Властивості гелію

Два ізотопи гелію – рідкий 3Не й рідкий 4Не – це єдині рідини, які стають надтекучими при низьких температурах (атом 3Не має такі ж хімічні властивості, як й атом 4Не, але в його ядрі одним нейтроном менше).

Надтекучий 4Не. Рідкий 4Не, що вперше був отриманий в 1908, має температуру кипіння 4,2 К (нуль абсолютної термодинамічної шкали відповідає температурі –273,16 С). Відкачавши пари над поверхнею рідкого гелію, можна понизити температуру рідини приблизно до 1 К. В 1930 учені звернули увагу на те, що при охолодженні рідкого гелію нижче 2,17 К різко міняються багато які його властивості. Найбільш помітною зміною є припинення кипіння, що вказує на різке збільшення теплопровідності. Теплоємність теж різко збільшується, а в'язкість, обмірювана в тонких капілярних трубках, падає до нуля. Все це показує, що в рідкому 4Не при температурі нижче 2,17 К відбувається фазовий перехід в надтекучий стан.Дворідинна модель. В 1940-1941 фізики Л.Ландау й Л.Тиса незалежно друг від друга запропонували теоретичну модель надтекучого гелію. Нижче 2,17 К рідкий гелій розглядається як суміш двох рідин: нормальної й надтекучої. Нормальна рідина має властивості звичайної грузлої рідини. Надтекучий же компонент має нульову в'язкість, а також нульову ентропію й ентальпію. Трохи нижче температури переходу 2,17 К більшу частину рідини становить нормальний компонент, а надтекучий - тільки малу частину. При подальшому охолодженні рідин надтекучої фракції стає усе більше, і нижче 1 К рідина майже повністю виявляється надтекучою. На основі такої моделі передвіщений новий тип звукових хвиль (другий звук), які можуть поширюватися у надтекучої рідини. Другий звук - це хвиля температури, що реєструється за допомогою термометра (звичайні звукові хвилі - це хвилі тиску, які фіксуються мікрофоном). Експериментальне спостереження другого звуку (Москва, 1944) підтвердило багато аспектів дворідинної моделі.

Фонтанний ефект. Властивості плину надтекучої компоненти незвичайні, тому що такий плин може бути викликано не тільки різницею тисків, але й різницею температур (звичайна рідина тече тільки внаслідок різниці тисків). Якщо занурити в рідкий гелій електронагрівник, то надтекуча компонента потече до області, що нагрівається, а нормальна - до холодного відповідно до закону збереження мас. На цьому заснований вражаючий ефект, називаний фонтанним. Кінець тонкої трубки, набитої дуже дрібним порошком, опускають у рідкий гелій. Якщо за допомогою електронагрівника нагрівати рідина в трубці, то надтекуча компонента потече усередині трубки, а нормальна в’язка рідина не зможе текти через опір, створюваного порошком. Як результат рівень рідини в середині трубки підвищується и, якщо продовжувати нагрівати, рідина битиме фонтаном з верхнього кінця трубки. Ефект досить суттєвий: різниця температур в декілька сотих кельвіна може створити фонтан до метра заввишки.

Квантові ефекти. Незвичайні властивості надтекучої компоненти пояснюється тим, що більша частина атомів гелію рухається когерентною групою, а не незалежно, як атоми будь-якої іншої речовини. Найбільше враження ці квантові ефекти роблять, якщо привести в обертання контейнер з рідким гелієм. Замість того щоб обертатися разом з контейнером, як звичайна рідина, надтекуча рідина перетворюється в сплетення дрібних вирів, які називаються квантовими вихрами. Картина плину в кожному такому вихрі подібна картині плину в смерчі, але в гелії швидкість потоку визначається постійною Планка, фундаментальною константою квантової механіки. Існування цих квантових вихрів в обертовому гелії було передбачено в 1950 р. Л.Онсагером і Р.Фейнманом і підтверджено безліччю експериментів. В 1974 р. минулому отримані перші фотографії квантових вихрів. Це виявилося можливим завдяки захопленню електронів ядром вихрячи (подібно тому як камені й уламки втягуються в центр смерчу). Захоплені електрони, що створюють зображення на люмінофорному екрані, відзначають положення кожного вихру й наочно свідчать про макроскопічну квантову природу надтекучої рідини.

Фазові переходи у надтекучої рідини. Зменшення щільності надтекучої рідини до нуля при температурі 2,17 К и гострий пік теплоємності в цій же крапці вказують на те, що при переході надтекучої рідини в нормальну відбувається термодинамічний фазовий перехід. У своїх ранніх статтях Онсагер і Фейнман висловлювали думку, що механізм квантових вихрів може лежати в основі цього фазового переходу, але ні той, ні іншої не проводив розрахунків, щоб підтвердити свій здогад. Тільки в 1987 р. математична теорія фазового переходу показала, що їхня думка була правильна. У цій теорії збільшення теплової енергії рідини приводить до утворення вихрових витків, подібних до кілець диму, які пускають курці. При температурі значно нижче 2,17 К збуджуються тільки дуже малі вихри, діаметром у декілька ангстрем. Ці вихри, що відповідають нормальному компоненту дворідинної моделі Ландау, чинять опір надтекучої рідини, але, будучи дуже малими, вони лише частково зменшують її щільність. При підвищенні температури утворяться вихри все більших і більших розмірів. При 2,17 К вихрі здобувають розміри, обмежені тільки розмірами посудини; це приводить до того, що щільність надтекучої рідини звертається в нуль і гелій стає нормальною рідиною.

Надтекучий 3Не. Рідкий ізотоп 3Не почали досліджувати лише в 1949. У перших експериментах 3Не не був надтекучим при температурах вище 1 К. Однак фізики-теоретики пророкували, що ця рідина може стати надтекучої, якщо неї остудити до температур нижче 1 К. Завдяки досягненням техніки низьких температур групі вчених з Корнеллського університету вдалося остудити рідкий 3Не до температур нижче 0,003 К і виявити фазовий перехід у рідині. Наступні виміри підтвердили, що рідкий 3Не стає надтекучим при охолодженні до наднизьких температур.Багато властивостей надтекучого 3Не досить відмінні від властивостей 4Не. В 3Не надтекуча рідина складається з пар атомів 3Не, зв'язаних силами взаємного притягання. Це схоже на ситуацію в металевих надпровідниках, надпровідність яких обумовлена утворенням зв'язаних пар електронів. Ще одне розходження полягає в тому, що атоми 3Не мають магнітний момент, а атоми 4Не – немає. Це означає, що на надтекучий 3Не повинні діяти зовнішні магнітні поля. Подальші дослідження зроблять більше зрозумілої квантову природу надтекучості.