Жидкий и твердый гелий

Читаю очередную книгу, теперь про низкие температуры. В этой области науки интересного не меньше, чем в просторах космоса.

Самое интересное вещество при низких температурах — это гелий. Дело в том, что при атмосферном давлении он не кристаллизуется до температуры абсолютного нуля. Объясняется это просто. Температура тела определяется колебаниями атомов, его составляющих. Чем слабее колебания (по амплитуде и частоте), тем ниже температура.

Казалось бы, при нуле градусов по шкале Кельвина движения быть вообще не должно и тело точно бы кристаллизовалось. Но тут вступает в силу принцип неопределенности Гейзенберга — импульс и координата частицы не могут быть определены абсолютно точно. А что получается, если наступает абсолютный покой? Скорость (соответственно, импульс) равна нулю, положение четко фиксировано и может быть измерено. Налицо нарушение принципа неопределенности. Поэтому частицы колеблются даже при абсолютном нуле. Это называется квантовыми или нулевыми колебаниями. Так вот, в гелии энергия нулевых колебаний настолько высока, что эти колебания разрушают кристаллическую решетку и гелий не затвердевает. Поэтому его называют квантовой жидкостью.

Но это только начало. Жидкий гелий бывает в двух состояниях. Это выяснилось весьма неожиданным способом. Когда охлаждали газ, он сначала сконденсировался и естественно, жидкость начала активно кипеть. Но при дальнейшем понижении температуры кипение резко прекращается. Объяснили этот феномен тем, что жидкий гелий становится сверхтекучим. А это значит, что нет препятствий для распространения тепла, то есть температура нижних и верхних слоев жидкого гелия одинакова. Значит нет причин для кипения. Испарение при этом, кстати, происходит с неизменной скоростью.

Все знают, что если налить жидкость в сосуд, то в точке касания поверхности жидкости сосуда образуется мениск, выпуклый или вогнутый, в зависимости от свойств жидкости. Жидкий гелий смачивает поверхность стекла, поэтому в стеклянных сосудах Дьюара образуется вогнутый мениск. В обычной жидкости силы поверхностного натяжения, тяжести, связи со стенками сосуда и трения уравновешивают друг друга и мениск поднимается максимум на несколько миллиметров. Но жидкий гелий сверхтекуч, поэтому пропадает сила трения и мениск поднимается по стенке все выше и выше. Подъем этот ничем не ограничен и жидкость начинает выливаться из сосуда!

Еще один любопытный эффект — термореактивная струя. Это когда в тонкой трубке устанавливают нагреватель и из трубки начинает бить фонтан. Объясняется это все так же отсутствием трения в слоях жидкости.

Далее, изотоп гелия с 3 нейтронами обладает свойством сверхпроводимости. Ну, про явление сверхпроводимости все слышали, останавливаться на нем не буду.

Почитав книгу, начал бороздить просторы интернетов в поисках фотографий и видео жидкого и кристаллического гелия. Вот видеозапись, иллюстрирующая все перечисленные выше эффекты:

Следующая ступень развития — получение твердого гелия. Для этого надо повысить давление так, чтобы энергия кристаллической решетки стала выше энергии нулевых колебаний. Это условие выполняется при давлениях в 30–40 атмосфер, так и был получен кристалл гелия. Он тоже обладает очень любопытными свойствами, связанными с нулевыми колебаниями и отсутствием трения. Но в двух словах, к сожалению, эти свойства не описать. Кому интересно — дам книжку почитать.

Да, и еще. Оказывается, в сосудах Дьюара жидкий азот и гелий можно хранить месяцами! Я думал, час-два, на один эксперимент и все.

И еще приятно то, что в изучении свойств гелия большую роль сыграли советские ученые Петр Леонидович Капица, Лев Васильевич Шубников, Лев Давидович Ландау.

Опубликовано 6 апреля 2010 года
Раздел: О физике
Mavr
Опубликовано 6 апреля 2010 года в 2:08

localhost

иногда мне кажется, что большая часть физики это парадоксы и исклчения. и все так этому радуются )
Фёдор
Опубликовано 6 апреля 2010 года в 21:28

---

Очень интересно... физика низких температур могла бы стать моей профессией, не поступил, теперь моя профессия это теплоэнергетика будет...
Антон Сергеевич, дадите мне эту книжку почитать? Там наверное еще больше интересного
Бегущий вещей
Опубликовано 8 апреля 2010 года в 1:16

www.physicsdepartment.ru

to Mavr: "Чем дальше эксперимент от теории, тем ближе он к Нобелевской премии". Не помню кто сказал.

to Фёдор: А в чем проблема, можно попытаться еще раз поступить. Физика низких температур и теплоэнергетика - две стороны одной монеты. Только для низких температур есть предел, а высокие ничем не ограничены.
Книга лежит на кафедре. Но для прочтения желательно быть знакомым с третьей частью общего курса физики, где дают общие понятия о физике твердого тела. Хотя, если не лезть в дебри - основы понятны. Почитайте, если не пойдет - на третьем курсе возьмете.
Фёдор
Опубликовано 8 апреля 2010 года в 7:38

---

поступить туда только после армии или как 2-е высшее...
Пока рано об этом думать...
Бегущий вещей
Опубликовано 14 апреля 2010 года в 1:18

www.physicsdepartment.ru

Два высших технических? А стоит ли? Имхо, как только Вы получите диплом инженера, это должно означать, что Вы способны изучить любую техническую дисциплину самостоятельно. По крайней мере, у меня такое представление о целях образования.
Чтобы оставить комментарий надо зарегистрироваться или войти под своим именем.

Разделы:

Астрономическое (6)

Всякое (39)

Грустное (1)

Институтское регулярное (42)

К защите (10)

Как в этом работать (2)

Картинки для зрителя (7)

О физике (10)

Путешествия (12)

Развитие сайта (11)

Облако меток:

LaTeX, TeX, Винил, Воронеж, Встречи, Задача, Зрелище, Идея, Измерения, Книги, Константы, Конференция, Лабораторные работы, Лекции, Мате, Методичка, Москва, Начальство, Поиск, Псевдонаука, Сайты, Сессия, СИ, Слова, Сотрудники, Справочник, Стенд, Студенты, Тула, Уфа, Химия, Эталон

Персонализация:

Вход

Объявления:

На свадьбу необходимо заказывать шары с гелием в Днепре в студии AirDnepr