Сверхтекучесть

Гелий обладает удивительным свойством: из всех существующих в мире веществ он сжижается при самой низкой температуре: 4,2 К (—269°С). Но у гелия есть и другие удивительные свойства. При дальнейшем охлаждении он остается жидким. Все остальные вещества при охлаждении в конце концов затвердевают.

В 1938 г. в Московском институте физических проблем академик П. Л. Капица обнаружил, что при температуре ниже 2,2 К жидкий гелий обладает новым свойством: он приобретает способность протекать без какого-либо трения. Это свойство было названо сверхтекучестью, а гелий при температуре ниже 2,2 К — гелием-II.

В опыте Капицы гелий-II протекал за несколько секунд между плотно сжатыми шлифованными стеклянными пластинами, между которыми ширина щели всего 0,5 мкм (рис. 6). При температуре выше 2,2 К жидкий гелий лишь с трудом просачивается - через такую щель. Это показывает, что вязкость у сверхтекучего гелия в миллиарды раз меньше, чем у воды. По современным представлениям вязкость его равна нулю.

Рис. 6. Опыт Капицы для обнаружения сверхтекучести гелия. Сверхтекучий гелий быстро вытекает из внутренней трубки через узкую щель между двумя пластинками. Внешний сосуд, также заполненный гелием, обеспечивал одинаковую температуру гелия снаружи и внутри трубки.

Сверхтекучий гелий образует так называемую «ползущую» пленку толщиной около 10 нм (10^-8 м). Такой пленкой он может подниматься вверх по вертикальной стенке сосуда и вытекать из него (рис. 7). Любая жидкость, смачивающая твердую поверхность, образует пленку, но быстро перетекать по этой пленке не может никакая другая жидкость, кроме гелия-II. Это свойство обусловлено его сверхтекучестью.

Рис. 7. Жидкий сверхтекучий гелий образует на поверхности стекла пленку толщиной в несколько миллионных долей сантиметра. Эта пленка представляет собой подобие сифона, по которому жидкость вытекает из гелиевого резервуара.

Удивительные свойства жидкого гелия теоретически объяснил советский ученый Л. Д. Ландау. Кратко это объяснение сводится к следующему: в гелии-II так мало квантов тепла, что на все его частицы их не хватает, и образуются как бы две жидкости, одновременно существующие: нормальный гелий, каждая частица которого несет на себе квант тепла, и сверхтекучий гелий, у частиц которого нет квантов тепла. Сверхтекучая часть гелия как бы находится при абсолютном нуле температуры; она не обладает вязкостью, и поэтому обе жидкости могут двигаться друг в друге без трения.

В опыте Капицы сверхтекучая часть гелия-II быстро перетекала через щель, а несверхтекучая часть через эту щель лишь медленно просачивалась. При этом сверхтекучая часть как бы отфильтровывалась. Опытом доказано, что за щелью у гелия-II более низкая температура, чем до щели. С понижением температуры ниже 2,2 К доля сверхтекучей части в гелии-II увеличивается: при абсолютном нуле весь гелий должен превратиться в сверхтекучий.

перейти к началу страницы