Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 91
Текст из файла (страница 91)
Л. Тиссой (р. 1907), а затем обоснованной и усовершенствованной Л.Д. Ландау (1908-1968) в 1941 г. В основе этой модели лежит предположение, что Не П состоит из двух компонентов: нормального (и) и сверхтекучего (г), каждый из которых характеризуется своей плотностью (так что полная плотность жидкости равна р = р„+р,) и своими гидродинамическими скоростями »и и»,. Полная плотность потока импульса жидкости равна « = р„»„+ -~- р,»,. Плотность р„нормального компонента стремится к нулю при Т вЂ” «О, когда гелий становится полностью сверхтекучим, а плотность р, сверхтскучего компонента обращается в нуль при Т ) Тл, когда весь гелий превращается в Не !.
Впрочем, двухжидкостная модель является не более как только способом выраженил, удобным для описания явлений, происходящих в Не П. Как и всякое описание квантовых явлений в классических терминах, двухжидкосгная модель при буквальнол«ее понимании не лв лется адеквагп««ой Нельзя сказать, что гелий-!! состоит из нормальных и сверхтекучих атомов. Разделить его на такие атомы невозможно уже потому, что атомы гелия совершенно тождественны.
При перестановке местами «нормального» и «сверхтскучего» атомов, если бы гелий-П состоял из таковых, его состояние осталось бы в точности таким же, каким оно было до перестановки. В з 61 (и. 4) будет приведена другая аргумонтация, почему о реальном различении Не П на нормальный и сверхтекучий компоненты и их фактическом отделении друг от друга не может быть речи. Кроме того, в покоящемся Не П различие между нормальным и сверхтскучим компонентами не обнаруживается. Точнее, надо было бы говорить не о существовании двух компонентов в Не П, а об одновременном сосуществовании двух движений — норм льного и сверхтекучгго. Плотности р„и р, играют при этом просто роль коэффициентов, показывающих вклад каждого из этих движений в тот или иной эффект.
При использовании двухжидкостной модели надо всегда иметь в виду сделанную оговорку. Нормальное движение обладает всеми свойствами вязкого течения жидкости, тогда как сверхтекучее движение приводит к явлению сверхтекучести. Двухжидкостная модель предполагает также, что сверхтекучее движение в гелии-11 не только не сопровождается вязкостью, но и не принимает участия в переносе тепла 4. С изложенной точки зрения понятно исчезновение вязкости Не П при течении через очень узкие капилляры. Нормальное (вязкое) течение Не П через узкий капилляр просго не происходит. Совершается только сверхтекучее течение, лишенное вязкости.
Эффект выражен тем лучше, чем уже капилляр, так как в широких капиллярах течение становится турбулентным. 5 60) Сверхтекучесть. Опытные факты 369 Прямой опыт Э.Л. Андроникашвили (р. 1910) в 1946 г. подтвердил справедливость двухжндкостной модели. Схема этого опыпа представлена на рис.111. Стопка очень тонких дисков из алюминиевой фолыи (толщина 0,0016 см), расположенных на одной оси на равных расстояниях друг от друга (0,021 см), подвешивалась на упругой нити и совершала крутильные колебания в Не П. При колебаниях дискон увлекался только нормаль- ный компонент Нс 11, тогда как сверхтекучий не оказывал никакого влияния на эти колебания.
При Т ) Тх в колебаниях принимала участие вся жидкость. При переходе через Л-точку период колебаний езко меньшался что обьясняется появ- 1,0 0.6 0,2 Р у пением в Не П сверхтекучего компонента. Уменьшение периода колебаний непрерывно продолжалось и при дальнейшем понижении температуры. Измеряя периоды колебаний, можно было определить относительные содержания р„/ р и р, / р нормального и сверхтекучего компонентов при различных температурах. 1'езультаты графически представлены на рис.
112. Из него видно, что при абсолютном нуле содержи гся только сверхтекучий компонент. При повышении температуры его содержание уменьшается. Температура, при которой р,/р обращается в нуль, и представляет собой точку перехода гелия-!! в гелий-!. Таким образом, фазовый пероход в жидком гелии связан с исчезновением 0,8) (или появлением) сверхтекучей части жидкости.
Это исчезновение (или появление) происходит постепенно,т.е. в Л-точке р„/р принимает предельное значение р„/р = 1 пепрерывыым образом, без скачка. Поэтому-то переход и является фазовым переходом — — — — — второго рода. 1,0 1.,5 2,0 Т. К С изложенной точки зрения по- нятно, почему при вытекании Не П Рис. 112 из сосуда через узкий капилляр или щель он не обнаруживает вязкости.
Это связано с тем, что из сосуда вытекает сверхтекучая часть жидкости, не обнаруживающая трения, а нормальная часть задерживается в сосуде, протекая через капилляр несравненно медленнее, со скоростью, свойственной ее вязкости и толщине капилляра. Диск же, совершающий крутильные колебания в Не !1, тормозится трением о нормальную часть жидкости. Благодаря этому и получается конечное значение вязкости. Таким образом, в опытах с протеканием по капилляру обнаруживается наличие сверхтекучей части Не 11, а в опытах с колебаниями диска нормальной. б. Обратимся теперь к рассмотрению некоторых явлений, наблюдающихся в Не 11. 370 Некоторые макрвеквиичеекие квантовые лвленил (Гл. зг!! Излучение Наждачны по1юшок Пусть два сосуда, наполненные Не !1, соединены друг с другом узким капилляром.
Практически роль капилляра может выполнять трубка, плотно забитая мелким порошком (например, наждачным). Между частицами порошка образуются извилистые каналы различной толщины ( 100 нм), по которым и может течь сверхтекучая часть гелия. Если первоначально температуры Не !! в сосудах были одинаковы, а уровни жидкости различны, то начнется перетекание сверхтекучей части гелия из одного сосуда в другой.
Оказывается, что при этом температура Не !! будет повышаться в сосуде, из которого гелий вытекает, и понижаться в сосуде, куда он втекает. Это явление назьтается мехапвтерми *вским или механв алорическим эффектом. Оно объясняется тем, что сверхтекучая часть Не !1, с помощью которой только и осуществляется перетекание, не переносит никакого тепла. Поэтому внутренняя энергия в сосуде, откуда вытекает Не !1, не изменяется, а общее количество жидкости в нем уменьшается. На единицу массы приходится все большая и большая внутренняя энергия, что и приводит к повышению температуры. Напротив, из-за втекания сверхтекучей части во второй сосуд удельная внутренняя энергия Не П в нем уменьшается, а поэтому температура понижается.
6. Существует обратный эффект, называемый термомеханическим. Допустим опять, что два сосуда с Не П сообщаются между собой узким капилляром. Пусть теперь в начальный момент температуры и уровни жидкости в обоих сосудах одинаковы. Нагреем один из сосудов. Тогда в нем содержание сверхтекучего компонента уменыпится, а нормального увеличится. Термодинамическое равновесие нарушится. Механическое равновесие будет быстро восстанавливаться путем перетекания сверхтекучего компонента из более холодного в более теплый сосуд.
Такой процесс из-за механотермичер ег, ского эффекта будет только увеличивать разносгь температур в обоих сосудах. Нормальный компонент практически не участвует в перетекании. Выравнивание температур происходит несравненно более медленно,чем установление механического равновесия. В результате, пока температуры не выравняются, уровень гелия в менее нагретом сосуде окажется ниже, чем в более нагретом.
Таким образом, при наличии в Не 11 градиента температуры возникает течение сверхтекучей части в направлении против этого градиента. Это и есть термомеханиче— Вата скин эффект. Яркой демонстрацией термомеханичсского эффекта может служить так называемое фвнтанирование гептил, впервые наблю— давшееся в 1938 г.
Алленом (р. 1908) и Джон- сом. Один конец широкой трубки (рис. 113), Рис. 113 плотно заполненной наждачным порошком, уо) Сверхтекучесть. Опытные факты 371 погружался в гелиевую ванну, а к другому был приделан вертикальный капилляр. При освещении наждачного порошка (достаточно было света от карманного фонарика) он нагревался, и сверхтекучий поток устремлялся из ванны в трубку с такой скоростью, что из капилляра била струя Не П, достигавшая высоты 30 — 40 см. 7. На поверхности тел, погруженных в жидкий гелий, образуются тонкие пленки, толщина которых при давлении насыщенных паров составляет около 30 нм, или 100 атомных слоев.
Образование аналогичных пленок происходит и в случае других жидкостей (например, керосина). Но из-за отсутствия вязкости Не П его сверхтекучая часть течет внутри пленки, как по узкому каналу, явление, наблюдавшееся Камерлинг-Оннесом еще в 1922 г. Благодаря этому пустая пробирка, опущенная в ванну с Не П, начинает наполняться жидкостью, даже если ее верхний конец расположен выше уровня Не П !рис. 114 а).
Наполнение продолжается до тех пор,пока уровни жидкости в пробирке и в ванне не сравняются. Если после этого пробирку приподнять, то она опустошается !рис. 114 б). Опустошение продолжается и в том случае, когда пробирка приподнята над уровнем жидкости в ванне целиком. В последнем случае образуются капли, падающие в ванну с наружной 1 ! ! » 1 Рис. 114 поверхности дна пробирки 1рис.114 в).
В этих опытах пленка Не П работает как сифон, причем движущую силу для сверхтекучей части создает главным образом разность гравитационных потенциалов между концами пленки. Типичное значение для скорости сверхтекучей части Не П составляет около 20 см/с. Нормальная часть жидкости, изза своей вязкости, остается в пленке практически неподвижной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
