Гелий сверхтекучесть

Рис. 40. Зависимость Ср=Ср Т) (а) и фазовая диаграмма для жидкого гелия Не (б). Жидкий гелий Не—I обладает нормальной текучестью, а Не—II — сверхтекучестью

Уникальными свойствами обладает гелий. При 101 кПа он не кристаллизуется (для этого необходимо давление, превышающее 2,5 МПа при 7- I К, рис. 3.61). Кроме того, при 7-2,19 К (при нормальном давлении) он переходит из обычной жидкой модификации Не(1), см. рис. 3.61, в низкотемпературную жидкую модификацию Не(И), обнаруживающую поразительные особенности спокойное кипение, огромную теплопроводность в 300 000 000 раз больше обычного Не(1)1, сверхтекучесть (отсутствие вязкости). Сверхтекучесть Не(11) была открыта П. Л. Капицей (1938 г.) и объяснена на основе квантово-механических представлений Л. Д. Ландау (1941 г.). [c.472]

Давление паров Не существенно выше при Г К в 35 раз, а при 0,5" К — в 10 ООО раз по сравнению с обычным гелием. Сверхтекучесть также не обнаружена в Не" все это позволяет откачкой его паров получать температуру жидкости до 0,25" К. Широкое применение Не ограничивается редкостью этого [c.171]

Было открыто основное замечательное свойство гелия—сверхтекучесть, выяснена физическая природа сверхтекучести и построена ее теория. [c.6]

При а=0, р = 0 и 6 = 0 электронная конфигурация атома имеет вид [Э]и5 она характерна для -элементов. К ним относятся элементы первого периода (водород и гелий), главных подгрупп I и П групп периодической системы (щелочные и щелочноземельные металлы). Элементы первого периода по многим свойствам уникальны. Можно указать, например, на кислотно-основные свойства протона в растворе, сверхтекучесть жидкого гелия. [c.66]

Гелий обладает уникальными особенностями. При 101 кПа он не кристаллизуется (для этого необходимо давление, превышающее 2,5 МПа при Г — 1 К, рис. 3.86). Кроме того, при 7 = 2,19 К (при нормальном давлении) ои переходит в низкотемпературную жидкую модификацию Не(П), обладающего поразительными особенностями спокойным кипением, огромной способностью проводить теплоту (в 300 ООО ООО раз больше обычного Не) и отсутствие ем вязкости (сверхтекучестью), Сверхтекучесть Не(И) была [c.486]

Физические свойства. Физические константы инертных газов приведены в табл. 173. Как установил в 1938 г. П. Л. Капица, в жидком гелии при 2,172° К происходит фазовый переход от одного жидкого состояния к другому. Выше указанной температуры существует Не I, а ниже ее Не II. Последний отличается от первого тем, что его теплопроводность в несколько миллионов раз больше теплопроводности Не I. Помимо этого. Не II теряет всякую вязкость и обнаруживает особое свойство — сверхтекучесть. С помощью Не измеряют температуры ниже 1° К. [c.635]

Очень велико значение жидкого гелия для создания сверхнизких температур. Исследования прн таких температурах приводят к фундаментальным научным результатам (нахождение энтропии твердых веществ по данным о низкотемпературной теплоемкости, изучение сверхпроводимости, сверхтекучести). Гелиевые температуры используют и в технике (охлаждение радиотехнических устройств с целью устранения тепловых шумов , охлаждение сверхпроводящих электромагнитов). [c.489]

Расчеты по формуле (УП1.30) показывают, что для частиц с массой порядка массы протона (и больше) неравенство (У1И.19) выполняется для всех представляющих практический интерес температур и плотностей. Вырождение наступает лишь при очень низких температурах и высоких плотностях. При этих условиях вещества находятся в конденсированном состоянии, межмолекулярные взаимодействия являются весьма интенсивными, так что картина вырождения, определяемая квантовой статистикой идеального газа, затушевывается эффектами, обусловленными взаимодействиями частиц. Единственной молекулярной системой, для которой квантовое вырождение обнаруживается на опыте, является жидкий Не. Сверхтекучесть Не, наблюдаемая при температурах вблизи абсолютного нуля (около 2 К) находит объяснение на основании квантовой статистики бозонов. Особенности гелия связаны с тем, что, во-первых, масса его атома мала и, во-вторых, энергия межмолекулярных взаимодействий для гелия значительно меньше, чем для других систем, так что даже в жидком гелии, при больших плотностях, эффект взаимодействия не меняет качественно картины квантового вырождения, которая должна была бы наблюдаться для идеального газа. Сказанное выше иллюстрируется табл. 4. [c.176]

Особое место среди простых веществ УПТА-группы занимает гелий. Во-первых, это наиболее трудно сжижаемый газ во-вторых, это единственный элемент, для которого твердое состояние достигается только при повышенном давлении (около 25 10 Па), в-третьих, в жидком состоянии гелий обладает особыми свойствами. Вплоть до температуры 2,172 К гелий — это бесцветная, прозрачная, легкая жидкость Не-1 (примерно в 10 раз легче воды). При отмеченной температуре наблюдается так называемый фазовый переход П рода (не сопровождаемый тепловым эффектом) и вплоть до сколь угодно низких температур, приближающихся к абсолютному нулю, гелий существует в виде жидкого Не-П. Эта жидкость с особыми и уникальными свойствами она практически не обладает вязкостью (сверхтекучесть), имеет колоссальную теплопроводность (в 3-10 раз больше гелия-1), а также проявляет ряд других аномальных эффектов. Эти явления связаны с тем, что при температуре 1—2 К длина волны де Бройля для атома гелия сравнима со средним межатомным расстоянием (т. е. объясняются с позиций квантовой механики). Поэтому сверхтекучий Не-П называют квантовой жидкостью. Из-за сверхтекучести гелий можно перевести в твердое состояние только под большим давлением. Существует глубокая аналогия между сверхтекучестью гелия-П и сверхпроводимостью металлов. При низких температурах свободные электроны в металлах также ведут себя как электронная квантовая жидкость . [c.391]

Температуры плавления и кипения инертных элементов очень низки (см. табл. 30). В жидком состоянии гелий образует две модификации гелий I и гелий II. Последний проявляет сверхтекучесть , вязкость его в раз меньше вязкости газообразного водорода. [c.403]

Явление сверхтекучести (открыто в 1938 г. П. Капицей) связано с отсутствием измеримой вязкости в жидком гелии вблизи абсолютного нуля при движении его через тонкие капилляры и щели. Теория сверхтекучести на основе представления о гелии (при Г<2,19°К) как о квантовой жидкости была развита Ландау [75]. Микроскопическая теория сверхтекучести гелия была развита Боголюбовым [76]. Предложенный Боголюбовым метод приближенного вторичного квантования системы взаимодействующих бозонов представляет значительный интерес не только для теории сверхтекучести, но и для ряда других приложений в случаях, когда нельзя пользоваться теорией возмущений. В этом параграфе мы познакомимся с основными идеями метода Боголюбова, [c.397]

По оценкам П. Л. Капицы вязкость гелия при переходе от гелия I к гелию II уменьшается по крайней мере в 1500 раз. Это явление было названо им сверхтекучестью. Следует отметить, что понятие о вязкости для гелия II нуждается в уточнениях, которые будут даны далее. [c.235]

История развития теории сверхтекучести и других особенностей жидкого гелия очень интересна. Далеко не все вопросы выяснены, а тем временем, как обычно, эксперимент открывает новые проблемы. Мы ограничимся лишь кратким изложением главных результа- [c.236]

Причины сверхтекучести жидкого гелия [67] [c.243]

Н. Н. Боголюбовым. Находящиеся вблизи поверхности Ферми электроны в металлах могут образовывать попарно связанные состояния. Эти пары при низких температурах претерпевают конденсацию в пространстве импульсов, что ведет к возникновению сверхтекучести. Но сверхтекучесть таких систем проявляется как сверхпроводимость, так как частицы системы имеют электрический заряд. Очень интересен вопрос, являются ли сверхтекучесть гелия и и сверхпроводимость электронной плазмы в металлах единственными квантово-когерентными состояниями жидкостей. (Электронная плазма в металлах напоминает жидкость.) Вполне вероятно, что сверхтекучесть и сверхпроводимость во вселенной распространены более широко. Они могут встречаться в больших сгустках ядерной материи, которые, в сущности, тоже представляют собой жидкие системы. Например, в нейтронных звездах. Этим проблемам посвящены статьи [c.248]

Твердое состояние устойчиво для гелия лишь под давлением не ниже 2,5 МПа. При охлаждении до —271 "С под более низким давлением жидкий гелий переходит из обычной своей формы (т. н. гелий I) в другую модификацию (т. н. гелий И). Если гелий 1 по свойствам подобен прочим сжиженным газам, то свойства гелия II совершенно необычны. Так, он обладает сверхтекучестью, т. е. обнаруживает практически полное отсутствие вязкости, а теплопроводность его несравненно выше, чем даже у типичных металлов. [c.38]

Технология исследования материалов путем бомбардирования нейтронными пучками Вклад в физику лептонов Открытие сверхтекучести гелия-3 [c.779]

Критическая температура (Т р), названная по предложению Д.И. Менделеева абсолютной температурой кипения - температура, при которой исчезает различие между жидко- и газообразным состоянием вещества. При температурах свыше Т р вещество переходит в сверхкритическое состояние без кипения и парообразования (фазовый переход 2-го рода), при котором теплота испарения, поверхностное натяжение и энергии межмолеку-лярного взаимодействия равны нулю. При сверхкритическом состоянии возникают характерные флуктуации плотности (расслоение по высоте сосуда), что приводит к рассеянию света, затуханию звука и другим аномальным явлениям, таким как сверхпроводимость и сверхтекучесть гелия. Вещество в сверхкритическом состоянии можно представить как совокупность изолированных друг от друга молекул (как молекулярный песок ). Для веществ, находящихся в сверхкритическом состоянии, не применимы закономерности абсорбции, адсорбции, экстракции и ректификации. Их в смесях с докритическими жидкостями можно разделить лишь гравитационным отстоем (см. 6.3.3). Критическое давление (Р р) - давление насыщенных паров химических веществ при критической температуре. Критический объем (У р) - удельный объем, занимаемый веществом при критических температуре и давлении. [c.96]

В физике твердого тела для различных классов кристаллов наблюдаются сверхсостояния (сверхпроводимость, ферромагнетизм и сверхпластичность для металлов, сегнетоэлектрическое состояние для диэлектриков), для квантовой жидкости (гелия) наблюдается сверхтекучесть. Полимеры обладают своим сверхсостоянием, которое называется высокоэластнческим состоянием. Высокоэластическое состояние объясняется не только структурой полимерных молекул или макромолекул, но и свойством внутреннего вращения, известным для простых молекул в молекулярной физике. Теория высокой эластичности основывается на применении конформ анионной статистики макромолекул, которая является развитием статистической физики в физике полимеров. Аморфные полимеры по структуре сложнее, чем низкомолекулярные вещества, но в их ближнем порядке примыкают к строению жидкостей. Релаксационные и тепловые свойства расплавов полимеров и жидкостей во многом аналогичны (процесс стеклования, реология). Кристаллические полимеры по своему строению похожи на твердые тела, но сложнее в том отношении, что наряду с кристаллической фазой имеют в объеме и аморфную фазу с межфазными слоями. По электрическим свойствам полимеры — диэлектрики и для них характерно электретное состояние, по магнитным свойствам полимеры — диамагнетики, а по оптическим свойствам они характеризуются ярко выраженным двойным лучепреломлением при молекулярной ориентации. При этом все полимеры обладают уникальными механиче- [c.9]

Гелий незаменим для создания сверхнизких гелиевых температур, так как его температура кипения при атмосферном давлении составляет всего 4,3 К. Такие температуры нужны для исследований сверхпроводимости, сверхтекучести, а также для определения энтропии по третьему началу термодинамики. Гелий извлекают из природного газа путем глубокого вымораживания из газа всех остальных веществ. [c.170]

Сверхтекучесть — одно из необычных свойств НеП. Вязкость гелия мало меняется до температуры >.-точки, а затем круто падает, стремясь к нулю (рис. 66). [c.137]

Итак, явление сверхтекучести жидкого гелия при низких температурах определяется коллективными свойствами системы взаимодействующих бозонов (атомы гелия), приводящими к спектру элементарных возбуждений Е к), для которого [c.402]

СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ-отсутствие вязкости в жидком гелии при температурах,, близких к нулю (т. е. вязкость меньше, чем достигнутая граница измерения, равная 10 " пз) во время протекания его через тонкие капилляры и щели в интервале температур от О до 2,18 К (— 270,98 С). С. открыта сове1ским ученым П. Л. Капицей в 1938 г. С явлением С. связано существование т. паз. термомеханического эффекта (или эффекта фонтанирования), заключающегося в том, что снижение температуры в узкой щели вызывает появление дополнительной разности давлений на концах этой щели. Если погрузить в гелий II (см. Гелий) капилляр и нагревать его верхний конец, то из капилляра начинает бить фонтан. Значит, в гелии II, кроме гидростатического, действует также и гидротермический напор. Гидродинамическая теория С. полнее всего была развита советским ученым Л. Д. Ландау. Считают, что гелий II представляет собой смесь двух жидкостей, которые могут двигаться независимо друг от друга одна из них — сверхтекучая — не связана с тепловым движением, а другая — нормальная — содержит в себе все тепло, имеющееся в гелии II. Относительная концентрация этих двух жидкостей определяется соотношением их плотностей и зависит от температуры. Возможность существования одновременно двух независимых видов движения в гелии II экспериментально доказана советским ученым Э. А. Апд-роникашвили. Открытие и исследование С. положили начало новому разделу современной физики — квантовой гидродинамики. [c.219]

Все многообразие фазовых переходов классифицируется на фазовые переходы первого и второго родов. При фазовом пе- )еходе первого рода выделяется или поглощается определенное количество теплоты, изменяются объем и плотность вещества, его энтропия, теплоемкость и т, п. Фазовые переходы первого рода — плавление, испарение, возгонка, полиморфное превращение и другие — характеризуются равенством изобарных потенциалов двух сосуществующих в равновесии фаз. В отличие от фазовых переходов первого рода для фазовых переходов второго рода свойственно не только равенство изобарных потенциалов, но и равенство энтропий, объемов и плотностй фаз. К фазовым переходам второго рода относятся магнитные превращения при температуре Кюри, переход вещества в сверхпроводящее состояние, появление сверхтекучести у гелия, переход из парамагнитного состояния в ферромагнитное и др. Одно из объяснений фазовых переходов второго рода состоит ь изменении симметрии частиц системы, например, переход системы частиц с беспорядочно направленными спинами в систему частиц с преимущественной ориентацией спинов или переход нз неупорядоченного распределения атомов А и В по узлам кристаллической решетки в упорядоченное, [c.219]

Сверхтекучесть сравнительно легко наблюдается только в жидком изотопе гелия Не. В изотопе гелия Не сверхтекучесть, по-видимому, обнаружена при температурах ниже 0,0026 К [70]. Естественно предположить, что это различие связано с тем, что Не следует статистике Бозе, а Не — статистике Ферми. [c.238]

Еще в 1925 г. А. Эйнштейн, исследуя свойства газа, состоящего из бозонов, показал, что в этом газе ниже некоторой критической температуры должна наблюдаться конденсация в пространстве импульсов. Это означает, что при температурах ниже T некоторая конечная доля бозонов в покоящемся бозе-газе должна иметь импульс р, равный нулю. С понижением температуры доля таких частиц или, как теперь принято говорить, доля этого конденсата должна расти. Расчеты А. Эйнштейна были раскритикованы Д. Уленбеком и представление о конденсации бозе-газа было, по существу, забыто. В 1938 г. Ф. Лондон выдвинул предположение, что Не как раз и есть такой объект, где бозе— эйнштейновская конденсация происходит и именно она и является причиной сверхтекучести и других необычных свойств гелия П. [c.238]

Как отмечал Ф. Лондон, критическая температура конденсации идеального бозе-газа, имеющего плотность жидкого гелия и состоящего из атомов такой же массы, как у Не, должна быть равна 3,14 К. Эта температура отличается от температуры перехода гелия I в гелий И лишь на 0,96 К. Лондон предположил, что расхождение обусловлено взаимодействием между атомами жидкого Не. Идеи Лондона развивались далее в работах Д. Тисса. По его представлениям, гелий II — раствор конденсата, атомы которого имеют импульс р= О, и нормальной жидкости, атомы которой имеют импульсы р ф 0. По мнению Тисса, конденсат не может участвовать в каких-либо диссипативных процессах и поэтому является сверхтекучим. При О К весь жидкий гелий представляет собой конденсат. Представления Тисса подверглись справедливой критике Л. Д. Ландау и других исследователей. Частицы конденсата должны были бы обмениваться импульсом при столкновениях с частицами нормальной жидкости, поэтому при движении в жидком гелии атомы конденсата испытывали бы трение и сверхтекучести не было бы. Далее, если бы при О К все атомы гелия покоились, то гелий под влиянием сил межатомного притяжения должен был бы кристаллизоваться, а этого не происходит. [c.238]

Статистическая теория идеального бозе-газа показывает, что флуктуации плотности этого газа неограниченно возрастают, когда температура, понижаясь, стремится к Т . Эти флуктуации бесконечно велики при всех температурах, лежащих в интервале 0<7 <7 к. Следовательно, при переходе через критическую температуру интенсивность релеевского рассеяния света должна была бы очень сильно возрастать, а этого у жидкого гелия не происходит. Упомянутые трудности заставили Л. Д. Ландау в 1941 г. построить совершенно другую, правда, не молекулярную, а полуфеноменологическую теорию сверхтекучести. [c.240]

Итак, сверхтекучесть есть проявление квантовой когерентности жидкого гелия в его основном состоянии. Другим проявлением квантовой когерентности является упорядоченность пространственного распределения его плотности. Н. Н. Боголюбов получил выражение (1947) для флуктуаций плотности в элементе объема V, в среднем содержащем молекул неидеального газа Бозе—Эйнштейна [67] [c.244]

С ростом т-ры у большинства Ж. d, ДЯ е, 7, п и особенно резко Т1 и X уменьшаются, а ау, Pj-, С и D возрастают. Такое поведение характерно для т. наз. нормальных Ж. По мере приближения к критич. давлению св-ва Ж. начинают заметно изменяться с давлением. Это, в первую очередь, связано с зависимостью плотности d от т-ры и давления, устанавливаемой термическим уравнением состо.чпия. Подобие термодинамич. св-в отдельных групп нормальных Ж , (напр., членов одного гомологич. ряда) является основанием для вывода эмпирич. соответственных состояний закона. От нормальных Ж. отличают т. наз. ассоциированные Ж. (вода, спирты и т.п.), обладающие высокими значениями т. кип., е, d и др. св-в жидкие металлы и полупроводники, для к-рых характерна высокая электрич. проводимость расплавы солей, характеризующиеся электролитич. диссоциацией молекул с обра-чованием катионов и анионов. Отдельную группу составляют квантовые Ж. (изотопы гелия), существующие при очень низких т-рах и проявляющие специфич. квантовые св-ва (напр., сверхтекучесть). Квантовой Ж. является жидкий гелий. [c.154]

При Ф. п. П рода сама величина О и первые производные С по Т, р и др, параметрам состояниям меняются непрерывно, а вторые производные (соотв. теплоемкость, коэф. сжимаемости и термич. расширения) при непрерывном изменении параметров меняются скачком либо сингулярны. Теплота не вьщеляется и не поглощается, явления гистерезиса и метастабильные состояния отсутствуют. К Ф. п. П рода, наблюдаемым при изменении т-ры, относятся, напр., переходы из парамагнитного (неупорядоченного) состояния в магнитоупорядоченное (ферро- и ферримагнитное в Кюри точке, анти-ферромагнитное в Нееля точке) с появлением спонтанной намагниченности (соотв, во всей решетке или в каждой из магн, подрешеток) переход диэлектрик - сегнетоэлектрик с появлением спонтанной поляризации возникновение упорядоченного состояния в твердых телах (в упорядочивающихся сплавах) переход смектич, жидких кристаллов в нематич. фaзyi сопровождающийся аномальным ростом теплоемкости, а также переходы меяоду разл. смектич. фазами .-переход в Не, сопровождающийся возникновением аномально высокой теплопроводности и сверхтекучести (см. Гелий)-, переход металлов в сверхпроводящее состояние в отсутствие магн. поля. [c.55]

Понятна практически вся химико-технологическая и мате-риаловедческая ветвь физики полимеров, приводящая к использованию только необычных механических свойств полимеров, в которых они иногда могут выступать в качестве заменителей, а иногда и незаменимых материалов. Основной макроскопический эффект полимерности проявляется в высокоэластичности — при условиях, что сама полимеризация одномерная. Но можно ли считать высокоэластичность сверхсостоянием типа сверхтекучести гелия-П, сверхпроводимости, сегнетоэлектриче-ства, ферромагнетизма и т. д. [c.396]

Легкий изотоп гелия Не с атомной массой 3, имеет определенные преимущества перед обычным гелие.м (атомная масса 4) при использовании его для достижения весьма низких температур. Наинизшая температура, полученная откачкой паров гелия-4 составляет 0,7" К. Дальнейшее ее понижение ограничивается двумя факторами чрезвычайно низким давлением равновесного пара над жидкостью и явлением сверхтекучести, приводящим к образованию жидкостной пленки на стенках сосуда, что резко увеличивает испарение. [c.171]

Физические свойства веществ изменяются в зависимости от температуры. Эти изменения особенно значительны в области тем ргератур, при которых работают криогенные машины и аппараты Пример тому — появление сверхпроводимости в некоторых метал лах и сплавах и возникновение сверхтекучести в жидком гелии [c.177]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология