Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
свои результаты в коротком сообщении в журнале Physica.
"В наших первых экспериментах мы изучали теплопроводность в слое жидкого
гелия, имеющем форму кругового цилиндра радиусом 18 мм и высотой 5 мм.
Слой жидкого гелия был заключен между двумя Медными блоками, каждый из
которых был снабжен нагревателем и термометром сопротивления из
фосфористой бронзы. При температуре 3,3 К мы получали значение
теплопроводности, характерное для газов при обычных температурах.
Оказалось, что при температурах ниже лямбда-точки теплопроводность
слишком велика, чтобы ее можно было измерить описанным методом. При
нагревании одного из блоков немедленно изменялась и температура другого,
так что сколько-нибудь заметной разности температур не наблюдалось...
В последующих экспериментах мы использовали два медных блока, каждый из
которых был снабжен термометром сопротивления и камерой с жидким гелием.
Обе гелиевые камеры соединялись друг с другом капилляром из
нетеплопроводного материала. На одном из медных блоков был укреплен
нагреватель. От гелиевой камеры второго блока отходил капилляр, через
который вся система заполнялась жидким гелием. Разумеется, медные блоки и
соединительный капилляр размещались в объеме, который мог быть
вакуумирован. Эти эксперименты показали, что температура обоих блоков
выравнивается по-прежнему столь быстро, что надежные измерения
невозможны...
Чтобы исключить влияние теплового сопротивления на границе между жидким
гелием II и медью, которое оказалось относительно большим, мы провели
эксперименты с двумя соединительными капиллярами длиной 22 и 94 см
(внутренний диаметр каждого был равен 0,6 мм).
88
,..В этом предварительном сообщении мы ограничим* ся утверждением, что
при температурах между 1,4 и 1,75 К измеренные нами значения
теплопроводности жидкого гелия составляют около 190 кал/IC-с-см.
Заметим, что это значение примерно в 200 раз больше теплопроводности меди
при обычных температурах или в 14 раз больше теплопроводности
рафинированной меди при температурах жидкого водорода. Следовательно,
жидкий гелий II является наилучшим из известных нам пока проводников
тепла.
Далее обнаружилось, что теплопроводность жидкого гелия II при упомянутых
температурах почти в 3*10(r) раз превосходит теплопроводность жидкого гелия
I.
Если связать этот факт с резким изменением теплопроводности при переходе
через лямбда-точку, то, по-видимому, мы можем назвать жидкий гелий II
сверх-теплопроводящим".
Однако дело обстояло не так просто, как кажется. Дальнейшие исследования
теплопроводности, произведенные Дж. Ф. Алленом, Р. Пайерлсом и М. Заки
Уд-дином в Кембриджском университете в 1937 г., показали, что
классический закон теплопроводности здесь не выполняется, поэтому было
неясно, как вообще определить коэффициент теплопроводности. Тем не менее
их работы подтвердили вывод Кеезома о том, что независимо от своего
механизма передача тепла в жидком гелии II происходит значительно более
эффективно, чем в любом другом известном веществе.
В следующем году картина претерпела драматические изменения. Как много
лет спустя писал Аллен, "атмосфера была буквально насыщена новыми
экспериментами и открытиями, происходившими почти каждую неделю в течение
двух или трех месяцев"; сам Аллен принимал участие в двух из трех
основных открытий.
Год начался с публикации в журнале Nature письма П. Л. Капицы 1 из
Института физических проблем Академии наук СССР в Москве, который
предложил возможное объяснение явления теплопроводности. Эксперимент по
проверке этого объяснения дал ошеломляю-, щие результаты.
1 В том же году это письмо было опубликовано в журнала "Доклады Академии
наук СССР", 1938, т. XVIII, № 1, с. 21-23. Здесь мы цитируем его по
данной публикации. - Прим. ред.
89
"Для объяснения этих аномальных явлений мне казалось, что возможно
сделать предположение, что эта теплопроводность не есть истинная, а
происходит благодаря конвекционным потокам. Но для возникновения и
существования этих конвекционных потоков необходимо, чтобы гелий II
обладал исключительно малой вязкостью. До сих пор известны только одни
измерения вязкости гелия *. При этих измерениях было найдено, что при
переходе из модификации I в модификацию II происходит только
незначительное уменьшение вязкости гелия. Так, вязкость ниже точки Я в 3
раза меньше, чем вязкость гелия при нормальном давлении (4,22 К), и в 8
раз меньше вязкости перед точкой перехода (2,40 К). К сожалению, в этих
измерениях не было выяснено, являлось ли движение ламинарным или
турбулентным. Это важно знать, так как жидкий гелий является жидкостью с
удельным весом р = 0,15, незначительно отличающимся от удельного веса
обычной жидкости, в то время как его вязкость р, того же порядка, как и у
газов. Этот факт делает кинематическую вязкость v = р/р исключительно
малой сравнительно со всеми известными жидкостями. Вследствие этого, если
вязкость гелия изучается в обычных вискозиметрах, надо особенно
