Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Е результате, пока температуры не выравняются, уровень гелия в менее нагретом сосуде окажется ниже, чем в более нагретом. Таким образом, при наличии в Hell градиента температуры возникает течение сверхтекучей части в направлении против этого градиента. Это и есть термомеханический эффект.
Яркой демонстрацией термомеханического эффекта может служить так называемое фонтанирование гелия, впервые наблюдавшееся в 1938 г. Алленом (р. 1908) и Джонсом. Один конец широкой трубки (рис. ИЗ), плотно заполненной наждачным порошком, погружался в гелиевую ванну, а к другому был приделан вертикальный капилляр. При освещении наждачного порошка (достаточно было света от карманного фонарика) он нагревался, и сверхтекучий поток устремлялся из ванны в трубку с такой скоростью,
390
.МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
[ГЛ. VII
что из капилляра била струя Hell, достигавшая высоты 30—40 см.
7. На поверхности тел, погруженных в жидкий гелий, образуются тонкие пленки, толщина которых при давлении насыщенных паров составляет около 30 нм, или 100 атомных слоев. Образование аналогичных пленок происходит и в случае других жидкостей (например, керосина). Но из-за отсутствия вязкости Hell его сверхтекучая часть течет внутри пленки, как по узкому каналу, — явление, наблюдавшееся Камерлинг-Оннесом еще в 1922 г. Благодаря этому пустая пробирка, опущенная в ванну с Не II, начинает наполняться жидкостью, даже если ее верхний
а)
6)
t j t < f t і і
t і tj ¦ 1 і t t
I * і iHr: LTiZ I +
* I * — ' 1 I
. і ; *
— _Г“— --
Рис. 114
конец расположен выше уровня Не II (рис. 114, а). Наполнение продолжается до тех пор, пока уровни жидкости в пробирке и в ванне не сравняются.. Если после этого пробирку приподнять, то она опустошается (рис. 114,6). Опустошение продолжается и в том случае, когда пробирка приподнята над уровнем жидкости в ванне целиком. В последнем случае образуются капли, падающие в ванну с наружной поверхности дна пробирки (рис. 114,в). В1 этих опытах пленка Не II работает как сифон, причем движущую силу для сверхтекучей части создает главным образом разность гравитационных потенциалов между концами пленки. Типичное значение для скорости сверхтекучей части Не II составляет около 20 см/с. Нормальная часть жидкости, из-за своей вязкости, остается в пленке практически неподвижной.
8. Уже в ранних исследованиях (1935 г.) В. Кеезом и его дочь А. Кеезом обнаружили, что переход Не І в Не II сопровождается резким возрастанием теплопроводности (примерно в 106 раз). Теплопроводность Не II в сотни раз больше, чем у лучших металлических проводников тепла. Кроме того, оказа-
СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ ОПЫТНЫЕ ФАКТЫ
391
лось, что поток тепла в Не II не пропорционален градиенту температуры, так что невозможно говорить о «коэффициенте теплопроводности» Не II в обычном смысле слова. Как доказал П. Л. Капица, аномалии в передаче тепла в Не II являются следствием его сверхтекучести. Теплопередача в Не II носит конвективный характер. Действительно, допустим, что Не II как целое покоится и что между двумя точками его возникла разность температур. Тогда из-за термомеханического эффекта сверхтекучая часть Не II начнет двигаться в сторону более высокой температуры. Возникнет и обратное движение нормальной части Не II, так как полный импульс жидкости должен оставаться равным нулю. Сверхтекучая и нормальная части движутся «одна сквозь другую», не испытывая трения. Сверхтекучая часть не переносит тепла. Все тепло связано с движением нормальной части. Таким движением и объясняется аномально высокая теплопередача в Не II.
Из-за аномально высокой теплопередачи фактически невозможно создать в толще Не II температурный градиент. С этим связано внезапное прекращение кипения при охлаждении жидкого гелия. Выше температуры >.-точки Не I при откачке ведет себя как всякая обыкновенная жидкость и бурно кипит. При переходе же через >.-точку кипение внезапно прекращается. В обыкновенной жидкости пузырьки, необходимые для парообразования внутри жидкости, образуются, когда локальная температура внутри жидкости существенно выше температуры свободной поверхности. Если бы в Не II возникла подобная разность температур, то она исчезла бы столь быстро, что пузырьки не могли бы образоваться. Таким образом, в Не II парообразование происходит только на свободной поверхности, а не внутри жидкости, с чем и связана невозможность кипения.
9. Наличие сосуществующих сверхтекучего и нормального потоков в Не II экспери- _
ментально наблюдал П. Л. Капица. В одном из его опытов (1941 г.), схематически по- -
казанном на рис. 115, небольшая стеклянная бульбочка (выполненная в виде миниатюрного —
сосуда Дьюара) оканчивалась в нижней ч'а-сти изогнутой стеклянной трубочкой (длиной 6 мм и внутренним диаметром 0,5 мм). Внутри бульбочки помещались константановый нагреватель W и бронзовый термометр Т. Бульбочка погружалась в сосуд Дьюара с Не II.
Перед концом трубочки на коромысле, подвешенном на тонкой кварцевой нити, помещалось легкое крылышко, уравновешенное зеркальцем. Поворот коромысла можно было наблюдать по отклонению светового
