Superfluiditate
Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 22 iunie 2022; verificările necesită 3 modificări .Superfluiditatea este capacitatea unei substanțe într-o stare specială ( lichid cuantic ) care apare la temperaturi apropiate de zero absolut ( fază termodinamică ) de a curge prin fante înguste și capilare fără frecare . Până de curând, superfluiditatea era cunoscută doar pentru heliul lichid , totuși, în anii 2000, superfluiditatea a fost descoperită și în alte sisteme: în condensate atomice rarefiate de Bose , heliu solid .
Superfluiditatea este explicată după cum urmează. Deoarece atomi de heliu -4 sunt bosoni (6 fermioni dau un spin întreg ), mecanica cuantică permite ca un număr arbitrar de astfel de particule să fie într-o singură stare. Aproape de zero absolut, toți atomii de heliu sunt în starea de energie fundamentală. Deoarece energia stărilor este discretă, un atom nu poate primi nicio energie, ci doar una care este egală cu decalajul de energie dintre nivelurile de energie adiacente . Dar la temperaturi scăzute, energia de coliziune poate fi mai mică decât această valoare, drept urmare disiparea energiei pur și simplu nu va avea loc. Fluidul va curge fără frecare.
Istoricul descoperirilor
Superfluiditatea heliului II lichid sub punctul lambda (T = 2,172 K ) a fost descoperită experimental în 1938 de P. L. Kapitza ( Premiul Nobel pentru Fizică 1978 ) și John Allen . Deja înainte de aceasta, se știa că, la trecerea acestui punct, heliul lichid experimentează o tranziție de fază , trecând de la o stare complet „normală” (numită heliu-I ) la o nouă stare a așa-numitului heliu-II , însă doar Kapitsa a arătat că heliul-II curge deloc (în cadrul erorilor experimentale) fără frecare.
Teoria fenomenului de heliu-II superfluid a fost dezvoltată de L. D. Landau ( Premiul Nobel pentru fizică în 1962 ) .
Fapte cheie
Vâscozitatea heliului-II măsurată prin cele două experimente este foarte diferită. Măsurarea vitezei de ieșire a heliului-II din vas printr-un spațiu îngust sub acțiunea gravitației arată o vâscozitate foarte scăzută (mai puțin de 10 -12 Pa·s ). Măsurarea timpului de dezintegrare a oscilațiilor de torsiune a unui disc scufundat în heliu-II arată o vâscozitate mai mare decât cea a heliului-I ( 10 −6 Pa s ) [1] .
Procesul de conducere a căldurii în heliu-II este foarte diferit de procesul de transfer de căldură într-un lichid normal - căldura este condusă prin heliu-II și la o diferență de temperatură arbitrar mică. [unu]
Model cu două fluide de heliu-II
În modelul cu două fluide (cunoscut și ca „model cu două componente”), heliul-II este un amestec de două lichide care se întrepătrund: un superfluid și o componentă normală. Componenta superfluid este de fapt heliu lichid, care se află într-o stare corelată cuantică, oarecum similară cu starea unui condensat Bose (totuși, spre deosebire de condensatul atomilor de gaz rarefiați, interacțiunea dintre atomii de heliu dintr-un lichid este destul de puternică, deci teoria unui condensat Bose nu este aplicabilă direct heliului lichid). Această componentă se mișcă fără frecare, are temperatură zero și nu participă la transferul de energie sub formă de căldură. Componenta normală este un gaz de două tipuri de cvasiparticule : fononi și rotoni , adică excitații elementare ale unui fluid corelat cuantic ; se mișcă cu frecare și participă la transferul de energie.
La temperatura zero, nu există energie liberă în heliu care ar putea fi cheltuită pentru crearea de cvasiparticule și, prin urmare, heliul este complet într-o stare superfluid. Pe măsură ce temperatura crește, densitatea gazului de cvasiparticule (în primul rând, fononi) crește, iar fracția de componentă superfluid scade. Aproape de temperatura punctului lambda, concentrația de cvasiparticule devine atât de mare încât nu mai formează un gaz, ci un lichid de cvasiparticule și, în final, când temperatura punctului lambda este depășită, se pierde coerența cuantică macroscopică și componenta superfluid dispare cu totul. Proporția relativă a componentei normale este prezentată în Fig. 1 .
Când heliul curge prin fante cu viteză mică, componenta superfluid, prin definiție, curge în jurul tuturor obstacolelor fără pierderi de energie cinetică, adică fără frecare. Frecarea ar putea apărea dacă orice proeminență a fantei a generat cvasiparticule care transportă impulsul lichidului în direcții diferite. Cu toate acestea, un astfel de fenomen la viteze mici de curgere este nefavorabil din punct de vedere energetic și numai atunci când viteza critică de curgere este depășită, încep să se genereze rotoni .
Acest model, în primul rând, explică bine diferitele fenomene termomecanice, mecanice ușoare și alte fenomene observate în heliu-II și, în al doilea rând, se bazează ferm pe mecanica cuantică .
Vâscozitatea heliului-II, măsurată prin viteza de ieșire din vas printr-o fantă îngustă sub acțiunea gravitației, se dovedește a fi foarte scăzută datorită faptului că componenta superfluid curge foarte repede prin fantă, fără frecare. Vâscozitatea heliului-II, măsurată prin viteza de amortizare a oscilațiilor discului de torsiune, se dovedește a fi diferită de zero datorită faptului că componenta normală își încetinește rotația foarte repede [1] .
Transferul de căldură în heliu-II se realizează prin propagarea undelor sonore, transportând energie într-o direcție mai mult decât în direcția opusă. Componenta normală se mișcă odată cu ele, iar componenta superfluid care nu transferă căldură se mișcă în sens invers [1] .
Superfluiditatea în alte sisteme
- A fost construit un model superfluid al nucleului atomic, care descrie destul de bine datele experimentale [2] .
- În 1995, în experimente cu gaze de metale alcaline rarefiate, s-au atins temperaturi suficient de scăzute pentru ca gazul să treacă în starea de condensat Bose-Einstein . După cum era de așteptat din calculele teoretice, condensul rezultat s-a comportat ca un lichid superfluid. În experimentele ulterioare, s-a constatat că atunci când corpurile se deplasează prin acest condensat la viteze mai mici decât cea critică, nu are loc niciun transfer de energie de la corp la condensat.
- În 2000, Jan Peter Thoennis demonstrează suprafluiditatea hidrogenului la 0,15 K [3]
- În 2004, a fost anunțată și descoperirea superfluidității în heliu solid . Studiile ulterioare au arătat însă că situația este departe de a fi atât de simplă și, prin urmare, este încă prematur să vorbim despre descoperirea experimentală a acestui fenomen.
- Din 2004 , pe baza rezultatelor unui număr de lucrări teoretice [4] , sa presupus că la presiuni de ordinul a 4 milioane de atmosfere și mai mari, hidrogenul devine incapabil să treacă în faza solidă la orice răcire (cum ar fi heliul la presiune normală), formând astfel un lichid superfluid. Nu există încă confirmări sau respingeri experimentale directe.
- Există, de asemenea, lucrări care prezic superfluiditatea într-o stare de agregare cu neutroni sau cuarci rece . Acest lucru poate fi important pentru înțelegerea fizicii stelelor cu neutroni și cuarci .
- În 2005, superfluiditatea a fost descoperită într-un gaz rarefiat rece de fermioni [5] .
- În 2009, superfluiditatea de tip „ supersolid ” a fost demonstrată într-un gaz de rubidiu rarefiat la rece [6] .
Linii moderne de cercetare
- Turbulență într-un lichid superfluid
- Superfluiditatea în sistemele cu grade interne de libertate
- Relația dintre fazele supraconductoare și superfluide
- Superfluiditatea spinării
- Căutați noi substanțe cu faze superfluide
Note
- ↑ 1 2 3 4 Andreev A.F. Superfluiditatea heliului lichid // Scolari despre fizica modernă. Fizica stării solide. - M., Iluminismul , 1975. - p. 6-20
- ↑ Superconductivity and superfluidity, 1978 , p. 127.
- ^ Dovezi pentru suprafluiditatea în clustere de para-hidrogen în interiorul picăturilor de heliu-4 la 0,15 Kelvin Arhivat 26 iulie 2008 la Wayback Machine
- ↑ Egor Babaev; Asle Sudbo, NW Ashcroft. O tranziție de fază superconductor la superfluid în hidrogen metalic lichid (ing.) (18 octombrie 2004). Preluat la 20 martie 2009. Arhivat din original la 28 iulie 2017.
- ↑ Superfluiditate într-un gaz fermion rarefiat la rece . Consultat la 24 iunie 2005. Arhivat din original pe 8 aprilie 2014.
- ↑ Superfluiditate de tip „Supersolid” într-un gaz de rubidiu rarefiat la rece . Data accesului: 19 martie 2009. Arhivat din original la 11 februarie 2011.
Vezi și
Link -uri
- Landau L.D., Lifshits E.M. Hidrodinamică. — M.: Nauka, 1986, 736 p.
- Zaiko Yu. N. Propagarea undelor într-un fluid care curge într-un fluid cu pereți elastici // Scrisori către ZhTF, 2001, vol. 27, nr. 16, p. 27-31.
- Zaiko Yu. N. Model al curgerii fluidului într-un vas cu pereți elastici // Scrisori către ZhTF, 2002, vol. 28, nr. 24, p. 15-19.
- PW Carpenter, C. Davis, AD Lucey. Hidrodinamică și pereți conformanți: delfinul are un secret? //Current Science, 25 septembrie 2000, voi. 70, nr. 6, pp. 758-765.
- Shapiro L.S. Crearea și dezvoltarea unui submarin. La brevetele naturii
- Despre rolul oscilațiilor în punctul zero în formarea stărilor supraconductoare și superfluide
- Heliu superfluid
Articole de recenzie
- Ginzburg V. L. — Superfluiditate și supraconductivitate în Univers
- Dmitriev V. V. Superfluiditatea spinului în ³He, UFN, v.175 (2005), N.1, 85-92
Literatură
- Kresin VZ Supraconductivitate și superfluiditate. — M .: Nauka, 1978. — 187 p.
- Bondarev BV Metoda matricei de densitate în teoria cuantică a superfluidității. - M. : Sputnik, 2014. - 91 p.
- Tilly D.R., Tilly J. Superfluiditate și supraconductivitate. — M .: Mir, 1977. — 304 p.
- Patterman S. Hidrodinamica unui lichid superfluid. — M .: Mir, 1978. — 520 p.
 Dicționare și enciclopedii | |
|---|---|
| În cataloagele bibliografice |
| Starile termodinamice ale materiei | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Stări de fază |
| ||||||||||||||||
| Tranziții de fază |
| ||||||||||||||||
| Sisteme disperse | |||||||||||||||||
| Vezi si | |||||||||||||||||