| 8406202 9216 1210 912 1тояние представляет собой фазовый переход II рода.
Сверхтекучую жидкость нельзя представлять как жидкость, не обладающую вязкостью, т. к. эксперименты с крутильными колебаниями диска, погружённого в Не II, показали, что затухание колебаний при темп-ре, не слишком далёкой от ТЛ ("лямбда-точки"), мало отличается от затухания аналогичных колебаний в Не I, к-рый С. не обладает.
Теория сверхтекучести Не II. С. Не II была объяснена Л. Д. Ландау в 1941. Теория Ландау, получившая назв. двухжидкостной гидродинамики, основана на представлении о том, что при низких темп-pax свойства Не II как слабовозбуждённой квантовой системы обусловлены наличием в нём элементарных возбуждений, или квазичастиц. Согласно этой теории, Не II можно представить состоящим из двух взаимопроникающих компонент: нормальной и сверхтекучей.
Нормальная компонента при темп-рах, не слишком близких к Тл, представляет собой совокупность квазичастиц двух типов - фононов (квантов звука) и ротонов (квантов коротковолновых возбуждений, обладающих большей, чем у фононов, энергией). При Т=0 плотность нормальной компоненты рп = 0, поскольку при этом любая квантовая система находится в основном состоянии и возбуждения (квазичастицы) в ней отсутствуют. При темп-pax от абс. нуля до 1,7-1,8 К совокупность элементарных возбуждений в 4Не можно рассматривать как идеальный газ квазичастиц. С дальнейшим приближением к Тл из-за заметно усиливающегося взаимодействия квазичастиц модель идеального газа становится неприменимой. Взаимодействие квазичастиц между собой и со стенками сосуда обусловливает вязкость нормальной компоненты.
Остальная часть Не II - сверхтекучая компонента - вязкостью не обладает и поэтому свободно протекает через узкие щели и капилляры; её плотность рs=р-рп, где р- плотность жидкости. При Т=0, рS = р, при увеличении темп-ры концентрация квазичастиц растёт, поэтому рS уменьшается и, наконец, обращается в нуль при Т=ТЛ (С. в Л-точке исчезает, рис. 1). Согласно теории Ландау, жидкость перестаёт быть сверхтекучей и в случае, когда скорость её потока превышает критич. значение, при к-ром начинается спонтанное образование ротонов (см. Квантовая жидкость).
Рис. 1. Диаграмма, иллюстрирующая двухжидкостную модель Не II (Г - абсолютная темп-ра, рп/р - отношение плотности нормальной компоненты к плотности Не II).
При этом сверхтекучая компонента теряет импульс, равный импульсу испускаемых ротонов, и, следовательно, тормозится. Однако экспериментальное значение критической скорости существенно меньше той, к-рая требуется по теории Ландау для разрушения С.
С микроскопич. точки зрения появление С. в жидкости, состоящей из атомов с целым спином (бозонов), напр, атомов 4Не, связано с переходом при Т<ТЛ значит. числа атомов в состояние с нулевым импульсом. Это явление наз. Бозе -Эйнштейна конденсацией, а совокупность перешедших в новое состояние атомов - Бозе-конденсатом. Существование в Не II атомов, обладающих различным характером движения,- атомов конденсата и атомов, не вошедших в конденсат,-приводит к двухжидкостной гидродинамике Ландау (Н. Н. Боголюбов; 1947, 1963). Состояние всех частиц Бозе-кон-денсата описывается одной и той же квантовомеханической волновой функцией
(конденсатной функцией)
[2304-4.jpg]
где по - плотность конденсата, фи - фаза волновой функции. В случае, если атомы слабо взаимодействуют между собой, п0 совпадает с ps. В Не II из-за сильного взаимодействия атомов по составляет при Т=0 лишь аеск. процентов ps. Скорость движения сверхтекучей компоненты vsсвязана с f (фи) соотношением vs = = (h'/m) * (vf), где (vf) - градиент функции f (фи), m - масса атома 4Не, h' = h/2n и h - Планка постоянная, n - число "пи" Это означает, что сверхтекучая компонента движется потенциально (см. Потенциальное течение) и, следовательно, не испытывает сопротивления со стороны обтекаемых ею предметов и стенок канала или сосуда.
Потенциальность течения сверхтекучей компоненты может нарушаться на осях т. н. квантованных вихрей, к-рые отличаются от вихрей в обычных жидкостях (см. Вихревое движение) тем, что циркуляция скорости вокруг оси вихря квантуется (Л. Онсагер, 1948; Р. Фейнман, 1955). Квант циркуляции скорости равен h/m. Квантованные вихри осуществляют взаимодействие между сверхтекучей и нормальной компонентами сверхтекучей жидкости. Это взаимодействие приводит хотя и к слабому, но конечному затуханию потока сверхтекучей жидкости в замкнутом канале. При нек-рой скорости движения сверхтекучей компоненты относительно нормальной компоненты или стенок сосуда квантованные вихри начинают образовываться настрлько интенсивно, что свойство С. исчезает. В рамках этой теории С. пропадает при скоростях, существенно меньших предсказываемых теорией Ландау и более близких к реальным значениям критич. скорости. Квантованные вихри наблюдаются экспериментально при вращении сосуда с Не II. Кроме того, в экспериментах с ионами, инжектируемыми в Не II, обнаружены квантованные вихри, имеющие форму кольца.
Сверхтекучесть 3Не. При определённых условиях С. может осуществляться и в системах, состоящих из атомов с полуцелым спином - фермионов (в т. н. ферми-жидкостях). Это происходит в том случае, когда между фермионами имеются силы притяжения, к-рые приводят к образованию связанных состояний пар фермионов, т. н. куперовских пар (см. Купера эффект). Куперовские пары обладают целым спином, поэтому могут образовывать Бозе-конденсат. С. такого рода осуществляется для электронов в нек-рых металлах и носит назв. сверхпроводимости. Аналогичная ситуация имеет место в жидком 3Не, атомы к-рого имеют спин 1/2 и образуют типичную квантовую ферми-жидкость. Свойства ферми-жид-кости можно описать как свойства газа квазичастиц-фермионов с эффективной массой примерно в 3 раза большей, чем масса атома 3Не. Силы притяжения между квази-частицами в 3Не очень малы, лишь при темп-pax порядка неск. мК в 3Не создаются условия для образования куперовских пар квазичастиц и возникновения С. Открытию С. у 3Не способствовало освоение эффективных методов получения низких температур - Померанчука эффекта и магнитного охлаждения. С их помощью удалось выяснить характерные особенности диаграммы состояния 3Не при сверхнизких темп-pax (рис. 2).
Рис. 2. Диаграмма состояния 3Не при низких температурах (Т -абсолютная температура, р - давление).
В отличие от 4Не (см. рис. 1 к ст. Гелий), на диаграмме состояния 3Не обнаружены две сверхтекучие фазы (А и В). Переход нормальной ферми-жидкости в фазу А представляет собой фазовый переход II рода (теплота фазового перехода равна нулю). В фазе А образовавшиеся куперовские пары обладают спином 1 и отличным от нуля моментом импульса. В ней могут возникать области с общими для всех пар направлениями спинов и моментов импульса. Поэтому фаза А является анизотропной жидкостью. В магнитном поле фаза А расщепляется на две фазы (А1и A2), каждая из которых также является анизотропной. Переход из сверхтекучей фазы А в сверхтекучую фазу В является фазовым переходом I рода с теплотой перехода ~1,5 х 10-6 дж/моль (15 эрг/моль). Магнитная восприимчивость 3Не при переходе А ->В скачком уменьшается и продолжает затем уменьшаться с понижением темп-ры. Фаза В является, по-видимому, изотропной.
Эффекты, сопутствующие сверхтекучести. В сверхтекучей жидкости, кроме обычного (первого) звука (колебаний плотности), может распространяться т. н. второй звук, представляющий собой звук в газе квазичастиц (колебания плотности квазичастиц, а следовательно, и темп-ры). Сверхтекучая жидкость обладает аномально высокой теплопроводностью, причиной к-рой является конвекция,- теплота переносится макроскопич. движением газа квазичастиц. При нагревании Не II в одном из сообщающихся (через капилляр) сосудов между сосудами возникает разность давлений (гермомеханич. эффект). Этот эффект объясняется тем, что в сосуде с большей темп-рой оказывается повышенной концентрация квазичастиц. Из-за того, что узкий капилляр не пропускает вязкого потока норм. компоненты, возникает избыточное давление газа квазичастиц, подобное осмотическому давлению в растворе. Существует и обратный - механокалорический - эффект: при быстром вытекании Не II через капилляр из сосуда темп-pa внутри сосуда повышается (в нём увеличивается концентрация квазичастиц), а вытекающий гелий охлаждается. Интересными свойствами обладает сверхтекучая плёнка гелия, образующаяся на твёрдой стенке сосуда. Так, напр., она может выравнивать уровни Не II в сосудах, имеющих общую стенку.
Лит.: Капица П. Л., Эксперимент, теория, практика, М., 1974; Халатников И. М., Фомин И. А., Сверхтекучесть и фазовые переходы в жидком гелии-3, "Природа", 1974, № 6; Халатников И. М., Теория сверхтекучести, М., 1971; Квантовые жидкости. Теория. Эксперимент, М., 1969; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971; William Е., К е 1 1 е г, Helium-3 and Helium-4, N.-Y., 1969. Г. Е. Воловик.
СВЕРХТОНКАЯ СТРУКТУРА, сверхтонкое расщепление уровней, расщепление уровней энергии атома на близко расположенные подуровни, вызванное взаимодействием магнитного момента ядра с магнитным полем атомных электронов. Энергия (бЕ) - "дельта Е" этого взаи |
