Гелий жидкий

ГЕЛИЙ ЖИДКИЙ, жидкие ⁴Не и ³Не - квантовые жидкости, свойства которых при температурах ниже 2-3 К во многом определяются квантовыми эффектами. Жидкие ⁴Не и ³Не - бесцветные прозрачные жидкости, затвердевающие только при повышенном давлении: большем 2,5 МПа для ⁴Не (рис.) и 3,4 МПа для ³Не. Это объясняется малой энергией взаимодействия атомов по сравнению с их нулевой энергией (смотри Гелий твёрдый). При атмосферном давлении температура кипения жидкого ⁴Не равна 4,22 К, его плотность 125 кг/м³; температура кипения жидкого ³Не 3,2К, плотность 58 кг/м³. Под давлением насыщенных паров ⁴Не и ³Не остаются жидкими при всех температурах ниже критической, равной 5,2 К и 3,3 К соответственно.

Атомы ⁴Не - бозоны, так как их спин равен нулю. При температуре Т_λ= 2,17 К и давлении насыщенных паров 5 кПа жидкий ⁴Не испытывает фазовый переход 2-го рода. Выше Т_λ жидкий ⁴Не называют Не I, ниже - Не II. С ростом давления температура перехода Т_λ уменьшается (λ-линия на рисунке). В 1938 году П. Л. Капица открыл сверхтекучесть Не II - его способность протекать без трения через узкие щели и капилляры. В то же время вязкость, измеренная по затуханию колебаний диска, погружённого в Не II, отлична от нуля и вблизи Т_λ мало отличается от вязкости Не I. Объяснение этому было дано Л. Д. Ландау в 1941 году (теория сверхтекучести). Из теории следует, что Не II ведёт себя как жидкость, состоящая из двух компонент - нормальной и сверхтекучей, которые могут двигаться относительно друг друга. Плотности компонент в сумме равны плотности жидкости, но их отношение изменяется с температурой. Сверхтекучая компонента не обладает энтропией и не испытывает трения о стенки сосуда, при Т = Т_λ её плотность равна нулю, растёт с понижением температуры и при Т = 0 К совпадает с плотностью жидкости. Нормальную компоненту составляют элементарные возбуждения - фононы и ротоны, и она ведёт себя как обычная вязкая жидкость. Таким образом, колеблющийся в Не II диск затухает из-за трения о нормальную компоненту. В экспериментах по течению Не II через узкие щели или капилляры нормальная компонента практически не движется, а сверхтекучая - протекает без трения. На основе такой двухжидкостной модели можно объяснить ряд других эффектов. Например, при вытекании Не II из сосуда через узкий капилляр температура в сосуде повышается, так как вытекает главным образом сверхтекучая компонента, не несущая теплоты (смотри Механокалорический эффект); при создании разности температур между концами закрытого капилляра с Не II в нём возникает движение (смотри Термомеханический эффект) - сверхтекучая компонента движется от холодного конца к горячему и там переходит в нормальную, которая движется навстречу (при этом суммарный поток отсутствует). В Не II может распространяться звук двух видов - обычный и так называемый второй звук (смотри Звук в сверхтекучем гелии). Существование двух компонент и двух видов движения в Не II связано с явлением Бозе - Эйнштейна конденсации, в результате которой возникает макроскопическая фракция жидкости (бозе-конденсат), которая описывается единой квантово-механической волновой функцией.

Жидкий ³Не - ферми-жидкость, так как атомы ³Не - фермионы (имеют спин 1/2) и подчиняются Ферми - Дирака статистике. В 1972 году Д. Ошеров, Р. Ричардсон и Д. Ли обнаружили, что при очень низких температурах жидкий ³Не также становится сверхтекучим (при 0,9 мК при давлении насыщенных паров и при 2,6 мК при 3,4 МПа). Сверхтекучесть ³Не, как и сверхпроводимость металлов, является следствием Купера эффекта - образования куперовских пар атомов (точнее - пар квазичастиц). Куперовские пары являются бозонами и могут образовывать бозе-конденсат. Сверхтекучесть ³Не более сложна и многообразна, чем ⁴Не. В зависимости от условий могут наблюдаться 3 различные сверхтекучие фазы ³Не (называемые А, A₁ и В).

Жидкий ⁴Не служит хладагентом для охлаждения сверхпроводящих магнитов и используется для получения низких температур при проведении научных исследований. Смеси ⁴Не и ³Не применяют для создания сверхнизких температур с помощью так называемых рефрижераторов растворения (удаётся получать и непрерывно поддерживать температуры порядка 0,01 К).

Лит.: Кеезом В. Гелий. М., 1949; Халатников И. М. Теория сверхтекучести. М., 1971; Vollhardt D., Wolfle Р. The superfluid phases of helium 3. L.; N. Y., 1990.