Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ. ОПЫТНЫЕ ФАКТЫ
Только в следующем параграфе затрагиваются свойства легкого изотопа аНе. Диаграмма состояния гНе приведена на рис. 109.
При понижении температуры жидкий гелий претерпевает обратимое фазовое превращение второго рода, т. е. такое превращение, при котором не происходит выделения или поглощения 40г
?
є
сэ
5:
QJ
-5
CJ
*4
30
20-
W
Твердый Н е Плабление
- Жидкий Не II
Жидкий Неї
Критическая точна Испарение
X
1,0 2,0 3,0 it, 0 5,0 Т,К
Рис 109
тепла, а удельный объем жидкости остается неизменным (см. т. II, § 120). Температура перехода 7\ понижается с повышением давления по линейному закону от максимального значения 2,17 К при давлении насыщенных паров гелия (37,80 мм рт. ст.) до минимального значения 1,77 К при давлении 30 атм. На диаграмме состояния (Т,р) точки, в которых совершается указанный фазовый переход, располагаются вдоль пря мой, называемой Х-линией. Жидкость, температура которой (при одном и том же давлении) выше Тг, называется гелием-1, а жидкость, температура которой ниже Т*,—гелием-11. Фазовый переход проявляется, во-первых, в скачке теплоемкости при температуре 7\. По обе стороны от этой температуры теплоемкость гелия обращается в бесконечность по логарифмическому
закону С = const • In , т т , ,
но с различными коэффициентами пропорциональности (рис. 110).
Кривая теплоемкости напоминает греческую букву X. Отсюда и произошли названия Х-точка и Х-линия. Во-вторых, при переходе Не I Не II скачкообразно меняется температурный коэффициент расширения, который для Не II оказывается даже отрицательным.
385
МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
[ГЛ. VII
Гелий-1 ведет себя как обычная жидкость и обладает конечными значениями вязкости и теплопроводности. Гелий же II обладает рядом специфических свойств, совершенно непонятных с классической точки зрения и истолкованных только на основе квантовых представлений. В' этом состоит вторая причина, Почему его называют квантовой жидкостью (первая — уже упомянутое выше свойство гелия оставаться жидким при абсолютном нуле). Эти свойства являются проявлением одного — сверхтекучести гелия-П, открытой П. Л. Капицей (1894—1984) в 1937 г. Исследования течения жидкого гелия-П через узкие каналы и щели, производившиеся до Капицы, приводили к несогласованным результатам в отношении вязкости Не II. Капица показал, что причина несогласованности состояла в том, что каналы и щели были слишком широки. Если оценить числа Рейнольдса, пользуясь полученными значениями вязкости Не II, то они оказываются очень большими. При таких больших числах Рейнольдса течение Не II было бы турбулентным, тогда как его считали ламинарным. Капица добился ламинарности, исследуя течение гелия-П через очень узкие капилляры (диаметром около 10-5 см и меньше) и щели. Оказалось, что при этих условиях жидкий гелий-П протекает через капилляры, не испытывая сил вязкости. Это явление исчезновения вязкости и было названо сверхтекучестью. С другой стороны, как показали измерения Кеезома и Мак Вуда в 1938 г., вязкость Не II, измеренная по методу затухания крутильных колебаний диска, погруженного в Не II, оказалась конечной и вблизи Я-точки мало отличной от вязкости Не I.
3. Ниже описываются некоторые явления, наблюдающиеся в Не II. Однако для сокращения изложения мы сразу же даем и их толкование, основанное на так называемой двухжидкостной модели Не II, предложенной в 1938 г. Л. Тиссой (р. 1907), а затем обоснованной и усовершенствованной Л. Д. Ландау (1908— 1968) в 1941 г.
В основе этой модели лежит предположение, что Не II состоит из двух компонентов: нормального (и) и сверхтекучего (s), каждый из которых характеризуется своей плотностью (так что полная плотность жидкости равна р = р„ -f ps) и своими гидродинамическими скоростями vn и vs. Полная плотность потока импульса жидкости равна / = pnv„ -f psi>s. Плотность р„ нормального компонента стремится к нулю при Т-*¦ 0, когда гелий становится полностью сверхтекучим, а плотность ps сверхтекучего компонента обращается в нуль при Т> 7\, когда весь гелий превращается в Неї.
Впрочем, двухжидкостная модель является не более как только способом выражения, удобным для описания явлений, происходящих в Hell. Как и всякое описание квантовых явлений в классических терминах, двухжидкостная модель при бук-
СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ. ОПЫТНЫЕ ФАКТЫ
387
вальном ее понимании не является адекватной. Нельзя сказать, что гелий-Il состоит из нормальных и сверхтекучих атомов. Разделить его на такие атомы невозможно уже потому, что атомы гелия совершенно тождественны. При перестановке местами «нормального» и «сверхтекучего» атомов, если бы гелий-Il состоял из таковых, его состояние осталось бы в точности таким же, каким оно было до перестановки. В § 61 (пункт 4) будет приведена другая аргументация, почему о реальном различении Не II на нормальный и сверхтекучий компоненты и их фактическом отделении друг от друга не может быть речи. Кроме того, в покоящемся Не II различие между нормальным и сверхтекучим компонентами не обнаруживается. Точнее, надо было бы говорить не о существовании двух компонентов в Не II, а об одновременном сосуществовании двух движений — нормального и сверхтекучего. Плотности р„ и р$ играют при этом просто роль коэффициентов, показывающих вклад каждого из этих движений в тот или иной эффект. При использовании двухжидкостной модели надо всегда иметь в виду сделанную оговорку.
