Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Все эти результаты представлялись неожиданными и запутанными; однако, по
существу, ни один из них, за исключением отсутствия тройной точки
равновесия твердой фазы, жидкости и пара, не произвел никакой сенсации, и
даже последнее свойство, по-видимому, не привлекло особого внимания2.
Первое по-настоящему волнующее открытие было сделано в 1935 г.: было
обнаружено, что теплопроводность жидкого гелия II стремится к
бесконечности.
Это установили У. X. Кеезом и его дочь мисс А. П. Кеезом в ходе
дальнейших экспериментов по теплоемкости. Метод состоял в следующем: к
калориметру подводили импульсы тепла, которые вырабатывались
электронагревателем; последний питался электроэнергией строго
определенное время (обычно 1 мин) при фиксируемых значениях напряжения и
тока; при этом исследовалась зависимость температуры от времени.
Температуру измеряли термометром сопротивления. Вид установки, на которой
первоначально работали Кеезом и Клузиус, изображен на рис. 5.4, а, а ее
модификация, использованная Кеезомом и его дочерью, представлена на рис.
5.4, б. В обычных условиях термометр при подаче импульсов тепла должен
был "перегреваться" из-за высокой теплопроводности стенок калориметра и
медной крестовины, а затем, после того как тепло
1 В любом веществе ферромагнетизм исчезает при температуре выше
температуры, характерной для данного вещества и называемой точкой Кюри.
2 Имелись некоторые сомнения в предполагаемом ходе кривой плавления ниже
1К - минимальной из достигнутых температур; не исключалось даже, что
кривая может начать загибаться вверх-, а не вниз. Предположение о чисто
механической природе процесса плавления, по-виднмому, прошло мимо как
Кеезома, так и его критиков - возможно потому, что исследования еще не
распространились на область столь низких температур, чтобы подобный вывод
стал неизбежным. Фактически до 1963 г. вообще не производилось измерений
при температурах ниже 1 К, а измерения, достаточно точные для анализа
кривой плавления, были осуществлены лишь в 1966 г. Сейчас известно, что
при 0,775 К на кривой плавления имеется минимум, но чрезвычайно пологий;
при 0,3 К кривая, вероятно, выходит на плато, уровень которого лишь на 8¦
10-(r) атм превышает минимальное значение.
85
Рнс. 5.4. Калориметр для жидкого гелия, использованный Кеезомом и
Клузиусом, а также на раннем этапе работы - Кеезомом и мнсс _
Кеезом (а).
А - объем калориметра, экранированный от излучения герметизированным
медным цилиндром В, пространство между А к В через мельхиоровую трубку N
может быть откачано или заполнено газообразным гелием для теплообмена.
Металлическое зеркало S уменьшает поток энергии через трубку N сверху, К-
переход металл - стекло для выводов термометра; С, С - капилляры: левый
капилляр соединяется через клапан с каналом высокого давления компрессора
гелия, правый капилляр разветвляется на две ветви: одна идет к манометру,
другая - к вентилю V, через который заполняется калориметр. Вставка с
нагревателем и термометром ввинчивается в калориметр Все устройство
находится в гелиевом криостате [Соттип. Phys. Lab. Univ. Leiden, № 219e
(1932) стр. 43,
рис. l].
Модифицированная установка (б),
Е-дополнительная вставка с нагревателем F; D - медная крестовина для
улуч-" шения передачи тепла. Все остальные части установки без изменения
[Physica*
2 (1953) стр. 559, рис, 1],
распределится по жидкому гелию, переходить в новое состояние равновесия.
Уже при работе на первой установке были замечены различия в кривых
нагревания ниже или выше Я-точки. При использовании установки новой
конструкции "...стало ясно, что при нагревании'снизу между состояниями
Рис. 5.5. Зависимнсть температуры от времени для одной из серий измерения
теплоемкости (Вертикальная ось проградуирована в сантиметрах, в которых
измеряется отброс гальванометра в цепи термометра )
При подаче трех последних (следовательно при более высокой температуре)
импульсов хорошо виден резкий перегрев термометра, который не наблюдается
при подаче предшествующих импульсов [Physjca, 2 (1935), стр 569, рис. 6]
сразу после нагрева имеется заметная разница, в зависимости от того,
проводится опыт при температуре ниже или выше лямбда-точки. На рис. 5.5
эта разница ясно видна. Весьма примечательно, что изменение формы той
части кривой, которая характеризует период нагрева, происходит сразу
после перехода через лямбда-точку. Мы видим, что при температурах ниже
лямбда-точки теплообмен в калориметре происходит чрезвычайно быстро,
тогда как выше ее для этого требуется некоторое время".
Исследователи рассматривали возможное влияние конвекционных потоков, но
решили, что последние не
87
могут быть ответственны за наблюдаемые явления. Они пришли к заключению,
что "эти эксперименты пока" зывают, что теплопроводность внезапно
изменяется скачком при переходе от Не II к Не I", причем Не II передает
тепло намного более эффективно, чем даже медный сосуд калориметра. Они
немедленно взялись за исследование этого эффекта и в 1936 г. опубликовали
