СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ ЖИДКОГО ГЕЛИЯ
СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ ЖИДКОГО ГЕЛИЯ
Советские физики сделали весьма крупный вклад в изучение физики низких температур.
Академик П. Л. Капица создал новый тип машин для производства жидкого воздуха — турбодетандеры, работающие при низких давлениях. Эти машины получили в дальнейшем весьма широкое распространение.
Академик Л. Д. Ландау разработал теорию перехода металлов в сверхпроводящее состояние. Этот переход происходит не мгновенно, а через так называемое промежуточное состояние, являющееся своеобразной смесью сверхпроводящих и несверхпроводящих слоев. Наличие таких слоев в металле в условиях переходного состояния было подтверждено членом-корреспондентом АН СССР А. И. Шальниковым в исключительно тонких экспериментах.
В 1957 г. академик Н. Н. Боголюбов разработал (одновременно с американскими физиками Бардиным, Купером и Щрифером) теорию сверхпроводимости.
Развитая академиками Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом и членами-корреспондентами АН СССР А. А. Абрикосовым и Л. П. Горьковым теория сверхпроводящих сплавов (так называемый «метод ГЛАГ») открывает путь к получению сверхпроводников, пригодных для различных практических применений.
В этом разделе мы остановимся подробнее на замечательном открытии, сделанном академиком Петром Леонидовичем Капицей, — сверхтекучести жидкого гелия.
Если охладить гелий до температуры T=4,8° К, он превращается в легкую прозрачную жидкость. Имея крайне малую теплоемкость, эта жидкость непрерывно кипит вследствие небольшого притока тепла даже в условиях специальной тепловой изоляции. Понизив температуру жидкого гелия до 2,19° К, можно убедиться, что кипение мгновенно прекращается. Оказывается, что ниже 2,19° К жидкий гелий приобретает особые свойства — он становится единственной известной нам квантовой жидкостью. Принято говорить, что при этой температуре гелий-I (обычный гелий) переходит в гелий-II. Все жидкости затвердевают задолго до того, как в них начнут проявляться квантовые свойства. Только гелий-II остается жидким даже при температурах, максимально близких к абсолютному нулю.
Голландский физик Кеезом, один из первых исследователей гелия-II, в 1936 г. показал, что теплопроводность гелия-II, измеренная в капиллярах, намного выше теплопроводности меди или серебра — наиболее теплопроводных металлов. Поэтому Кеезом назвал гелий-II сверхтеплопроводным веществом.
В 1937 г. академик П. Л. Капица повторил опыты Кеезома, видоизменив методику измерения, и получил для гелия-II еще более высокое значение теплопроводности. Расчеты показали, что она намного превышает максимальное значение теплопроводности, которую мог бы иметь гелий-II исходя из обычных представлений о механизме передачи тепла этим способом. Тогда П. Л. Капица обратился к другому возможному механизму передачи тепла в жидкости — к конвекции. Более нагретая часть жидкости имеет меньшую плотность и как бы всплывает к поверхности, в то время как менее нагретая и более плотная часть опускается на дно. Очевидно, причиной, вызывающей эти движения, является действие силы тяжести. Подсчеты показали, что если истинной причиной сверхбыстрого распространения тепла в гелии-II является конвекция, то конвекционные потоки в нем должны возникать и распространяться с чрезвычайной легкостью. А это означало бы, что вязкость гелия-II ничтожна. Поставленные опыты подтвердили, что она меньше чем 10?11 пуаза (для сравнения укажем, что вязкость воды при комнатной температуре равна 10?2 пуаза). Таким образом, гелий-II оказался в миллиард раз более текучей жидкостью, чем вода. Это и позволило П. Л. Капице назвать его сверхтекучим.
Продолжая, исследования, П. Л. Капица показал, что обычный механизм конвекции под влиянием силы тяжести к гелию-II неприменим. Этой силы просто недостаточно, чтобы обеспечить столь большую передачу тепла, которая наблюдается в эксперименте. Затем были поставлены опыты, которые, казалось бы, еще более запутали и осложнили ситуацию (забегая несколько вперед, заметим, что именно они и помогли найти правильное решение проблемы).
В одном из опытов в сосуд, где находился гелий-II, помещалась миниатюрная стеклянная колбочка с небольшой нагревательной спиралью. Стоило включить ток и немедленно возникал поток гелия из узкого отверстия колбочки. Струя гелия без труда могла быть обнаружена по отклонению легкого крылышка, подвешенного на ее пути перед отверстием колбочки. Но вот что было странным — гелий интенсивно вытекал из колбочки, а все попытки обнаружить обратный приток ни к чему не приводили!
Многочисленные опыты, поставленные П. Л. Капицей с целью обнаружить обратный приток гелия в колбочку, оказались безуспешными. Думая, что гелий втекает в колбочку по стенкам ее узкой части, П. Л. Капица решил уменьшить ширину отверстия в узкой части настолько, чтобы обратный поток вдоль стенок уже никак не мог бы ускользнуть от регистрации. Но и при ширине щели всего в 0,14 микрона никакого встречного потока заметить не удалось. Выходило так, что гелий непрерывно вытекает из колбочки и не втекает в нее!
Исчерпывающее объяснение этого парадокса было дано академиком Львом Давыдовичем Ландау, построившим теорию сверхтекучести.
Оказалось, что при T=2,19° К часть обычного жидкого гелия-I превращается в необычный гелий-II, полностью лишенный вязкости и поэтому способный свободно перемещаться в гелии-I, совершенно не взаимодействуя с ним.
При дальнейшем понижении температуры доля гелия-II возрастает, но и гелий-I все еще остается в этой удивительной смеси. Он может полностью исчезнуть лишь при абсолютном нуле, которые как известно, недостижим.
Таким образом, при температурах ниже 2,19° жидкий гелии является смесью двух разных сортов — гелия-I, обладающего обычной вязкостью, и гелия-II, совершенно лишенного вязкости и поэтому сверхтекучего.
Посмотрим теперь, как же обстоит дело с последним экспериментом академика П. Л. Капицы. Так как гелий-II не испытывает трения ни о стенки колбочки, ни о гелий-I, находящийся в том же сосуде, он беспрепятственно втекает внутрь колбочки и никакие механические эффекты не могут обнаружить его поступление. Попав в колбу и нагревшись выше 2,19° К, гелий-II превращается в гелий-I и устремляется наружу, оказывая своей струей заметное давление на легкое крылышко, помещенное вблизи отверстия колбочки. Таким образом, через отверстие колбочки одновременно проходят два потока — гелий-II втекает внутрь, гелий-I вытекает наряжу. Они проходят друг сквозь друга совершенно не взаимодействуя, полностью не замечая присутствия другого потока, как если бы его вообще не было.
Свойства гелия-II оказались настолько неожиданными и странными, что в одном из своих докладов П. Л. Капица вынужден был заметить следующее: «Если бы это теоретическое положение не было так полно подкреплено экспериментальными доказательствами, оно звучало бы как идея, которую очень трудно признать разумной». Действительно, вряд ли кто-либо из крупных физиков мог поверить в существование сверхтекучей жидкости до того, как она была открыта.
Теория Л. Д. Ландау предсказала также, что в гелии-II наряду с обычными звуковыми волнами могут распространиться особые тепловые волны с существенно иной скоростью. Эти волны были названы «вторым звуком». Строгая теория «второго звука» была построена членом-корреспондентом АН СССР Е. М. Лифшицем, а вскоре после этого «второй звук» был обнаружен в экспериментах, выполненных профессором В. П. Пешковым.
Ценный вклад в теорию сверхтекучести внесли также работы академика Н. Н. Боголюбова.
Природный гелий имеет два стабильных изотопа: у одного из них масса равна четырем, у другого — трем единицам. Согласно квантовой механике эти два сорта гелия должны подчиняться разным статистическим закономерностям: гелий-IV — статистике Бозе — Эйнштейна, гелий-III — статистике Ферми — Дирака. Последняя запрещает переход гелия-III в сверхтекучее состояние даже при абсолютном нуле. Этим, в частности, можно воспользоваться для весьма эффективного разделения изотопов гелия. Исследования различных изотопических эффектов в жидком гелии были выполнены — академиком АН УССР Б. Г. Лазаревым, профессорами Б. П. Пешковым и И. М. Халатниковым.