Сверхтекучесть, открытая П.Л. Капицей

Автор
Сообщение
iuanz
#19333 2014-08-28 18:02 GMT

. СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ, ОТКРЫТАЯ П.Л. КАПИЦЕЙ

]

«Работы П.Л. Капицы по изучению свойств жидкого гелия – блестящий образец подхода настоящего физика-экспериментатора к разрешению сложной проблемы. Когда читаешь его статьи, получаешь эстетическое удовольствие» писал Боровиик-Романов.

Мало кому довелось испытать это удовольствие. Работы эти опубликованы с 1937 по 1941 годы, и их можно найти только в сборнике трудов самого Капицы. В современном научном мировоззрении они отсутствуют, а под сверхтекучестью понимают не физическое явление, открытое Капицей, а теорию сверхтекучести Ландау, которая на самом деле не имеем к нему отношения.

Приведу сначала основные выводы, к которым пришел Капица, основываясь на своих экспериментах. Затем постараюсь объяснять эти эксперименты аналогично объяснению сверхпроводимости, приведенному на этом сайте в разделе «Альтернативные теории» (Александр Ни >> 11-20 :10:10).

Камерлинг-Онесс, научившийся получать сверхнизкие температуры, установил, что ниже 4,2 градусов Кельвина гелий становится жидкостью, а при 2,19 градусов жидкость эта испытывает фазовый переход и приобретает непонятные свойства. Выше 2,19 жидкость стали называть гелий-I, а ниже – гелий-II.

В 1936 году Кеезом с дочерью исследовали теплопроводность жидкого гелия, находящегося в капилляре, и обнаружили, что у гелия- II она в миллион раз больше, чем у меди, а у гелия-I – в сто тысяч раз меньше, чем у этого металла. Кеезом назвал это свойство гелия-II сверхтеплопроводностью.

Капица же, пытаясь найти объяснение такому невероятному результату, в серии своих опытов показал, что при измерениях в объеме жидкости, а не в узком капилляре, теплопроводность гелия-II оказывается такой же, как у гелия-I.

Опишу теперь кратко сакраментальный эксперимент Капицы, определивший направление его исследований жидкого гелия и приведших его к открытию сверхтекучести. К расположенному горизонтально капилляру припаивалась стеклянная бульбочка, в которой помещался нагреватель. Напротив свободного конца капилляра подвешивалось крылышко крутильных весов, по углу поворота которого можно было определять количество вытекающего из бульбочки гелия. После того, как внутренняя полость бульбочки через капилляр, соединяющий ее с внешним миром, наполнялась жидкостью, включался нагреватель. Гелий внутри бульбочки из-за нагрева расширялся, и часть его должна была вытекать через капилляр. Это вытекание фиксировало крылышко крутильных весов. Совершенно неожиданным было то, что гелий вытекал из бульбочки непрерывно пока был включен нагреватель, а количество его внутри бульбочки не уменьшалось. Значит. каким-то образом жидкий гелий попадал обратно в бульбочку в том же количестве, в каком он из нее вытекал. Единственным путем, по которому это втекание могло происходить, является тот же капилляр, и тогда объяснить отклонение крутильных весов можно только тем, что вытекающий поток, направляемый узким капилляром, сосредоточен в меньшем телесном угле, чем втекающий. Капица показал, что назад в бульбочку гелий втекает очень тонким слоем, примыкающим к стенкам капилляра, что возможно, только если у этого слоя отсутствует вязкость; и что температура этого слоя меньше температуры термостата (капилляра) (скачок температуры) и равной ей температуре гелия в центральной части капилляра. Когда гелий по внутренней поверхности капилляра втекает в бульбочку и затем покидает поверхность, переходя в свободное состояние, он поглощает тепло, величина которого не зависит от теплового давления (градиента температуры, вызывающего поток тепла вдоль капилляра), а определяется только величиной скачка температуры. Этот процесс и создает видимость колоссальной теплопроводности.

Капица пишет «… имея картину движения гелия в капилляре, вызванную тепловым потоком и установленную чисто экспериментально, мы могли приступить к выводам нашего исследования.

Мы имеем основание предположить, что гелий, в тонкой пленке двигающийся по поверхности, отличается по своему физическому состоянию от того, который течет в обратном направлении в центральной части капилляра. Благодаря молекулярным силам от стенок капилляра мы принимаем, что он находится в несколько другом энергетическом состоянии. Говоря языком термодинамики, у него другая тепловая функция, чем у свободного гелия».

Итак, Капица однозначно экспериментально показал, что все чудеса, происходящие с жидким гелием ниже 2,19 градусов Кельвина, обусловлены изменением свойств только тонкой приповерхностной пленки жидкости. Атомы этой пленки взаимодействуют с атомами поверхности сильнее, чем с подобными себе атомами, поэтому жидкий гелий хорошо смачивает все поверхности. Следовательно, описание атомов гелия, находящихся в объеме жидкости и в приповерхностной пленке должно быть различным. В первом случае оно определяется слабеньким взаимодействием между тождественными друг другу атомами жидкости и имеет коллективный характер. Во втором, определяющим является более сильное взаимодействие атомов жидкости с атомами твердотельной поверхности, которое естественно считать одночастичным. У волновых функций электронов атомов, принадлежащих поверхности, имеются экспоненциально затухающие хвосты, вылезающие за пределы поверхности, где они перекрываются с волновыми функциями электронов, принадлежащих атомам гелия, которые зависят от импульсов этих атомов. В области этого перекрытия существует обменное взаимодействие между электронами поверхности и электронами жидкости, которое содержит нечетное по импульсу атома гелия слагаемое, и быстро уменьшается при удалении от поверхности.

Из изложенного естественно заключить, что описание приповерхностных атомов гелия должно быть сходно с описанием электронов проводимости в металле. Роль ионов, образующих решетку в кристалле, здесь играют атомы, образующие твердотельную поверхность.

Капица в начале сороковых годов прошлого века выражал уверенность в том, что изначальная физическая причина и сверхпроводимости и сверхтекучести – одна и та же и что сначала разберутся с природой сверхпроводимости, а затем уже по аналогии с ней будут описывать и сверхтекучесть. История распорядилась по другому – сначала появилась теория сверхтекучести. Предлагаем альтернативный ей подход, совпадающий с предсказаниями Капицы.

В [1] показано, что нулевое электрическое сопротивление реализуется тогда, когда упорядоченное макроскопическое движение носителей тока становится спонтанным, то есть энергетически выгодным. Причиной такого движения может быть только взаимодействие между электронами проводимости и ионами, образующими решетку, относительно которой происходит движение, обладающее нечетной зависимостью от квазиимпульса носителей тока. Никакие взаимодействия между самими электронами проводимости не могут быть причиной их движения, как целого.

Причиной выгодности макроскопического движения приповерхностного слоя жидкого гелия относительно поверхности (нулевая вязкость) является наличие в обменной энергии между электронами поверхности и электронами приповерхностного слоя жидкости линейного по импульсу атомов гелия слагаемого. Реализовать это свое стремление к поступательному движению атомы жидкости могут только за счет «отталкивания» от атомов поверхности. Это «отталкивание» порождает в поверхности упругую волну – второй звук, который аналогичен второму звуку в сверхпроводниках и тоже наблюдается при температурах ниже температуры сверхтекучего перехода экспериментально.

Энергия, поступательного спонтанного движения приповерхностных атомов гелия и носителей тока в металле, а также вторых звуков в этих средах, необходимых в силу закона сохранения импульса, черпается из температур этих подсистем, что является причиной температурного скачка Капицы, (в металлах отдельно температуры электронов и фононов не измерялись). Вторые звуки энергетически невыгодны, расход энергии на их содержание быстро увеличивается; именно это является причиной ослабления и исчезновения этих явлений с ростом температуры.

Аналитическое описание сверхтекучести сложнее, чем сверхпроводимости, во-первых, потому что описание жидкости вообще сложнее, чем металлического кристалла, во-вторых, потому что в случае сверхтекучести задача сильно неоднородна. Обменное взаимодействие электронов, принадлежащих поверхности, с атомами жидкости быстро убывает с удалением от нее, следовательно, должна убывать и скорость спонтанного движения. Атомы жидкости взаимодействуют между собой, что вызывает макроскопическое движение слоя жидкости, примыкающей к спонтанно двигающейся с внутренней стороны капилляра, поэтому температура его оказывается ниже температуры термостата.

Поскольку температуры двух движущихся слоев в системе ниже температуры термостата, то следует ожидать, что с понижением последней, начиная с некоторой ее величины начнут последовательно обращаться в ноль температуры слоев сначала спонтанно двигающихся (гелий-III), затем тех, движение которых обусловлено взаимодействием с этими первыми (гелий-UI). На возможность получения в экспериментах по сверхтекучести сколь угодно низких температур обращал внимание Капица.

Объяснять сверхтекучесть можно подобно тому, как объясняется сверхпроводимость в [1].

Из-за нечетного по импульсу атома гелия слагаемого в полной энергии приповерхностного слоя жидкости