Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 90
Текст из файла (страница 90)
Следовательно, внутри батареи движение электрона происходит от катода к аноду, а ток внутри батареи в соответствии с принятым соглашением течет и противоположном направлении — от анода к катоду. Но такой ток заряжает батарею, а это противоречит закону сохранения энергии. Разрешить этот парадокс. Решение.
Все дело в том, что в этом рассуждении не учтено перераспределение электронов по возможным состояниям зоны при наложении электрического поля. На рис.108 изображен участок дисперсионной кривой для рассматриваемого кристалла. При отсутствии внешнего поля штриховая горизонтальная прямая АВ отсекает от этой кривой верхнюю часть, не заполненную электронами. В заполненных же частях столько же электронов движется направо, сколько и налево. Поэтому ток через кристалл не идет. При наложении электрического поля на электрон начинает действовагь сила Р = е Е, направленная противоположно Е, так как заряд электрона отрицательный.
Для конкретности примем, что поле направлено налево, а следова- уо) Сверятекучесгиь. Опытные факты 365 тельно, сила направо. В соответствии с (59.16) импульсы электронов справа по абсолютной величине должны увеличиваться, а слева уменьшаться. Это значит, что конец В незаполненного участка дисперсионной кривой должен опускаться, переходя в В', а конец А под- Е ниматься, переходя в А'. Скорость злек- е тронов направлена против р, т, е, на нашем рисунке в левой половине направо, а в пра- О Р вой налево. Но в левой половине электронов больше, чем в правой.
Поэтому через кристалл поток электронов будет идти слева В! направо, т.е, в направлении действующей силы г (или против поля Е). Такой ток бу- Рнс. 198 дет разряжать, а пе заряжать батарею. Аналогичное рассуждение можно провести и в том случае, когда электронами заполнена небольшая нижняя часть зоны проводимости. й бО. Сверхтекучесть. Опытные факты 1. Кристаллизация (затвердевание) вещества происходит под действием сил притяжения между атомами (молекулами). Ей препятствует беспорядочное движение этих частиц. С классической точки зрения это движение только тепловое и полностью прекращается при абсолютном нуле температур.
Поэтому с этой точки зрения при приближении к абсолютному нулю всякое вещество в конце концов должно перейти в твердое состояние. Не совсем так обстоит дело с точки зрения квантовой механики. Помимо теплового движения атомы совершают нулевые колебания, не прекращающиеся и при температуре абсолютного нуля. Их частота ш (а с ней и нулевая энергия пш/2 тем больше, чем меньше масса атома (ш 1/з/т). Если силы притяжения между атомами недостаточны, чтобы противостоять нулевым колебаниям, то даже при температуре абсолютного нуля тело не перейдет в твердое состояние, а останечся жидким, если только давление не очень велико. Именно так обстоит дело с гелием. Причина этого двоякая.
Во-первых, из всех инертных газов массы атомов гелия минимальны. Во-вторых, инертные газы имеют замкнутые (застроенные) наружные оболочки, характеризующиеся сферической симметрией. Такова и единственная К-оболочка атома гелия, состоящая всего из двух электронов. Изза этого силы притяжения между атомами Не относительно слабы, а плотность жидкого гелия мала (при температуре 2,20 К и давлении насыщенных паров она равна около 0,146 г/сгяз). Поэтому при нормальном давлении гелий остается жидким и при температуре абсолютного нуля. В этом прежде всего проявляются квантовые свойства жидкого гелия, благодаря чему его называют квантовой оюидкостью.
Из всех известных веществ свойством оставаться жидким вплоть до температуры абсолютного нуля обладает только гелий. Но гелий можно получить н в твердом состоянии. Для этого надо повысить внешнее давление до 25,3 атм или выше.
Повышение давления как бы эквивалентно усилению сил притяжения между атомами гелия. 360 Некоторые микроскопические квантовые явлении (Гл. Ъ'П Существуют два стабильных изотопа гелия — 2Не и Не. В воздухе 4 3 содержится 0,0005% Не по объему. Природный гелий состоит почти исключительно из 24Не и содержит только ничтожную часть 42Не. Например, в смеси с 24Не, полученной из воздуха, компонент 24Не составляет всего 10 "% общей массы газа. Детальное изучение свойств 4Не стало возможным лишь после получения его в макроскопических количествах искусственными способами. Образуется ' Не в результате 8 13-распада трития: Н вЂ” > Не+с Сам же тритий 41Н получают с помощью другой ядерной реакции; 1'+ оп — 4 1Н+ 2Не, происходящей при бомбардировке ядер 45!й нейтронами.
Сущесгвуют и другие ядерные реакции, в которых выделяется 1~Не. 2. Ожижение природного гелия было произведено в 1908 г. Камерлинг-Оннесом (1853-1926) в Лейденской лаборатории. Только после этого открылась возможность исследования свойств веществ вблизи абсолютного нуля температур. Критическая температура 4Не составляет Т» = 5,25 К, так что в жидком состоянии он может существовать только ниже этой температуры. Под давлением в 1 атм 4~Не кипит при температуре 4,21 К. Еще более низкую критическую температуру (3,35 К) имеет более легкий изотоп 24Не.
Под давлением в 1 атм жидкий 24Не кипит при температуре 3,195 К. Естественный гелий был получен в твердом состоянии в 1926 г. Кеезомом (1876— 1956), сменившим Камсрлинг-Оннеса (после его смерти) на посту директора Лейденской лаборатории. Для получения твердого гелия при абсолютном нуле температур требуется давление не менее 25,3 атм, а при 60 К вЂ” порядка 10000 атм.
Твердый гелий — совершенно прозрачное и бесцветное вещество. В дальнейшем, где говорится о свойствах жидкого гелия, имеется в виду тяжелый изотоп 24Не. Только в следующем параграфе затрагиваются свойства легкого изотопа 2Не. Диаграмма состояния 4Не приведена на рис. 109. 40 30 х 4 й 20 10 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 т, К Рис. 109 6 60) Сверктекучеегиь. Опытные факты 367 При понижении температуры жидкий гелий претерпевает обратимое фазовое превращение второго рода, т. е, такое превращение, при котором не происходит выделения или поглощения тепла, а удельный объем жидкости остается неизменным 1см.
т. П, 3 120). Температура перехода Тх понижается с повышением давления по линейному закону от максимального значения 2,17 К при давлении насыщенных паров гелия (37,80 мм рт. ст.) до минимального значения 1,77 К при давлении 30 атм. На диаграмме состояния (Т, р) точки, в которых совершается указанный фазовый переход, располагаются вдоль прямой, называемой Л-линией.
Жидкость, температура которой (при одном и том же давлении) выше Тю называется гелием-1, а жидкость, температура которой ниже Тх — гелием-П. Фазовый переход проявляется, вопервых, в скачке теплоемкости при температуре Тю По обе стороны от этой температуры теплоемкосгь гелия обращается в бесконечность по логарифмическому закону С = сопя! !и (~Т вЂ” Тх~ '), но с различными коэффициентами пропорциональности (рис. 110). Кривая теплоемкости напоминает греческую букву Л. Отсюда и произошли названия Л-точка н Л-линил.
Во-вторых, прн переходе Не 1 ' Не П скачкообраз- С,к но меняется температурный коэффициент расеаиренил, когорый для Не П оказывается даже отрицательным. Гелий-1 ведет себя как обычная жидкость и обладает конечными значениями вязкости и теплопроводности. 1елий же П обладает ря- 0 4 8 З З, 6 Т К дом специфических свойств, совершенно непонятных с классической Р .110 Рис. 11 точки зрения и истолкованных только на основе квантовых представлений. В этом состоит вторая причина, почему его называют квантовой гесидкостью (первая — уже упомянутое выше свойство гелия оставаться жидким при абсолютном нуле).
Этн свойства являются проявлением одного сверкгпекучести гелия- П, открытой П.Л. Капицей (1894-1984) в 1937 г. Исследования течения жидкого гелня-П через узкие каналы и щели, производившиеся до Капицы, приводили к несогласованным результатам в отношении вязкости Не П. Капица показал, что причина несогласованности состояла в том, что каналы и щели были слишком широки. Если оценить числа Рейнольдса, пользуясь полученными значениями вязкости Не П, то они оказываются очень болыиими. При таких больших числах Рейнольдса течение Не П было бы турбулентным, тогда как его считали ламинарным.
Капица добился ламинарности, исследуя течение гелия-П через очень узкие капилляры (диаметром около 10 в см и меньше) и щели. Оказалось, что при этих условиях жидкий гелий-11 протекает через капилляры, не испытывал сил вязкости. Это явление исчезновения вязкости и было названо сверхтекучестью. С другой стороны, как показали измерения Кеезома и Мак Вуда в 1938 г., вязкость Не П, 868 Некоторые мокроскопические квантовые явления (Гл.
УП измеренная по методу затухания крутильных колебаний диска, погруженного в Не П, оказалась конечной и вблизи Л-точки мало отличной от вязкости Не !. 3. Ниже описываются некоторые явления, наблюдающиеся в Не П. Однако для сокращения изложения мы сразу же даем и их толкование, основанное на так называемой двухжидкостной модели Не П, предложенной в 1938 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
