Курс общей физики. Механика и молекулярная физика - Ландау Л.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Но поскольку сверхтекучее движение не переносит тепла, то при вытекании 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 при абсолютном нуле. В реальном же опыте она имеет хотя и не равную нулю, но более низкую, чем в сосуде, температуру. Так, при продавливании гелия II через пористый фильтр удается достичь понижения температуры гелия на 0,3—0,4°; при температурах, составляющих всего 1—2° К, это — большая величина.
Столь же естественно объясняется огромная скорость теплопередачи в гелии II. Вместо медленного процесса молекулярного переноса энергии в обычной теплопроводности здесь мы имеем дело с быстрым процессом переноса тепла потоком нормальной компоненты жидкости. Связь процесса теплопередачи в гелии II с возникновением движения в нем наглядно демонстрируется опытом, идея которого состоит в следующем. Перед отверстием сосудика, наполненного жидким гелием (и погруженного в жидкий гелий), устанавливается легкое крылышко (рис. 7). При нагревании гелия в сосудике крылышко отклоняется. Это явление объясняется тем, что тепло выходит из сосудика в виде струи вязкой нормальной компоненты, которая и отклоняет стоящее перед отверстием крылышко. Навстречу же этой струе втекает поток сверхтекучей компоненты, так что реальное количество жидкости в сосудике не меняется, он остается полным. Не обладая вязкостью, сверхтекучая компонента не сдвигает обтекаемое ею крылышко.
Наличие двух «компонент» гелия II непосредственно выявляется в опыте, идея которого заключается в том, что при вращении цилиндрического сосуда с жидким гелием § 124]
сверхтекучесть 399
должна увлекаться лишь часть его массы — его «нормальна я» часть, испытывающая трение о поверхность стенок; «сверхтекучая» же часть должна оставаться в покое (в реальном опыте вращение сосуда заменяется крутильными колебаниями стопки большого числа тонких дисков, чем увеличивается площадь поверхности, увлекающей с собой жидкость).
Нагреватель
Рис. 7.
При температурах выше точки перехода (гелий I) жидкость целиком находится в нормальном состоянии и целиком увлекается вращающимися стенками. В точке перехода впервые возникает качественно новое свойство жидкости — впервые появляется сверхтекучая компонента; в этом состоит природа фазового перехода второго рода в жидком гелии. По мйре дальнейшего понижения температуры доля сверхтекучей компоненты становится все больше, и при абсолютном нуле жидкость должна стать целиком сверхтекучей. На рис. 8 изображен вид температурной зависимости отношения плотности р„ нормальной компоненты жидкого гелия к полной плотности жидкости р (сумма плотностей нормальной р„ и сверхтекучей р9 компонент, разумеется, всегда равна полной плотности р).
Наконец, остановимся еще на одном явлении в жидком гелии, связанном с распространением в нем звуковых волн. Как известно, звуковые волны в обычной жидкости представляют собой распространяющийся вдоль жидкости процесс периодических сжатий и разрежений. Каждая частица жидкости совершает при этом колебательное движение, двигаясь с периодически меняющейся скоростью окаю среднего В94
вязкость
[гл. XV
положения равновесия. Но в гелии II могут происходить одновременно два различных движения с различными скоростями. В связи с этим возникают две существенно различные возможности для движения в звуковой волне. Если обе компоненты жидкости совершают колебательное движение в одном и том же направлении, двигаясь как бы вместе, то мы будем иметь звуковую волну того же характера, что и в обычной жидкости.
Но обе компоненты могут совершать колебания и во взаимно противоположных направлениях, двигаясь навстречу «друг сквозь друга», так что количества массы, переносимой в том и другом направлениях, почти взаимно компенсируются. В такой волне — о ней говорят как о волне второго звука — почти не будет происходить сжатий и разрежений жидкости как таковой. Но зато в жидкости будут происходить периодические колебания температуры, поскольку взаимные колебания нормальной и сверхтекучей компонент, по существу, представляют собой колебания тепла относительно «сверхтекучего фона». Таким образо,м, волна второго звука представляет собой как бы «тепловую волну»; естественно поэтому, что для создания такой волны надо пользоваться источником в виде нагревателя с периодически меняющейся температурой.
Мы говорили здесь все время просто о жидком гелии. Необходимо уточнить, что все сказанное относится к одному из изотопов гелия — обычному изотопу Не4. Наряду с ним существует и другой, редкий изотоп — Не3. Методами ядерной физики оказывается возможным получить этот изотоп в количествах, достаточных для его сжижения и экспериментирования с ним. Это тоже «квантовая жидкость», но жидкость с совершенно иными свойства,ми ( и, в частности, не сверхтекучая). Хотя химически оба изотопа гелия совершенно тождественны, но между ними имеется чрезвычайно важное отличие, связанное с тем, что ядра атомов He4 состоят из четного, а ядра He3— из нечетного числа частиц (протонов и нейтронов). Это отличие и приводит к тому, что квантовые свойства обоих веществ совершенно различны, и с этим же связано и различие в физических свойствах соответствующих жидкостей. ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
