Сверхтекучесть - чудесное свойство жидкого гелия

Сверхтекучесть - чудесное свойство жидкого гелия

Гелий - единственный элемент, который при атмосферном давлении не переходит в твёрдое состояние, а остаётся жидким даже при температуре, приближающейся к абсолютному нулю.

Гелий - инертный газ, второй после водорода по степени распространённости во Вселенной. Наиболее широко распространён его изотоп гелий-4. В его ядре 2 протона и 2 нейтрона. Из него состоит почти весь гелий, встречающийся в атмосфере. 99,999863% всего гелия на Земле - это гелий-4. Второй известный изотоп гелия - гелий-3, ядро которого состоит из 2 протонов и 1 нейтрона. Ему принадлежит 0,000137 % от атмосферного гелия.

Впервые жидкий гелий получил в 1908 г. голландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес, до этого создавший экспериментальную установку для сжижения газов. На этой установке ему удалось перевести в жидкое состояние кислород, неон, а в 1906 г. он получил жидкий водород.

Сверхтекучесть - чудесное свойство жидкого гелия

Хейке Камерлинг-Оннес

В 1922 г., проводя опыты, учёный обнаружил, что налитый им в пробирку жидкий гелий сам по себе поднимается по стенкам сосуда и вытекает наружу. Он поместил эту пробирку в ванну, наполненную гелием. Гелий вытекал до тех пор, пока его уровень не сравнялся с уровнем гелия в ванне. Если же уровень гелия в ванне был ниже, чем сама пробирка, гелий вытекал весь. Удивительно, но жидкий гелий способен перетекать из ёмкости, заполненной им, в абсолютно пустой стакан, погруженный в эту ёмкость, даже если верх этого стакана расположен выше уровня жидкости. И этот процесс будет происходить до тех пор, пока их уровни не сравняются.

Все описанные явления относятся к изотопу гелия-4. Объяснить их природу смогли лишь после того, как советский физик, академик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести, а другой выдающийся советский физик-теоретик Лев Давидович Ландау создал теорию сверхтекучести.

Сверхтекучесть жидкого гелия

Сверхтекучесть - чудесное свойство жидкого гелия 

Этот удивительный гелий

Чем ниже становится температура вещества, тем меньше скорость хаотического движения частиц в нём. При приближении температуры к абсолютному нулю все тела должны затвердеть. Так и происходит со всеми веществами, но не с жидким гелием. Этот удивительный элемент вместо того чтобы превратиться в твёрдое тело, вдруг начинает вести себя необычно, когда его температура становится ниже 2,17 К (-271оС). С ним происходят просто чудеса. Если оставить незакрытой пробирку с таким гелием, то через некоторое время она будет пуста. Гелий покинет её, поднимаясь по внутренней стенке. И неважно, какой высоты будет эта пробирка. Оказывается, при такой температуре жидкий гелий полностью теряет вязкость, трение в нём исчезает, и он становится сверхтекучим.

Это необычное свойство гелия было экспериментально установлено в 1938 г. советским физиком, академиком Пётром Леонидовичем Капицей. Жидкий гелий, обладающий свойствами жидкости до температуры 2,17 К, он назвал гелием-I, а новый, сверхтекучий гелий - гелием-II. А температура Тƛ = 2,17 К стала называться лямбда-точкой.

Сверхтекучесть - чудесное свойство жидкого гелия

Пётр Леонидович Капица

Жидкий гелий-I обладал свойствами обыкновенной жидкости и ничем особенным не выделялся. Хотя его вязкость по сравнению с вязкостями других жидкостей была мала (примерно в 500 раз меньше вязкости воды), её всё же можно было измерить. А у гелия-II она отсутствовала вообще.

Во время своего опыта учёный пропускал жидкий гелий через щели настолько тонкие, что даже такое текучее вещество, как вода, еле-еле могло бы просочиться сквозь них за много лет. Едва заметному количеству гелия-I удалось проникнуть через щель за более короткое время. Зато огромное по сравнению с гелием-I количество гелия-II вылилось сквозь щель всего за несколько секунд. Так была открыта сверхтекучесть.

Сверхтекучестью называют способность вещества терять свою вязкость и приобретать способность без трения протекать через узкие щели и капилляры. Сверхтекучесть возникает, когда температура приближается к абсолютному нулю.

Двухжидкостная модель гелия-II

Сверхтекучесть - чудесное свойство жидкого гелия

Лев Давидович Ландау

В 1941 г. академик Ландау предположил, что в гелии-II имеются две компоненты: нормальная и сверхтекучая. При Т = Тƛ (2,17 К) атомы жидкого гелия начинают проявлять свойства квантов, то есть жидкий гелий становится квантовой жидкостью. Частицы гелия-4 являются бозонами (частицами с целым спином). Они образуют подобие бозе-конденсата. Отсюда и способность течь без трения. Но в отличие от бозе-конденсата в гелии-II сохраняется взаимодействие между атомами. Нормальная компонента жидкого гелия состоит из фотонов и ротонов. Она переносит энергию, а движение слоёв жидкости происходит с трением.

При приближении температуры к абсолютному нулю свободной энергии становится всё меньше. При абсолютном нуле она отсутствует вообще. Поэтому весь гелий становится сверхтекучим. А при Т ˃ Тƛ свойство сверхтекучести исчезает.

Переход гелия-I в гелий-II называется фазовым переходом второго рода. Агрегатное состояние вещества при таких переходах не меняется, удельный объём также остаётся прежним. Оказалось, что при таком переходе теплопроводность гелия-II резко возрастает почти в миллион раз. Кроме того, поток тепла в двух разных точках гелия-II, расположенных практически рядом, абсолютно не зависит от разности температур в них. А когда гелий вытекает через капилляр из сосуда, температура в сосуде становится выше. Это означает, что и тепло в жидком гелии передаётся иначе, чем в обычных жидкостях.

Тепло в гелии-II может переносить только нормальная компонента. А по капилляру способна течь только сверхтекучая. Но она тепло не переносит. Поэтому в результате вытекания гелия количество тепла не меняется. А так как масса оставшейся жидкости уменьшается, то она нагревается.

Изотоп гелий-3 был открыт гораздо позже, в 1939 г. А жидкий гелий-3 получили в 1948 г. Он отличался по своим свойствам от жидкого гелия-4. Частицы гелия-3 являются фермионами (частицами с полуцелым спином). А парами они уже образуют целые спины и ведут себя как бозоны. То есть, теоретически сверхтекучесть гелия-3 также возможна. И действительно, в 1972 г. в жидком гелии-3 обнаружили сверхтекучесть, которая возникала при температуре менее 2,6 мК и давлении 34 атм.

Сверхтекучую жидкость получить очень сложно. Поэтому пока широкого применения в технике она не имеет. Но открытие сверхтекучести стало важным достижением в области фундаментальной физики. Оно привело к появлению новой науки - физики квантовых жидкостей.

А жидкий гелий используют для охлаждения в лабораториях исследуемых веществ до температуры, близкой к абсолютному нулю.