§ 132. Твердый гелий

Интересным исключением среди всех веществ является гелий, единственное вещество, не твердеющее вплоть до абсолютного нуля.

Как мы уже знаем, жидкий гелий известен в двух модификациях, которые, если гелий находится под давлением своих насыщенных паров, переходят друг в друга при 2,19 К (Ахгочка). Этот переход является фазовым переходом второго рода. В частности, при переходе Не I — Не 11 отсутствует скрытая теплота перехода.

Рис. 186.

Диаграмма состояния гелия в связи с упомянутыми особенностями его жидкого состояния имеет весьма своеобразный вид и является единственной в своем роде. Она изображена на рис. 186 (масштаб на этом рисунке не вполне выдержан). Кривая 1 представляет собой кривую парообразования. Кривая 2 является линией -точек. Она показывает, как изменяется температура перехода Не I —Не II с повышением давления. Наконец, кривая 3 — это кривая плавления. Все эти кривые разделяют диаграмму на четыре части: на области существования газообразного гелия, жидкого Не I, жидкого Не II и твердого гелия. Из диаграммы видно, что область жидкого Не II простирается до абсолютного нуля. Это значит, что и при абсолютном нуле устойчивым состоянием гелия является жидкое состояние. Что касается твердого гелия, то он может быть получен, как это видно из диаграммы, только под повышенным давлением, которое даже при абсолютном нуле должно быть не меньше 25 атм. И чем выше температура, тем большее давление требуется для кристаллизации гелия. Так, при 50 К гелий твердеет при 7000 атм.

Кривая плавления является, конечно, кривой равновесия твердого гелия с жидким Не I (справа от линии -точек) и с жидким Не II (слева от нее). Кривая парообразования также является линией равновесия газообразного гелия с обеими фазами жидкого

гелия соответственно слева и справа от этой линии. Но линия -точек не являемся равновесной линией для обеих жидких фаз.

Очень интересной особенностью диаграммы состояния гелия является отсутствие линии равновесия между твердой и газообразной фазами. Это значит, что ни при каких условиях твердый гелий не может быть в равновесии со своим паром. Над твердым гелием может находиться только жидкий Не I или Не II, но не газообразный гелий. Следовательно, гелий не может возгоняться.

Все эти особенности гелия, в частности тот факт, что он остается жидким и при абсолютном нуле, могут быть объяснены только на основе квантовой теории; гелий является единственным в природе веществом, в котором эффектьц вытекающие из квантовой теории, находят свое отражение в макроскопических свойствах.

Дело в том, что согласно квантовой теории энергия частиц при абсолютном нуле неравна нулю, как это следует из классической кинетической теории вещества. Частицы и при абсолютном нуле обладают так называемой нулевой энергией, тем большей, чем меньше масса атомов. Атомы гелия обладают поэтому особенно большой нулевой энергией (после водорода наибольшей). С другой стороны, благодаря особенностям строения атома гелия силы взаимодействия между атомами гелия (как и других благородных газов) очень малы. Естественно поэтому, что при малых силах взаимодействия между атомами нулевая энергия оказывается достаточной для того, чтобы воспрепятствовать атомам гелия расположиться в правильном порядке, т. е. образовав кристаллическую решетку. И только внешним давлением можно сблизить атомы настолько, чтобы они могли образовать кристалл.

Особенностью гелия как раз и является -что при низких температурах именно нулевая энергия, а не энергия тепловых движений определяет его поведение.

Казалось бы, нулевая энергия должна играть еще большую роль в водороде, атомы которого имеют еще меньшую массу. Действительно, нулевая энергия атомов водорода еще больше, чем у гелия. Но, как мы только что видели, решающую роль играет соотношение между нулевой энергией и энергией взаимодействия частиц. А эта последняя у атомов водорода много больше, чем у гелия. Численная оценка показывает, что в твердом водороде нулевая энергия составляет половину полной энергии, а в гелии на ее долю приходится около . Именно этим объясняется и низкая температура сжижения гелия, и невозможность его кристаллизации при обычных условиях. Еще большую роль нулевая энергия играет в легком изотопе гелия Здесь нулевая энергия составляет 95% полной энергии. Поэтому температура сжижения (при нормальном давлении) еще ниже (3,2 К, а у обычного гелия 4,2 К). Для кристаллизации требуется еще более высокое давление, чем при абсолютном нуле — более 29 атм.