Жидкий гелий: различия между версиями
| [отпатрулированная версия] | [отпатрулированная версия] |
Содержимое удалено Содержимое добавлено
м откат правок 94.51.47.208 (обс.) к версии 94.244.26.111 Метка: откат |
отмена правки 138736926 участника 80.234.51.97 (обс.) а почему не в фаренгейтах? В научных статьях имеет смысл использовать только абсолютную температуру Метка: отмена |
||
| (не показано 15 промежуточных версий 12 участников) | |||
Строка 7:
|год = 1988
|том = 1
|страницы =
|страниц = 623
|isbn =
Строка 20:
* В 1906 году [[Камерлинг-Оннес, Хейке|Камерлинг-Оннес]] наладил линию полупромышленного получения жидкого водорода, дающую до {{num|4|литров}} в час.
* В 1908 году он же сумел добиться конденсации жидкого гелия в объёме {{num|0.06|литра}} ([[Нобелевская премия по физике]] за 1913 год). Для опыта потребовалось {{num|20|литров}} жидкого водорода, полученного при помощи линии, созданной двумя годами ранее. Низкие температуры, необходимые для конденсации гелия, были достигнуты при [[адиабатический процесс|адиабатическом]] [[дросселирование|дросселировании]] водорода (см. [[эффект Джоуля — Томсона]]).
* В 1930 году<ref>
* В 1938 году [[Капица, Пётр Леонидович|П. Л. Капица]] открыл [[сверхтекучесть]] гелия-II (Нобелевская премия по физике за 1978 год). Квантовомеханическое объяснение явления было дано [[Ландау, Лев Давидович|Л. Д. Ландау]] в 1941 году ([[Нобелевская премия по физике]] за 1962 год).
* В 1948 году удалось сжижить и [[гелий-3]].
* В 1972 году в жидком гелии-3 также был обнаружен фазовый переход. Позже было экспериментально показано, что ниже {{num|2.6|мК}} и при давлении {{num|34|атм}} гелий-3 действительно становится сверхтекучим. ([[Нобелевская премия по физике]] за 2003 год.)
== Физические свойства ==
Строка 73 ⟶ 72 :
=== Сверхтекучесть и сверхтеплопроводность ===
[[Файл:Phase diagram of Helium-4-ru.
Фазовый переход в гелии хорошо заметен, он проявляется в том, что [[кипение]] прекращается, жидкость становится совершено прозрачной. [[Испарение]] гелия, конечно, продолжается, но оно идёт исключительно с поверхности. Различие в поведении объясняется необычайно высокой теплопроводностью сверхтекучей фазы (во много миллионов раз выше, чем у {{nobr|Не I}}). При этом вязкость нормальной фазы остаётся практически неизменной, что следует из измерений вязкости методом колеблющегося диска. С увеличением давления температура перехода смещается в область более низких температур. Линия разграничения этих фаз называется λ-линией.
Для {{nobr|He II}} характерна [[сверхтекучесть]] — способность протекать без трения через узкие (диаметром менее {{num|100|нм}}) [[капилляр]]ы и щели. Относительное содержание {{nobr|He II}} растет с понижением температуры и достигает 100 % при абсолютном нуле температуры — с этим были связаны попытки получения сверхнизких температур путём пропускания жидкого гелия через очень тонкий капилляр, через который пройдет только сверхтекучая компонента. Однако за счёт того, что при близких к абсолютному нулю температурах теплоёмкость также стремится к нулю, добиться существенных результатов не удалось — за счёт неизбежного нагрева от стенок капилляра и излучения.
Строка 80 ⟶ 79 :
За счёт сверхтекучести и достигается аномально высокая теплопроводность жидкого гелия — [[теплопередача]] идёт не за счёт [[Теплопроводность|теплопроводности]], а за счёт [[Конвекция|конвекции]] сверхтекучей компоненты в противоток нормальной, которая переносит тепло (сверхтекучая компонента не может переносить тепло). Это свойство открыто в 1938 году [[Капица, Пётр Леонидович|П. Л. Капицей]].
{{цитата|Гелия в промежуточном состоянии между этими двумя в природе не существует: либо он при абсолютном нуле, либо он в другом состоянии, нормальном. Гелий в сверхтекучем состоянии не может давить на заслонку, и вообще сверхтекучая жидкость не может производить никакого давления, так как это жидкость, вязкость которой равняется нулю, — мы её динамическими методами обнаружить не можем.|автор=[[Капица, Пётр Леонидович|П. Л. Капица]]<ref name="vivovoco">
=== Второй звук ===
{{main|Второй звук в жидком гелии}}
За счёт одновременного наличия двух фаз в жидком гелии, имеется две [[Скорость звука|скорости звука]] и специфическое явление — так называемый «[[Второй звук в жидком гелии|второй звук]]». Второй звук — слабозатухающие колебания [[температура|температуры]] и [[энтропия|энтропии]] в сверхтекучем гелии. Скорость распространения второго звука определяется из уравнений [[Гидродинамика|гидродинамики]] сверхтекучей жидкости в [[Двухжидкостная модель гелия-II|двухкомпонентной модели]]. Если пренебречь [[Коэффициент теплового расширения|коэффициентом теплового расширения]] (который у гелия аномально мал), то в волне второго звука осциллируют только [[температура]] и [[энтропия]], а [[плотность]] и [[давление]] остаются постоянными. Распространение второго звука не сопровождается переносом вещества.
Второй звук можно также интерпретировать как колебания концентрации [[квазичастица|квазичастиц]] в сверхтекучем гелии. В чистом {{sup|4}}He это колебания в системе [[ротон]]ов и [[фонон]]ов.
Строка 91 ⟶ 90 :
== Свойства гелия-3 ==
[[Файл:
[[Файл:Helium phase diagram-ru.svg|thumb|300px|Фазовая диаграмма раствора гелия-3 в гелии-4]]
Жидкий гелий-3 — это [[ферми-жидкость]], то есть жидкость, частицы которой являются [[фермион]]ами. В таких системах сверхтекучесть может осуществляться при определённых условиях, когда между фермионами имеются силы притяжения, которые приводят к образованию связанных состояний пар фермионов — так называемых [[Куперовская пара|куперовских пар]] (эффект [[Купер, Леон|Купера]]).
Куперовская пара обладает целым спином, то есть ведёт себя как [[бозон]]; поэтому вещество, состоящее из объединённых в куперовские пары фермионов, может переходить в состояние, подобное [[Конденсат Бозе — Эйнштейна|бозе-конденсату]]. Сверхтекучесть такого рода осуществляется для электронов в некоторых металлах и носит название [[сверхпроводимость|сверхпроводимости]].
Аналогичная ситуация имеет место в жидком {{sup|3}}He, атомы которого имеют [[спин]] ½ и образуют типичную квантовую ферми-жидкость. Свойства жидкого гелия-3 можно описать как свойства газа квазичастиц-[[фермион]]ов с [[Эффективная масса|эффективной массой]] примерно в {{num|3|раза}} большей, чем масса атома {{sup|3}}He. Силы притяжения между квазичастицами в {{sup|3}}He очень малы, лишь при температурах порядка нескольких милликельвинов в {{sup|3}}He создаются условия для образования куперовских пар квазичастиц и возникновения сверхтекучести. Открытию сверхтекучести у {{sup|3}}He способствовало освоение эффективных методов получения низких температур — [[Эффект Померанчука|эффекта Померанчука]] и [[Адиабатическое размагничивание|магнитного охлаждения]]. С их помощью удалось выяснить характерные особенности диаграммы состояния {{sup|3}}He при сверхнизких температурах.
Переход нормальной ферми-жидкости в {{nobr|фазу А}} представляет собой [[фазовый переход]] {{nobr|II рода}} ([[теплота фазового перехода]] равна нулю). В {{nobr|фазе A}} образовавшиеся куперовские пары обладают {{nobr|спином 1}} и отличным от нуля [[Момент импульса|моментом импульса]]. В ней могут возникать области с общими для всех пар направлениями спинов и моментов импульса. Поэтому {{nobr|фаза А}} является [[Анизотропия|анизотропной]] жидкостью. В магнитном поле {{nobr|фаза А}} расщепляется на две фазы (A{{sub|1}} и A{{sub|2}}), каждая из которых также является анизотропной. Переход из сверхтекучей {{nobr|фазы А}} в сверхтекучую {{nobr|фазу В}} является фазовым переходом {{nobr|I рода}} с теплотой перехода около {{nobr|1,5{{e|−6}} дж/моль}}. [[Магнитная восприимчивость]] {{sup|3}}He при переходе А→В скачком уменьшается и продолжает затем уменьшаться с понижением температуры. {{nobr|Фаза В}} является, по-видимому, изотропной.
== Хранение и транспортировка ==
Строка 113:
Жидкий гелий применяется в качестве [[Холодильный агент|хладагента]] для получения и поддержания низких и сверхнизких температур (в основном в научных исследованиях):
* охлаждение [[Сверхпроводимость|сверхпроводящих]] магнитов в различных научных, технических и медицинских устройствах, к примеру:
** [[Ускоритель заряженных частиц|ускорители заряженных частиц]]
*** ** детекторы инфракрасного и высокочастотного излучения, [[СКВИД|сквид-магнетометры]];
** [[Сканирующий туннельный микроскоп|сканирующие туннельные микроскопы]];
| |||