и другим аномальным явлениям, таким как сверхпроводимость и сверхтекучесть гелия. Для веществ, находящихся в сверхкритическом состоянии, не применимы закономерности абсорбции, адсорбции, экстракции и ректификации. [35]
Для наблюдения сверхтекучести изготовляется сосуд, в дне которого имеется очень узкая щель - шириной всего лишь в полмикрона. Обычная жидкость почти не просачивается сквозь такую щель; так ведет себя и гелий при температуре выше 2 19 К. Но едва только температура становится ниже 2 19 К, скорость вытекания гелия скачком возрастает по крайней мере в тысячи раз. Сверхтекучесть гелия приводит к еще более странному явлению. Гелий II способен сам вылезать из стакана или пробирки, куда он налит. Пробирку с гелием II помещают в дьюаре над гелиевой ванной. Ни с того ни с сего гелий поднимается по стенке пробирки в виде тончайшей совершенно незаметной пленки и перетекает через край; с донышка пробирки капают капли. [36]
Для наблюдения сверхтекучести изготовляется сосуд, в дне которого имеется очень узкая щель - шириной всего лишь в полмикрона. Обычная жидкость почти не просачивается сквозь такую щель; так ведет себя и гелий при температуре выше 2 19 К. Но едва только температура становится ниже 2 19 К, скорость вытекания гелия скачком возрастает по крайней мере в тысячи раз. Сверхтекучесть гелия приводит к еще более странному явлению. Гелий II способен сам вылезать из стакана или пробирки, куда он налит. [37]
Действительно, замедление означало бы, что уменьшилась кинетическая энергия движении жидкости. А энергия может уменьшиться благодаря трению жидкости о стенки капилляра или трению внутри самой жидкости, то есть благодаря вязкости. Но отсутствие вязкости ведь и есть сверхтекучесть. Таким образом устанавливается прямая связь между сверхтекучестью гелия и постоянством кинетической энергии его движения. [38]
Это приводит к замечательному свойству газа из частиц Бозе: при низкой температуре наступает своеобразная конденсация этого газа, даже если предположить, что газ - совершенно идеальный, так что силы взаимодействия бзсконечно малы. Теория идеального газа Бозе была развита Н. Н. Боголюбовым ( Journ. Эта теория позволяет дать толкование интересному явлению сверхтекучести гелия. [39]
Имена Ландау и Капицы связаны тесно в науке и жизни. Борн получил кафедру в Эдинбурге, а Капица предложил Ландау возглавить этот отдел. Именно здесь Капица открыл сверхтекучесть гелия, а Ландау создал теорию этого фундаментального явления. За эту работу ему в 1962 г., уже после трагической автомобильной аварии, была присуждена Нобелевская премия по физике. [40]
Находящиеся вблизи поверхности Ферми электроны в металлах могут образовывать попарно связанные состояния. Эти пары при низких температурах претерпевают конденсацию в пространстве импульсов, что ведет к возникновению сверхтекучести. Но сверхтекучесть таких систем проявляется как сверхпроводимость, так как частицы системы имеют электрический заряд. Очень интересен вопрос, являются ли сверхтекучесть гелия и и сверхпроводимость электронной плазмы в металлах единственными квантово-ко-герентными состояниями жидкостей. Электронная плазма в металлах напоминает жидкость. Вполне вероятно, что сверхтекучесть и сверхпроводимость во вселенной распространены более широко. Они могут встречаться в больших сгустках ядерной материи, которые, в сущности, тоже представляют собой жидкие системы. [41]
Ландау хорошо знал достижения современной ему экспериментальной физики, причем это утверждение в равной мере относится и к физике ядра, и к физике твердого тела, и к физике элементарных частиц. Он всегда охотно выслушивал экспериментаторов, рассказывавших ему о своих работах. Это относится и к работам Шубникова по сверхпроводимости и антиферромагнетизму, и к замечательной работе Капицы о сверхтекучести гелия, эта работа содействовала созданию фундаментальной теории сверхтекучести Ландау. За эту работу и другие исследования в области теории конденсированного состояния Ландау в ноябре 1962 г. была присуждена Нобелевская премия. В том же году Ландау был удостоен ( совместно с Е. М. Лиф-шицем) Ленинской премии за курс теоретической физики. [42]
 |
Система катушек, предназначенная для измерения продольной намагниченности провода. [43] |
Критическую плотность тока и намагниченность измеряют обычно при постоянной температуре 4 2 К, так как именно при этой температуре чаще всего работают сверхпроводящие магниты. В отдельных случаях, однако, необходимо также знать зависимость указанных характеристик от температуры. Если, например, магнит работает в замкнутом цикле, то в линии возврата гелий находится при повышенном давлении - приблизительно 0 25 ат, при котором температура кипения жидкого гелия составляет примерно 4 5 К. Данные о температурной зависимости указанных характеристик нужны также для расчета стабильности проводов. Вместе с тем часто желательно использовать магнит при пониженных температурах, чтобы получить более высокие критические поля и токи ( рис. 1.1) или улучшить теплоотвод за счет сверхтекучести гелия для достижения стационарной стабильности. [44]
 |
Диаграмма состояния гелия. [45] |
Страницы: 1 2 3 4