§ 86. ЖИДКИЙ ГЕЛИЙ. СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ

Самой низкой критической температурой обладает гелий: При атмосферном давлении жидкий гелий может существовать лишь при температурах ниже 4,21 К.

В отличие от остальных жидкостей жидкий гелий существует в двух модификациях: Не I и Не II. При давлении в 1 атм выше существует гелий I, ниже — гелий И. Температура атм) определяет точку перехода гелия из одной его модификации в другую (при повышении давления температура перехода понижается). Точка перехода Не I в Не II называется -точкой. Это название принято из-за вида кривой зависимости теплоемкости С жидкого гелия от температуры вблизи точки фазового перехода (рис. 8.21). Скачок теплоемкости в точке перехода является важной особенностью превращения Не I в Не И. Следует отметить, что переход жидкого гелия из одной модификации в другую не сопровождается поглощением или выделением теплоты, как это имеет место в случае фазовых превращений жидкость — твердое тело или жидкость — пар.

Жидкий гелий I обладает обычными для сжиженных газов свойствами: бесцветная, бурно кипящая жидкость с плотностью примерно Не II по своим свойствам резко отличается от Не Внешне это отличие проявляется в том, что поверхность непрерывно кипящей жидкости при достижении точки перехода делается совершенно спокойной. Это объясняется тем, что вследствие очень быстрого отвода теплоты от стенок сосуда на них не образуется характерных пузырьков и гелий II испаряется только со своей открытой поверхности.

Рис. 7.21.

Основной особенностью гелия II является его сверхтекучесть, открытая П. Л. Капицей в 1938 г. Сверхтекучесть проявляется в том, что течение этой жидкости через тонкие капилляры и щели происходит так, как будто вязкость у нее совершенно отсутствует. Не II свободно проникает через самые тонкие капилляры.

Свойство сверхтекучести, как и многие другие явления, протекающие при температурах, близких к абсолютному нулю, является квантовым эффектом. Теория сверхтекучести была создана в 1941 г. Л. Д. Ландау. Остановимся кратко на физической картине, к которой приводит эта теория.

Для описания движения обычной жидкости достаточно указать ее скорость в каждом месте потока. Оказывается, что в гелии II могут происходить одновременно два движения, при этом для описания его течения необходимо в каждой точке потока иметь сведения о двух скоростях. Это особенность квантовых эффектов модельно и чрезвычайно грубо представляется так, как если бы гелий II являлся смесью двух жидкостей, двух компонент, двигающихся «друг через друга» без сопротивления. Каждое из таких движений связано с перемещением определенной массы среды. Как указывалось выше, такая модель есть грубый аналог сложных квантовых эффектов. В действительности каждое из двух движений в гелии II является результатом проявления коллективных свойств одних и тех же атомов жидкости.

Оба движения в гелии II различны по своим свойствам. Одно из них происходит так, как если бы соответствующая «компонента» жидкости не обладала никакой вязкостью (сверхтекучая компонента). Другая же компонента (нормальная) движется как обычная жидкость. Каждая из компонент имеет свою плотность, которая меняется в зависимости от температуры. Сущность перехода Не I в Не II состоит в том, что в нормальном жидком гелии появляется сверхтекучая компонента, содержание которой с понижением температуры возрастает.

Отмеченные особенности жидкого гелия ниже -точки позволяют понять характер его течения. В широких сосудах в течении принимают участие обе его модификации, при этом вполне безвязкостного течения не будет. Через узкие капилляры сверхтекучая компонента свободно проходит без трения, а нормальная компонента не проходит, и течение оказывается безвязкостным.

Жидкий гелий обладает целым рядом и других интересных особенностей. Так, например, если в тонком капилляре с жидким гелием создать поток теплоты, то в направлении, противоположном этому потоку, возникнет поток жидкости (термомеханический эффект). Это явление наблюдается в устройстве, изображенном на рисунке 8.22. Сосуд А с нагревателем тонким капилляром К соединен с сосудом В, где находится жидкий гелий. При отсутствии тока в нагревателе уровни жидкости в капилляре и вне его одинаковы. При включении нагревателя создается поток теплоты через

Рис. 8.22.

Рис. 8.23.

капилляр в сторону жидкого гелия; навстречу ему возникает поток Не II, в результате сосуд с нагревателем заполняется жидкостью.

Сверхтекучестью и термомеханическим эффектом объясняется образование тонких «ползучих» пленок Не II на поверхности твердых тел. Так, если погрузить в жидкий гелий II пустую пробирку А (рис. 8.23, а), то на наружной ее поверхности образуется пленка жидкости, которая перемещается вверх. В результате через некоторое время пробирка наполнится жидкостью. Если же в пробирку налить столько жидкого гелия, чтобы уровень жидкости в пробирке был выше, чем вне ее, то гелий II, образовав пленку на внутренней и внешней сторонах стенки пробирки, будет вытекать из пробирки до выравнивания уровней жидкости в пробирке и вне ее (рис. 8.23, б).

Пленки образуются и другими жидкостями, смачивающими твердые тела. В случае же обычных жидкостей перемещение пленок по поверхности твердых тел происходит чрезвычайно медленно из-за проявления их вязкости. Движение пленок гелия II происходит довольно быстро скоростью в несколько десятков сантиметров в секунду) в силу его сверхтекучести.