1611143556-2273da8470727e985a6fa41fb7d7276c (825019), страница 71

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 71)

е. число молекул, выходящих за 1 сек из отверстия, по порядку величины равна Зпо, где Я вЂ” площадь отверстия. Поскольку и=р(ИТ, и )~ИТ(т, то рВ Зпо Отметим, что скорость эффузии уменьшается с увеличением массы молекул. Поэтому при эффузии смеси двух газов вытекающий газ будет обогащен более легкой компонентой. На этом явлении основан один из употребительных методов разделения изотопов. 13" 388 1гл. хч вязкость Представим себе два сосуда, содержащих газы с различнымн температурами Т и Т, и соединенных между собой маленьким отверстием (или трубочкой малого диаметра).

Если бы газы были неразреженными, то в обоих сосудах установились бы одинаковые давления так, чтобы в отверстии силы, с которыми оба газа действуют друт на друга, были одинаковыми. Для разреженных же газов это соображение теряет смысл, так как молекулы свободно проходят через отверстие, не сталкиваясь друг с другом. Давления р, и р, установятся теперь так„чтобы числа молекул, проходящих через отверстие в обе стороны, были одинаковыми, Согласно полученной для скорости вытекания формуле это значит, что должно выполняться условие Р~ Ре $/у, 3/Ё Таким образом, в обоих сосудах установятся различные давлении, причем в сосуде с более высокой температурой будет и более высокое давление. Это явление называется эффектом Кнлдсена. Оно должно, в частности, учитываться при измерении очень малых давлений: разница в температурах исследуемого газа и газа в измерительном приборе приводит также и к соответствующей разнице в давлениях.

й 124. Сверхтекучесть Мы уже упоминали о том, что жидкий гелий представляет собой исключительный пю своим свойствам физический объект — «квантовую жидкостыч свойства которой не могут быть поняты на основании представлений классической механики. Это проявляется уже в том факте, что гелий остается жидким при всех температурах вплоть до абсолютного нуля $72). Гелий переходит в жидкое состояние при 4,2" К.

Прн температуре же около 2,2' К гелий, оставаясь жидким, претерпевает еще одно превращение — фазовый переход второго рода (см. $ 74). Жидкий гелий при температурах выше точки превращения получил название гелия 1, а ниже — гелия П. Описываемыми ниже свойствами обладает гелий П. й 1241 свввхтвю честь Одно нз этих свойств состоит в огромной скорости теплопередачи в жидком гелии.

Разность температур между концами започнеиного гелием капилляра выравнивается чрезвычайно быстро, так что гелий И оказывается как бы наилучшим из известных нам проводников тепла. Этосвойство, кстати, объясняет изменение, бросакицееся в глаза при визуальном наблюдении превращения гелия 1 в гелий 11: понерхиость непрерывно кипящей' жидкости при достижении точки перехода внезапно становится совершенно спокойной и гладкой.

Причина состоит в том, что благодаря очень быстрому отводу тепла от стенок сосуда на нпх пеобразуются характерные для кипения пузырьки пара и гелий !1 испаряется только со своей открытой поверхности. Основным, первичным, свойст- в у пако, другое его свойство — так называемая сверхтекучесть, открытая П.

Л. Капицей. Речь идет о Рвс. 5. вязкости жидкого гелия. Вязкость жидкости может измеряться по скорости ес протекания через тонкие капилляры. По в данном случае такой способ непригоден и требуется метод, допускающий протекание большего количества жидкости, чем пропускает тонкий капилляр. Это достигается в опыте, в котором гелий П протекает по очень узкой (околой,блцск) щели между двумя шлифованными стеклянными дисками (рис. 5).

Однако и в этих условиях у жидкою гелия не удается обнаружить никакой вязкости, что свидетельствует о ее точном равенстве нулю. Об отсутствии вязкости у гелия П и говорят как о его сверхтекучести. Со сверхтекучестью гелия 11 непосредственно связано также явление образования им «ползущей пленки». Уровни жидкого гелия, налитого в два разделенных перегородкой сосуда, с течением времени самопроизвольно выравниваются. Это перетекание происходит по тонкой (тачщиной в несколы:о сотен ангстрем) пленке, образуемой жидким гелием на стенках; пленка играет при этом роль сифона (рис. б).

Сам по себе факт образования пленки не является вязкость [гл. хч особым свойством, присущим только гелию И. Пленки образуются всякой жидкостью, смачивающей твердую поверхность. В обычных жидкостях, однако, образование пленки и ее распространение по поверхности происходят чрезвычайно медленно из-за вязкости жидкости. Образование же и движение пленки у гелия И происходят быстро в силу его сверхтекучести. Скорость ползущей пленки достигает десятков сантиметров в секунду. Мы говорили выпье о вязкости гелия, измеренной по скорости протекания жидкости по тонкой щели. Но вязкость жидкости можно измерять и другим способом. Если подвешенный в 11(( жидкости диск (или цилиндр) совершает крутильные колебания вокруг своей осн, то мерой вязкости служит испытываемое диском трение, приводящее кторможению его колебаний.

Оказывается, что при таких измерениях гелий 11 об— наруживает хотя и небольшую, но отнюдь не равную нулю вязкость (порядка 10 а пуаз). Теория, объясняющая зти параРис. б. доксальные свойства жидкого ге- лия (она была дана Л. Д. Ландау) не может быть изложена здесь, до изложения основ квантовой механики. Мы опишем, однако, ту физическую картину, к которой приводит эта теория.

Обычно представляется само собой разумеющимся, что для описания движения жидкости вполнедостаточно указать ее скорость в каждом месте потока. Но уже это положение оказывается несправедливым для движения той квантовой жидкости, которой является гелий И. Оказывается, что гелий И может совершать два движения одновременно, так что для описания его течения необходимо указать в каждой точке потока значения неодпой, а сразу двух скоростей. Для наглядности представим себе, что гелий И является смесью двух жидкостей, двух компонент, которые могут двигаться независимо вдруг через друга», не испытывая при этом никакого взаимного трения. Но в действительности все же жидкость всего одна, и пеобхо- ф 124] сВеРхтекучесть димо подчеркнуть, что эта «двухжидкостная» модель гелия11 является не более как удобным способом описания происходящих в ием явлений.

Как и всякое описание квантовых явлений в классических терминах, оно не вполне адекватно„— естественная ситуация, если вспомнить, что наши наглядные представления являются отражением того, с чем мы сталкиваемся в обыденной жизни, между тем как квантовые явления проявлякпся обычно лишь в недоступном нашему непосредственному восприятию микромире.

Каждое из двух одновременно происходящих в жидком гелии движений связано с перемещением определенной массы жидкости. В этом смысле можно говорить о плотностях обеих «компонеит» гелия 11, хотя снова надо подчеркнуть, что такая терминология ни в коем случае не означает реального разделения атомов вещества на две категории. Каждое из двух движений является коллективным свойством большого числа одних и тех же атомов жидкости. Оба движения совершенно различны по своим свойствам. Одно из них происходит так, как если бы соответствующая «компонента» жидкости не обладала никакой вязкостью; эта компонента называется сверхтекучей.

Другая же компонента, называемая нормальной, движется как обычная вязкая жидкость. Этим не исчерпывается различие между двумя видами движения в гелии 1!. Важнейшее различие заключается также в том, что нормальная компонента переносит при своем движении тепло; сверхтекучее же движение вообще ие сопровождается каким бы то ни было переносом теплоты. В известном смысле можно сказать, что нормальная компонента — это и есть само тепло, которое становится в жидком гелии сал~остоятельным, отрываясь от общей массы жидкости и как бы приобретая способность перемещаться относительно некоторого «фона», находящегося при абсолютном нуле температуры. Эта картина радикально отличается от обычного, классического, представления о тепле как о хаотическом движении атомов, неотделимом от всей массы вещества. Эти представления сразу позволяют объяснить основные результаты описанных экспериментов.

Прежде всего устраняется противоречие между измерениями вязкости жидкости по трению, испытываемому вращающимся диском, и по вязкость гл. х» протеканию жидкости через щель. В первом случае диск тормозится потому, что, вращаясь в жидком гелии, он испытывает трение о его «нормальную» часть, и по существу измеряется вязкость именно этой компоненты. Во втором же случае через щель протекает сверхтекучая часть гелия,' а обладающая вязкостью нормальная компонента задерживается щелью, «просачиваясь» через нее весьма медленно; таким образом, в этом опыте обнаруживается отсутствие вязкости у сверхтекучей компоненты, Но поскольку сверхтекучее движение не переносит тепла, то при вытеканин гелия через щель как бы отфильтровывается жидкость без тепла, а тепло остается в сосуде. В идеальном предельном случае достаточно тонкой щели вытекающая жидкость должна была бы находиться прн абсолютном нуле. В реальном же опыте она имеет хотя н не равную нулю, но более низкую, чем в сосуде, температуру.

Характеристики

Список файлов книги