Жидкий гелий

ЖИДКИЙ ГЕЛИЙ

Заставим какой-либо реальный газ дросселировать, т. е, станем прогонять его через узкое отверстие в пространство, где давление газа сразу и резко снижается. Если при этом отсутствует теплообмен с окружающей средой, то температура газа падает за счет выполняемой им работы по преодолению сил взаимного притяжения молекул. Чем больше перепад давления, тем резче снижается температура. Это явление, известное под названием эффекта Джоуля—Томсона, давно используется в технике для сжижения газов. Таким образом удается перевести в жидкость не все газы — исключение представляют водород, гелий и неон. Эти три газа при адиабатическом дросселировании не охлаждаются, а, наоборот, нагреваются, так как их работа на сжатие значительно больше работы на расширение. Однако и эти вещества можно заставить вести себя подобно всем прочим газам, если предварительно охладить ниже определенной температуры. Для гелия эта температура составляет 33—45° К.
 
В этом и кроется причина того, что гелий был последним газом, переведенным в жидкое состояние. Трудность сжижения осложнялась также другими особенностями гелия; крайне низкими значениями критической температуры и давления (—268° С и 2,26 ат), малой величиной теплоты испарения.
 
Только в 1908 г. голландскому физику Камерлинг-Оннесу удалось получить жидкий гелий дросселированием — после того как газ был предварительно охлажден в кипевшем под вакуумом жидком водороде. Интенсивное испарение последнего явилось дополнительным источником холода для достижения точки сжижения гелия.
 
Попытки получить твердый гелий еще долго оставались безуспешными даже при 0,71° К, которых достиг голландец Кеезом. Лишь в 1926 г., когда этот исследователь применил давление в 35—100 ат и охладил сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, ему удалое выделить кристаллы. Теперь, когда техника охлаждения достигла большого совершенства, получение больших количеств жидкого и даже твердого гелия не составляет больших трудностей. Твердый гелий получается в виде бесцветной плотной кристаллической массы, его прозрачные кристаллы относятся к гексагональной системе.
 
Выдающийся научный и практический интерес имеет жидкий гелий — бесцветное, легкоподвижное и прозрачное вещество, наделенное рядом уникальных свойств. Это самая холодная жидкость, в сравнении с которой все прочие сжиженные газы можно считать «горячими»; это единственная жидкость, не отвердевающая под давлением своих насыщенных паров даже при температуре сколь угодно близкой к абсолютному нулю. Твердая и газообразная фазы гелия не могут существовать совместно.
 
Ни одно вещество сколько-нибудь заметно не растворяется в жидком гелии, если не считать его легкого изотопа ³Не, всегда в ничтожно малых количествах примешанного к Не. Вместе с тем это самая легкая из жидкостей, ее плотность почти в 8 раз меньше плотности воды.Поверхностное натяжение — мера свободной энергии поверхностного слоя — у жидкого гелия в десятки и сотни раз меньше, чем у других сжиженных газов. Он обладает также наименьшей среди всех сжиженных газов теплотой парообразования (5,52 ккал/кг); для азота и метана этот показатель   соответственно  в   9  и   22  раза  больше.
Еще более холодную и легкую жидкость представляет собой сжиженный легкий изотоп гелия 3Не. Его критическая температура равна 3,34° К.
 
В 1932 г. Кеезом исследовал характер изменения теплоемкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около 2,19° К медленный и плавный подъем теплоемкости внезапно сменяется резким падением — с 3 до 1,1 кал/г-град  и кривая теплоемкости приобретает форму греческой буквы λ (ламбда); отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоемкости, присвоено условное название «λ-точка».
 
Необычайное открытие Кеезома не явилось полной неожиданностью. Еще за 21 год до этого Камерлинг-Оннес наблюдал перелом в изменении плотности жидкого гелия при температуре около 2,2° К , позднее температура была уточнена и совпала с λ-точкой: в ней плотность жидкости наибольшая.
Главное значение открытия Кеезома заключалось в том, что в λ -точке происходят глубокие и скачкообразные изменения ряда фундаментальных свойств жидкого гелия. По существу, одна фаза жидкого гелия сменяется в этой точке на другую, причем без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода.
 
Имеются как бы две формы жидкости: выше температуры λ-точки существует так называемый гелий I, а ниже ее — гелий П. Последний — это единственная в своем роде жидкость, обладающая необычайными свойствами, которые присущи скорее газам. Если гелий I кипит, как всякая жидкость, бурно, весь заполняясь пузырьками, то кипящий гелий II — это совершенно спокойная, как бы «мертвая» жидкость. Причина столь разительного контраста в том, что гелий II необыкновенно хорошо проводит тепло — почти в 300 млн. раз лучше, чем гелий I, и в сотни раз лучше меди. Тепло мгновенно отводится от стенок сосуда, поэтому на них не образуются характерные для кипения пузырьки пара. Испаряется жидкость только с поверхности.
Необычайный характер , теплопередачи выражается и в том, что поток тепла способен отклонять лепесток, помещенный в гелии II, или даже завертеть мельницу. Однако это вовсе не значит, что гелий И отличается сверхтеплопроводностью . Наоборот, как показал П. Л. Капица, его истинная теплопроводность мала.
 
Интерес к жидкому гелию еще более возрос с 1938 г., когда были открыты новые удивительные качества этой жидкости. В начале года в одном и том же номере журнала «Nature» были опубликованы сообщения П. Л. Капицы из Москвы и Аллена и Мейснера из Англии, описывающие одно и то же явление, названное Капицей сверхтекучестью.
Ученые установили, что ниже λ-точки гелий практически теряет вязкость; она внезапно уменьшается до величины почти в десять тысяч раз меньшей, чем вязкости
 
Гелий II легко протекает через самые узкие щели и капилляры, не испытывая трения, причем скорость
истечения почти не зависит от напора жидкости, от поперечного сечения капилляра. В опыте Капицы гелий II в течение нескольких секунд вытек из сосуда через щель шириною 5 ·10 см; в случае гелия I понадобилось несколько минут, чтобы вообще заметить его истечение через такую щель.
Долгое время считали, что так ведет себя только изотоп Не. Но недавно обнаружилось, что при очень низких температурах, лишь на три тысячные доли градуса отстоящих от абсолютного нуля, и при давлении около 34 ат жидкий ³Не также становится сверхтекучим.
 
Некоторые проявления сверхтекучести гелия II воспринимаются почти как курьезы. Таков, в частности, «эффект фонтанирования» . В гелий II вертикально погружают открытую капиллярную трубку, заполненную порошком, и нагревают ее снизу лампочкой карманного фонаря. Жидкий гелий начинает фонтанировать. Высота фонтана при достаточно низкой температуре жидкости достигает 30 см. Этот сходный с газовой струей всплеск гелия обусловлен возникновением местной разности температур. Фонтанный эффект обратим: вызывая механическим путем истечение гелия из капиллярной трубки, можно наблюдать возникновение температурного градиента.
 
Позднее, в том же 1938 г., и опять в одном и том же номере журнала «Nature» были помещены статьи А. К. Кикоина и Б. Г. Лазарева из Харькова и Даунта и Мендельсона из Оксфорда. В них описывалось свойство гелия II образовывать пленки, быстро движущиеся по твердой поверхности. Пленки обычных жидкостей весьма тонки (порядка десятков атомных слоев) и, главное, чрезвычайно медленно распространяются по поверхности благодаря существенной вязкости жидкостей. Пленка же сверхтекучего гелия очень подвижна, и толщина ее достигает 2 мк.
 
Подвижность пленки гелия хорошо демонстрируется опытом. Пустую пробирку, подвешенную на стеклянной нити, частично погружают в жидкий гелий II. Сейчас же начинается постепенное заполнение пробирки — жидкость ползет вверх по наружной стенке и опускается по внутренней. Заполнение прекращается в тот момент, когда уровни в пробирке и ванне сравняются. Приподняв пробирку, мы наблюдаем передвижение гелия в обратную сторону, и вскоре уровни вновь выравниваются. Наконец, когда пробирку полностью вынимают из ванны, на наружной поверхности дна образуются капли, которые через равные промежутки времени отрываются и падают. Это выглядит забавно и почти сверхъестественно; невозможно зачерпнуть сверхтекучий гелий без того, чтобы сосуд очень скоро не опорожнился, как будто он продырявлен. Между тем разгадка проста: у лишенного вязкости гелия II пленка образуется в сотни раз быстрее, чем у обычных жидкостей, и движется она чрезвычайно быстро, со скоростью, близкой к 20 см/сек.
 
Предпринималось несколько попыток построить теорию сверхтекучести. Две из предложенных концепций находят признание и используются в качестве рабочих гипотез, притом не только с целью изучения сверхтекучести, но и для предсказания свойств жидкого гелия. Первая, более ранняя, принадлежит Тисса и Лондону, вторая разработана в 1941 г. советским ученым Л. Д. Ландау.
Тисса и Лондон исходили из представления, что гелий II по своим свойствам стоит ближе к газам, чем к жид-костям. Он рассматривается ими как «вырожденный» идеальный газ в состоянии наинизшей энергии с нулевым импульсом. Поведение этого гипотетического, не оказывающего никакого давления газа должно подчиняться статистике Бозе—Эйнштейна, из которой теоретически следует возможность сверхтекучести.
 
Однако не все атомы ниже температуры λ-перехода находятся в энергетически наинизшем состоянии. Часть атомов гелия возбуждена, их импульсы не равны нулю. Отсюда и постулируемая теорией «двухжидкостная модель». Согласно ей гелий II представляет собой смесь взаимопроникающих жидкостей — обычной и сверхтекучей, обладающих различным теплосодержанием и неодинаковыми гидродинамическими свойствами.
 
Ландау отверг идею аналогии с идеальным газом, считая, что в этом случае отсутствовали бы сверхтекучесть и другие эффекты гелия II. Ведь ничто не мешает частицам идеального газа обмениваться импульсами разных энергий, и, следовательно, нет причины для снижения трения при их движении.
Ландау рассматривал сверхтекучий гелий как единственную известную «квантовую жидкость» с присущим ей особым энергетическим спектром. Аномальная сверхтекучесть жидкости возникает вследствие промежуточного, а потому двойственного энергетического состояния атомов гелия. Энергия атомов уже настолько мала, что почти отсутствует тепловое движение, но силы межатомного взаимодействия еще недостаточны, чтобы жидкость могла затвердеть. Являясь квантовой макроскопической системой, сверхтекучий гелий не поддается описанию с помощью терминологии классической физики.
 
Энергетический спектр гелия II состоит из непрерывных элементарных возбуждений (квантов) двух типов — длинно- и коротковолновых. Длинноволновые, т. е. кванты наинизших энергий, выражают собой тепловые упругие колебания атомов вокруг равновесного положения. За сходство с волнами звука их называют «фононами» («квантами звука»). Они ведут себя как некие квазичастицы, отличающиеся от обычных частиц тем, что они неотделимы от среды, в которой возникают и распространяются. Обладая целочисленным моментом количества движения (спином), фононный спектр подчиняется статистике Бозе—Эйнштейна, из чего, как упоминалось, следует возможность сверхтекучести жидкости.
 
Энергетически более высокий коротковолновый тип спектра обусловливает вихревые движения жидкости, за что Ландау назвал его кванты «ротонами». Они обладают полуцелым спином и потому подчиняются статистике Ферми—Дирака, исключающей сверхтекучесть. Непрерывный фононно-ротонный энергетический спектр отражает нормальное и сверхтекучее состояние жидкости. Таким образом, гипотеза о двух жидкостях входит и в теорию Ландау. Но здесь она играет лишь роль удобного способа выражения того факта, что сверхтекучий гелий совершает два типа движений одновременно .Эти жидкости реально неразделимы, но движутся независимо друг от друга без взаимной передачи импульса, значит и без трения. «Нормальная» часть жидкости заключает все тепло, имеющееся в гелии II; при движении она испытывает трение о стенки сосуда. Другая, «сверхтекучая» часть не обладает тепловым движением, находясь как бы при температуре абсолютного нуля.
 
Отсутствие вязкости гелия II теория объясняет так. Из щели вытекает сверхтекучая масса жидкого гелия, в то время как «нормальная» часть задерживается в сосуде, имея несравненно меньшую скорость. Своеобразие теплопередачи в гелии II трактуется как возникновение двух противоположно направленных потоков при наличии в жидкости температурного градиента. От нагретой стороны к холодной-устремляется поток нормальной жидкости, переносящей тепло, а в противоположную сторону направлена сверхтекучая масса жидкости. В движении эти массы непрестанно перекрывают друг друга, поэтому реально невозможно наблюдать изолированный их перенос.
 
Представление о двухжидкостной модели не является голой абстракцией. Это показывает термомеханический эффект, продемонстрированный П. Л. Капицей: при перетекании гелия II через тонкопористый фильтр из одного сосуда в другой он наблюдал в первом сосуде повышение, а во втором — понижение температуры. Разница достигала 0,4°. В первом сосуде увеличилось содержание нормальной, вязкой жидкости — носительницы тепла, а во втором больше стало не проводящей тепла сверхтекучей части. Отсюда ясно, что по мере понижения температуры доля сверхтекучего компонента возрастает, и при абсолютном нуле гелий II становится целиком сверхтекучим.
 
Некоторые вытекающие из теории Ландау предсказания свойств сверхтекучего гелия подтверждены практикой. Коснемся одного такого феномена. Независимо друг от друга Ландау и Тисса предсказали явление, носящее название «второго звука». В отличие от обычного (первого) звука, представляющего собой периодические сжатия и расширения жидкости, это слабозатухающие температурные волны, не имеющие аналога в обычных жидкостях. Второй звук распространяетсг только в гелии II и исчезает выше λ-точки. В 1945 г. экспериментально открыл второй звук В. П. Пешков, вызвав его появление при посредстве нагревателя с колеблющейся температурой. Оказалось, что свойства второго звука находятся в полном количественном соответствии с предсказанием Ландау, в частности, скорость второго звука зависит от температуры так, как это изображено на кривой Ландау .
 
В свете обеих теорий (Тисса—Лондона и Ландау) закономерно различив в поведении изотопов Не и ³Не ниже λ-точки. Атом ³Не имеет нечетное число нуклонов и, значит, полуцелый спин. Отсюда теоретически следует, что жидкий гелий-3 обладает энергетическим спектром типа Ферми—Дирака и потому может и не быть сверхтекучим. Таков же результат, если исходить из теории Ландау: в жидком Не кванты энергии (квазичастицы) рождаются поодиночке, а в жидком ³Не появляются парами. При столкновении эти пары способны взаимно уничтожаться, следовательно, жидкий ³Не может и не обладать свойством сверхтекучести,
 
Оно появляется у ³Не на ближних подступах к абсолютному нулю — только при самом глубоком охлаждении устойчиво сохраняются здесь парные кванты энергии. Подобно этому, обнаруживается к сверхтекучесть электронов у металлических сверхпроводников: при глубоком охлаждении их электроны также спарены и также подчиняются статистике Ферми—Дирака.
Статья на тему Жидкий гелий