Курс общей физики. Механика и молекулярная физика - Ландау Л.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Со сверхтекучестью гелия II непосредственно связано также явление образования им «ползущей пленки». Уровни жидкого гелия, налитого в два разделенных перегородкой сосуда, с течением времени самопроизвольно выравниваются. Это перетекание происходит по тонкой (толщиной в несколько сотен ангстрем) пленке, образуемой жидким гелием на стенках; пленка играет при этом роль сифона (рис. б). Сам по себе факт образования пленки не является ¦390
вязкость
[гл. xv
особы,м свойством, присущим только гелию II. Пленки образуются всякой жидкостью, смачивающей твердую поверхность. В обычных жидкостях, однако, образование пленки и ее распространение по поверхности происходят чрезвычайно медленно из-за вязкости жидкости. Образование же и движение пленки у гелия II происходят быстро в силу его сверхтекучести. Скорость ползущей пленки достигает десятков сантиметров в секунду.
Мы говорили выше о вязкости гелия, измеренной по скорости протекания жидкости по тонкой щели. Но вязкость
жидкости можно измерять и другим способом. Если подвешенный в жидкости диск (или цилиндр) совершает крутильные колебания вокруг своей оси, то мерой вязкости служит испытываемое диском трение, приводящее к торможению его колебаний. Оказывается, что при таких измерениях гелий II обнаруживает хотя и небольшую, но отнюдь не равную нулю вязкость (порядка Ю-5 пуаз).
Теория, объясняющая эти парадоксальные свойства жидкого гелия (она была дана Л. Д. Ландау) не может быть изложена здесь, до изложения основ квантовой механики. Мы опишем, однако, ту физическую картину, к которой приводит эта теория.
Обычно представляется само собой разумеющимся, что для описания движения жидкости вполне достаточно указать ее скорость в каждом месте потока. Но уже это положение оказывается несправедливым для движения той квантовой жидкости, которой является гелий II.
Оказывается, что гелий II может совершать два движения одновременно, так что для описания его течения необходимо указать в каждой точке потока значения не одной, а сразу двух скоростей. Для наглядности представим себе, что гелий II является смесью двух жидкостей, двух компонент, которые могут двигаться независимо «друг через друга», не испытывая при этом никакого взаимного трения. Но в действительности все же жидкость всего одна, и необхо-
гч
f t I I
{ t + J
I \
J -I- --- I
? f
- ---- _ _ —
Рис. 6. § 124]
сверхтекучесть
397
димо подчеркнуть, что эта «двухжидкостная» модель гелия 11 является не более как удобным способом описания происходящих в нем явлений. Как и всякое описание квантовых явлений в классических терминах, оно не вполне адекватно,— естественная ситуация, если вспомнить, что наши наглядные представления являются отражением того, с чем мы сталкиваемся в обыденной жизни, между тем как квантовые явления проявляются обычно лишь в недоступном нашему непосредственному восприятию микромире.
Каждое из двух одновременно происходящих в жидком гелии движений связано с перемещением определенной массы жидкости. В этом смысле можно говорить о плотностях обеих «компонент» гелия II, хотя снова надо подчеркнуть, что такая терминология ни в коем случае не означает реального разделения атомов вещества на две категории. Каждое из двух движений является коллективным свойством большого числа одних и тех же атомов жидкости.
Оба движения совершенно различны по своим свойствам. Одно из них происходит так, как если бы соответствующая «компонента» жидкости не обладала никакой вязкостью; эта компонента называется сверхтекучей. Другая же компонента, называемая нормальной, движется как обычная вязкая жидкость.
Этим не исчерпывается различие между двумя видами движения в гелии II. Важнейшее различие заключается также в том, что нормальная компонента переносит при своем движении тепло; сверхтекучее же движение вообще не сопровождается каким бы то ни было переносом теплоты. В известном смысле можно сказать, что нормальная компонента — это и есть само тепло, которое становится в жидком гелии самостоятельным, отрываясь от общей массы жидкости и как бы приобретая способность перемещаться относительно некоторого «фона», находящегося при абсолютном нуле температуры. Эта картина радикально отличается от обычного, классического, представления о тепле как о хаотическом движении атомов, неотделимом от всей массы вещества.
Эти представления сразу позволяют объяснить основные результаты описанных экспериментов. Прежде всего устраняется противоречие между измерениями вязкости жидкости по трению, испытываемому вращающимся диском, и по 3S2
ВЯЗКОСТЬ
ГЛ. XV
протеканию жидкости через щель. В первом случае диск тормозится потому, что, вращаясь в жидком гелии, он испытывает трение о его «нормальную» часть, н по существу измеряется вязкость именно этой компоненты. Во втором же случае через щель протекает сверхтекучая часть гелия, а обладающая вязкостью нормальная компонента задерживается щелью, «просачиваясь» через нее весьма медленно; таким образом, в этом опыте обнаруживается отсутствие вязкости у сверхтекучей компоненты.
