§ 244а. Диаграмма состояния и свойства гелия
Гелий заслуживает отдельного описания по той причине, что только этот элемент обнаруживает два исключения из общих правил. Диаграмма состояния гелия (изотоп 4) показана на рис. 280а. Оказывается, что существуют две твердые фазы. Объемно-центрированная решетка гелия устойчива в очень узкой области температура — давление. В основной области гелий имеет гексагональную плотную структуру (см. стр. 571), а при очень высоких давлениях, не показанных на чертеже, приобретает структуру гранецентрированной кубической решетки.
Рис. 280а.
Первая особенность, которая бросается в глаза, это то, что устойчивой фазой при нуле давлений и нуле температуры является жидкая, а не твердая фаза. Вторая особенность состоит в том, что жидкий гелий может существовать в двух состояниях, между которыми проходит четкая фазовая граница.
Причина этих особенностей гелия заключается в сочетании малой массы атомов с очень слабыми силами взаимодействия. Достаточно сказать, что глубина потенциальной ямы на кривой взаимодействия двух атомов гелия в десять раз меньше, чем у аргона. В результате оказывается, что нулевая энергия гелия, т. е. кинетическая энергия в наинизшем состоянии настолько велика, что без приложения внешнего давления атом гелия не может находиться (как другие атомы) в потенциальной яме, созданной взаимодействием с соседями, и ограничиться в своем движении одними лишь колебаниями около положения равновесия.
Самое поразительное свойство гелия II — это открытая П. Л. Капицей в 1938 г. сверхтекучесть, т. е. полное отсутствие вязкости.
Для наблюдения сверхтекучести изготовляется сосуд, в дне которого имеется очень узкая щель — шириной всего лишь в полмикрона. Обычная жидкость почти не просачивается сквозь такую щель; так ведет себя и гелий при температуре выше 2,19 К. Но едва только температура становится ниже 2,19 К, скорость вытекания гелия скачком возрастает по крайней мере в тысячи раз. Через тончайший зазор гелий II вытекает почти мгновенно, т. е. полностью теряет вязкость. Сверхтекучесть гелия приводит к еще более странному явлению. Гелий II способен сам «вылезать» из стакана или пробирки, куда он налит.
На рис. 2806 показана схема проведения этого опыта. Пробирку с гелием II помещают в дьюар над гелиевой ванной. Гелий
поднимается по стенке пробирки в виде тончайшей, совершенно незаметной пленки и перетекает через край; с донышка пробирки капают капли.
Благодаря капиллярным силам молекулы всякой жидкости, смачивающей стенку сосуда, взбираются вверх по этой стенке и образуют на ней тончайшую пленку, ширина которой по порядку величины равна одной миллионной доле сантиметра. Эта пленочка незаметна для глаза, да и вообще ничем себя не проявляет в случае обычной вязкой жидкости.
Рис. 280б.
Картина совершенно меняется, если мы имеем дело с лишенным вязкости гелием. Узкая щель не мешает движению сверхтекучего гелия, а тонкая поверхностная пленка — все равно что узкая щель. Лишенная вязкости жидкость течет тончайшим слоем. Через край стакана или пробирки поверхностная пленка образует сифон, по которому и переливается гелий.
Понятно, что у обычной жидкости мы не наблюдаем ничего похожего. При нормальной вязкости «пробраться» через сифон ничтожной толщины жидкость практически не может. Такое движение настолько медленно, что перетекание длилось бы миллионы лет.
Итак, гелий II лишен всякой вязкости. Казалось бы, отсюда с железной логикой следует вывод, что твердое тело должно в такой жидкости двигаться без трения. Поместим в жидкий гелий диск на нити и закрутим нить. Предоставив свободу этому несложному приспособлению, мы создадим нечто вроде маятника — нить с диском будет колебаться и периодически закручиваться то в одну, то в другую сторону. Если трения нет, то мы должны ожидать, что диск будет колебаться вечно. Однако через сравнительно короткое время, примерно такое же, как и для обычного нормального гелия I (т. е. гелия при температуре выше 2,19 К), диск останавливается. Вытекая через щель, гелий ведет себя как жидкость без вязкости, а по отношению к движущимся в нем телам — как обычная вязкая жидкость.
Понять поведение жидкого гелия можно только с точки зрения квантовой механики. Попытаемся дать представление о том, как теория, данная Л. Д. Ландау, объясняет поведение жидкого гелия.
Оказывается, каждая частица жидкого гелия участвует одновременно в двух движениях: одно движение сверхтекучее, не связанное с вязкостью, а другое — обычное.
Гелий II ведет себя таким образом, как будто он состоит из смеси двух жидкостей, движущихся совершенно независимо «одна через другую». Одна жидкость нормальна по поведению, т. е. обладает обычной вязкостью, другая является сверхтекучей.
Когда гелий течет через щель или перетекает через край стакана, мы наблюдаем эффект сверхтекучести. А при колебании диска, погруженного в гелий, останавливающее диск трение создается
благодаря тому, что в нормальной части гелия трение диска неизбежно.
Способность участвовать в двух разных движениях порождает и совершенно необычные теплопроводящие свойства гелия. Как уже говорилось, жидкости вообще довольно плохо проводят тепло. Подобно обычным жидкостям ведет себя и гелий I. Когда же происходит превращение в гелий II, теплопроводность его возрастает примерно в миллиард раз. Таким образом, гелий II проводит тепло лучше, чем самые лучшие обычные проводники тепла — такие, как медь и серебро.
Дело в том, что сверхтекучее движение гелия в передаче тепла не участвует. Поэтому, когда в гелии II есть перепад температур, то возникают два течения, идущие в противоположных направлениях, и одно из них — нормальное — несет с собой тепло. Это совершенно не похоже на обычную теплопроводность. В обычной жидкости тепло передается ударами молекул. В гелии II тепло течет вместе с обычной частью гелия, течет, как жидкость. Такой способ передачи тепла и приводит к огромной теплопроводности.
В справедливости сказанного можно убедиться непосредственно на следующем простом по своей идее опыте.
В ванне с жидким гелием находится дьюар, также целиком заполненный гелием. Сосуд сообщается с ванной капиллярным отростком. Гелий внутри дьюара нагревается электрической спиралью, но тепло не переходит к гелию в ванне, так как стенки дьюара не передают тепло.
Напротив капиллярной трубки находится крылышко, подвешенное на тонкой нити. Если тепло течет, как жидкость, то оно должно повернуть крылышко. Именно это и происходит. При этом количество гелия в сосуде не изменяется. Как объяснить это явление? При нагревании возникает поток нормальной части жидкости от нагретого места к холодному и поток сверхтекучей части в обратную сторону. Количество гелия в каждой точке не меняется, но так как вместе с переносом тепла движется нормальная часть жидкости, то крылышко поворачивается благодаря вязкому трению этой части и остается отклоненным столько времени, сколько продолжается нагрев.
Из того, что сверхтекучее движение не переносит тепла, следует и другой вывод. Выше говорилось о «переползании» гелия через край стакана. Но «вылезает» из стакана сверхтекучая часть, а остается нормальная. Тепло связано только с нормальной частью гелия, оно не сопровождает «вылезающую» сверхтекучую часть. Значит, по мере «вылезания» гелия из сосуда одно и то же тепло будет приходиться на все меньшее количество гелия — остающийся в сосуде гелий должен нагреваться. Это действительно наблюдается при опыте.
Массы гелия, связанные со сверхтекучим и нормальным движением, не одинаковы. Отношение их зависит от температуры. Чем ниже температура, тем больше сверхтекучая часть массы гелия.
При абсолютном нуле весь гелий становится сверхтекучим. По мере повышения температуры все большая часть гелия начинает вести себя нормально, и при температуре 2,19 К весь гелий становится нормальным, приобретает свойства обычной жидкости.
