Надтекучість - чудове властивість рідкого гелію

Гелій - єдиний елемент, який при атмосферному тиску не переходить в твердий стан, а залишається рідким навіть при температурі, що наближається до абсолютного нуля.

Гелій - інертний газ, другий після водню за ступенем поширеності у Всесвіті. Найбільш широко поширений його ізотоп гелій-4. У його ядрі 2 протона і 2 нейтрона. З нього складається майже весь гелій, зустрічається в атмосфері. 99,999863% всього гелію на Землі - це гелій-4. Другий відомий ізотоп гелію - гелій-3. ядро якого складається з 2 протонів і 1 нейтрона. Йому належить 0,000137% від атмосферного гелію.

Вперше рідкий гелій отримав в 1908 р голландський фізик і хімік Гейке Камерлінг-Оннес, до цього створив експериментальну установку для скраплення газів. На цій установці йому вдалося перевести в рідкий стан кисень, неон, а в 1906 році він отримав рідкий водень.

У 1922 р проводячи досліди, вчений виявив, що налитий їм в пробірку рідкий гелій сам по собі піднімається по стінках посудини і витікає назовні. Він помістив цю пробірку в ванну, наповнену гелієм. Гелій випливав до тих пір, поки його рівень не зрівнявся з рівнем гелію в ванні. Якщо ж рівень гелію в ванні був нижче, ніж сама пробірка, гелій випливав весь. Дивно, але рідкий гелій здатний перетікати з ємності, заповненої їм, в абсолютно порожній стакан, занурений в цю ємність, навіть якщо верх цього склянки розташований вище рівня рідини. І цей процес буде відбуватися до тих пір, поки їх рівні незрівняються.

Всі описані явища відносяться до ізотопу гелію-4. Пояснити їх природу змогли лише після того, як радянський фізик, академік Петро Леонідович Капіца відкрив явище надплинності, а інший видатний радянський фізик-теоретик Лев Давидович Ландау створив теорію надплинності.

Надтекучість рідкого гелію

Цей дивовижний гелій

Чим нижче стає температура речовини, тим менше швидкість хаотичного руху частинок в ньому. При наближенні температури до абсолютного нуля всі тіла повинні затвердіти. Так і відбувається з усіма речовинами, але не з рідким гелієм. Цей дивовижний елемент замість того щоб перетворитися в тверде тіло, раптом починає поводитися незвично, коли його температура стає нижче 2,17 К (-271 ° С). З ним відбуваються просто чудеса. Якщо залишити незакритих пробірку з таким гелієм, то через деякий час вона буде порожня. Гелій покине її, піднімаючись по внутрішній стінці. І неважливо, якої висоти буде ця пробірка. Виявляється, при такій температурі рідкий гелій повністю втрачає в'язкість, тертя в ньому зникає, і він стає надтекучим.

Це незвичайна властивість гелію було експериментально встановлено в 1938 р радянським фізиком, академіком Петром Леонідовичем Капицею. Рідкий гелій, що володіє властивостями рідини до температури 2,17 К, він назвав гелієм-I, а новий, надплинний гелій - гелієм-II. А температура Тƛ = 2,17 К стала називатися лямбда-точкою.

Петро Леонідович Капіца

Рідкий гелій-I володів властивостями звичайної рідини і нічим особливим не вирізнявся. Хоча його в'язкість в порівнянні з вязкостямі інших рідин була мала (приблизно в 500 разів менше в'язкості води), її все ж можна було виміряти. А у гелію-II вона була відсутня взагалі.

Під час свого досвіду вчений пропускав рідкий гелій через щілини настільки тонкі, що навіть таке текучого речовина, як вода, ледве-ледве могло б просочитися крізь них за багато років. Ледь помітному кількості гелію-I вдалося проникнути через щілину за більш короткий час. Зате величезна в порівнянні з гелієм-I кількість гелію-II вилилося крізь щілину всього за кілька секунд. Так була відкрита надтекучість.

Надтекучістю називають здатність речовини втрачати свою в'язкість і купувати здатність без тертя протікати через вузькі щілини і капіляри. Надтекучість виникає, коли температура наближається до абсолютного нуля.

Дворідинна модель гелію-II

Лев Давидович Ландау

У 1941 р академік Ландау припустив, що в геліі- II є дві компоненти: нормальна і сверхтекучая. При Т = Тƛ (2,17 К) атоми рідкого гелію починають проявляти властивості квантів, тобто рідкий гелій стає квантової рідиною. Частинки гелію-4 є бозонами (частками з цілим спіном). Вони утворюють подобу бозе-конденсату. Звідси і здатність текти без тертя. Але на відміну від бозе-конденсату в геліі- II зберігається взаємодія між атомами. Нормальна компонента рідкого гелію складається з фотонів і ротонов. Вона переносить енергію, а рух шарів рідини відбувається з тертям.

При наближенні температури до абсолютного нуля вільної енергії стає все менше. При абсолютному нулі вона відсутня взагалі. Тому весь гелій стає надтекучим. А при Т ˃ Тƛ властивість надплинності зникає.

Перехід гелію-I в гелій-II називається фазовим переходом другого роду. Агрегатний стан речовини при таких переходах не змінюється, питомий об'єм також залишається колишнім. Виявилося, що при такому переході теплопровідність гелію-II різко зростає майже в мільйон разів. Крім того, потік тепла в двох різних точках гелію-II, розташованих практично поруч, абсолютно не залежить від різниці температур в них. А коли гелій випливає через капіляр з судини, температура в посудині стає вище. Це означає, що і тепло в рідкому гелії передається інакше, ніж в звичайних рідинах.

Тепло в гелії-II може переносити тільки нормальна компонента. А по капіляри здатна текти тільки сверхтекучая. Але вона тепло не переносить. Тому в результаті витікання гелію кількість тепла не змінюється. А так як маса залишилася рідини зменшується, то вона нагрівається.

Ізотоп гелій-3 був відкритий набагато пізніше, в 1939 р А рідкий гелій-3 отримали в 1948 р Він відрізнявся за своїми властивостями від рідкого гелію-4. Частинки гелію-3 є ферміонами (частками з напівцілим спіном). А парами вони вже утворюють цілі спини і поводяться як бозони. Тобто, теоретично надтекучість гелію-3 також можлива. І дійсно, в 1972 р в рідкому гелії-3 виявили надтекучість, яка виникала при температурі менше 2,6 мк і тиску 34 атм.

Надплинну рідина отримати дуже складно. Тому поки широкого застосування в техніці вона не має. Але відкриття надплинності стало важливим досягненням в галузі фундаментальної фізики. Воно привело до появи нової науки - фізики квантових рідин.

А рідкий гелій використовують для охолодження в лабораторіях досліджуваних речовин до температури, близької до абсолютного нуля.