Сверхтекучесть гелия. (Не)

Собственно, опыт таков: в сосуд с щелью в 0.1 мм заливают жидкий гелий - его температура не выше 4 кельвинов.
Но он сразу моментально выливается через эту щель, будто не имеет никакой вякости.
Как это объясняется современной физикой?

А что, прочитать про бозе-конденсат слабО? Идем на яндекс, набираем 'бозе-конденсат'.... вкратце - атомы гелия объединяются в пары, которые взаимодействуют с обычным веществом 'симметрично', при этом воздействия на один атом компенсируется воздействием на другой. В результате воздействие на пару в точности рано нулю....

Во-первых, не ниже 4К, а ниже 2К примерно.
Во-вторых, выливается не мгновенно, вязкости может и нет, а масса-то есть.
В-третьих, при температуре ниже 2К, но выше абсолютного нуля гелий ведет себя не как жидкость без вязкости, а как смесь двух жидкостей - одна с вязкостью, а другая без. Чем ближе температура к 0К, тем больше процент сверхтекучей жидкости. Идеальная сверхтекучесть только при абсолютном нуле, который, как известно, недостижим.
В-четвертых, ни в какие пары атомы гелия не объединяются. Спутано либо со сверхпроводимостью, либо со сверхтекучестью гелия-3, то есть со сверхтекучестью жидкости фермионов. Атомы гелия-4 - бозоны, им ничто не мешает выпадать в бозе-конденсат без спаривания.

Современная наука объясняет это так, что атомы гелия, как и электроны, протоны и прочее, не частицы, а волны. А частицами только прикидываются. Если представлять себе сверхтекучий гелий, как жидкость из мельтешащих атомов, то сверхтекучесть объяснить нельзя, вообще и никак. Надо представить себе каждый атом гелия равномерно размазанным по всему объему жидкости, примерно как электрон в атоме водорода, см. любой учебник квантовой механики. Говоря с упрощением, можно считать, что волновая функция каждого атома постоянна во всем объеме жидкости и равна нулю вне его. Постоянная в объеме волновая функция соответствует абсолютному покою частиц в классической механике. Т.е. (это уже БЕЗ упрощения) у всех атомов эта функция одинакова, все атомы в одинаковом состоянии, причем в самом низшем энергетическом состоянии, при котором никаких возбуждений-волн нет. При нагреве некоторые возникают возбуждения, т.е. волновые функции некоторых атомов из постоянных становятся "волнующимися". Чем выше температура, тем волн больше. С некоторым упрощением можно сказать, что именно эти возбужденные атомы и составляют вязкую составляющую гелия при температуре выше нуля. Упрощение в основном связано с тем, что возбуждения эти не индивидуальных атомов, а коллективные, возникают звуковые волны, в элементарно возбуждении задействовано сразу много атомов, но это детали. Важно, что эти колебания квантованы, для их возбуждения нужна определенная конечная энергия. Поэтому если тело движется в сверхтекучем гелии медленно, то оно не испытывает сопротивления. Но если его скорость выше некоторой критической, то жидкость все-таки будет оказывать сопротивление, даже при абсолютном нуле. При движении будут возникать возбуждения, будет переход энергии тела в тепло и т.д. Так что идеальная сверхтекучесть существует только при абсолютном нуле, да и то при скорости меньше определенной.

Еще раз, сверхтекучесть - это квантовое явление, его можно понять только если твердо усвоить, что атомы гелия НЕ частицы, их нельзя, скажем, локализовать в данной точке. Движение атомов означает волны в их волновых функциях, а не перемещение материальных точек. Скажем, простое круговое движение жидкого гелия в сосуде есть макроскопическое проявление волнового движения атомов. Волновые функции атомов не постоянны, а имеют вид волн, движущихся, скажем упрощенно, в направлении вращающейся в сосуде жидкости. При абсолютном нуле никаких волн быть не может, соответственно, и вращения тоже. При охлаждении до абсолютного нуля во вращающемся сосуде жидкий гелий останавливается, то есть приходит в покой относительно инерциальной системы отсчета. Волновая функция атомов в их низшем состоянии постоянна, а это значит покой. Сосуд может продолжать вращаться, вязкого трения ведь нет. Наверное, надо еще напомнить, что "низшее состояние" это не состояние электронов в атомах гелия, а состояние самих атомов в сосуде с постоянной волновой функцией.

Привет, Горник!

Ты прав, как всегда.
Но в данном случае могу тебя дополнить: Воспоминания о гелии II... что вообще-то редко удается

Слушай, совсем перестали общаться... взял бы и заехал ко мне около Рождества... все равно выгонят тебя в отпуск
 

Гм... вот об этом... Андроникашвили не обнаружил такое:

Наконец, набравшись храбрости, приступил к эксперименту. О, ужас! Гелий-II вращается, как самая обыкновенная жидкость, глубина мениска не отличается от глубины мениска воды, масла, ртути... Разве только образуется маленький конус у оси вращения под поверхностью мениска. Но все решает глубина, а глубина мениска неизменна. Никаких признаков того, чтобы в гелии-II вращалась только нормальная компонента, и в помине не было.

 

varban, 18.09.2003 23:18:38:

Привет, Горник!

Ты прав, как всегда.
Но в данном случае могу тебя дополнить: Воспоминания о гелии II... что вообще-то редко удается

Слушай, совсем перестали общаться... взял бы и заехал ко мне около Рождества... все равно выгонят тебя в отпуск

 

Спасибо большое за книжку.
Я читал про гелий немного Ландау-Китайгородского "Физика для всех".
Мне мой дядя дал почитать, он физик-ядерщик.

А вспомнил про сверхтекучий гелий и сразу понял что такое термин "bottle neck" без перевода, когда на даче пользовался бочкой на 55 литров.
Надо было набирать воду в озере, а диаметр горлышка этой бочки - 30 мм... Да еще длинный такой отросток, с резьбой, на который наверчивается пробка.
Я намучался, и думаю, если бы гелия сюда сверхтекучего, мигом бы наполнилась
Еще подумал, что эта бочка - как гигабайт памяти РС66 с процессором Пентиум 133....

k_gornik, 16.09.2003 23:16:50:

Во-первых, не ниже 4К, а ниже 2К примерно.
Во-вторых, выливается не мгновенно, вязкости может и нет, а масса-то есть.
В-третьих, при температуре ниже 2К, но выше абсолютного нуля гелий ведет себя не как жидкость без вязкости, а как смесь двух жидкостей - одна с вязкостью, а другая без. Чем ближе температура к 0К, тем больше процент сверхтекучей жидкости. Идеальная сверхтекучесть только при абсолютном нуле, который, как известно, недостижим.
В-четвертых, ни в какие пары атомы гелия не объединяются. Спутано либо со сверхпроводимостью, либо со сверхтекучестью гелия-3, то есть со сверхтекучестью жидкости фермионов. Атомы гелия-4 - бозоны, им ничто не мешает выпадать в бозе-конденсат без спаривания.

Современная наука объясняет это так, что атомы гелия, как и электроны, протоны и прочее, не частицы, а волны. А частицами только прикидываются. Если представлять себе сверхтекучий гелий, как жидкость из мельтешащих атомов, то сверхтекучесть объяснить нельзя, вообще и никак. Надо представить себе каждый атом гелия равномерно размазанным по всему объему жидкости, примерно как электрон в атоме водорода, см. любой учебник квантовой механики. Говоря с упрощением, можно считать, что волновая функция каждого атома постоянна во всем объеме жидкости и равна нулю вне его. Постоянная в объеме волновая функция соответствует абсолютному покою частиц в классической механике. Т.е. (это уже БЕЗ упрощения) у всех атомов эта функция одинакова, все атомы в одинаковом состоянии, причем в самом низшем энергетическом состоянии, при котором никаких возбуждений-волн нет. При нагреве некоторые возникают возбуждения, т.е. волновые функции некоторых атомов из постоянных становятся "волнующимися". Чем выше температура, тем волн больше. С некоторым упрощением можно сказать, что именно эти возбужденные атомы и составляют вязкую составляющую гелия при температуре выше нуля. Упрощение в основном связано с тем, что возбуждения эти не индивидуальных атомов, а коллективные, возникают звуковые волны, в элементарно возбуждении задействовано сразу много атомов, но это детали. Важно, что эти колебания квантованы, для их возбуждения нужна определенная конечная энергия. Поэтому если тело движется в сверхтекучем гелии медленно, то оно не испытывает сопротивления. Но если его скорость выше некоторой критической, то жидкость все-таки будет оказывать сопротивление, даже при абсолютном нуле. При движении будут возникать возбуждения, будет переход энергии тела в тепло и т.д. Так что идеальная сверхтекучесть существует только при абсолютном нуле, да и то при скорости меньше определенной.

Еще раз, сверхтекучесть - это квантовое явление, его можно понять только если твердо усвоить, что атомы гелия НЕ частицы, их нельзя, скажем, локализовать в данной точке. Движение атомов означает волны в их волновых функциях, а не перемещение материальных точек. Скажем, простое круговое движение жидкого гелия в сосуде есть макроскопическое проявление волнового движения атомов. Волновые функции атомов не постоянны, а имеют вид волн, движущихся, скажем упрощенно, в направлении вращающейся в сосуде жидкости. При абсолютном нуле никаких волн быть не может, соответственно, и вращения тоже. При охлаждении до абсолютного нуля во вращающемся сосуде жидкий гелий останавливается, то есть приходит в покой относительно инерциальной системы отсчета. Волновая функция атомов в их низшем состоянии постоянна, а это значит покой. Сосуд может продолжать вращаться, вязкого трения ведь нет. Наверное, надо еще напомнить, что "низшее состояние" это не состояние электронов в атомах гелия, а состояние самих атомов в сосуде с постоянной волновой функцией.

 

вопрос номер один в жидком гелии атомы или молекулы?
не образуют ли атомы гелия некие подоббия "кристаллов" как образуются в воде большие цепочки молекул, образованные за счет "склеивания" атомов водорода в Аш-два-о водородными свзями?
То есть, можно представить себе состояние жидкого гелия как некое промежуточное состояние, между идеальным отсутствием энергии движения атомов, и абсолютно беспорядочным (броуновским) движением атомов?
  Вероятно, можно предположить, что когда количество внутренней энергии гелия слишком мало, то атомы СИНХРОННО передают механический импульс, переданный большому их количеству, а основой механического сопротивления являются хаотические, нерегулярные взаимодействия атомов друг с другом.
Интересно, а если допустим, можно добится температуры абсолютного нуля, или же температуры близкой к ней, то вероятно, субатомное взаимодействие станет настолько слабым, что каким то образом можно будет можно измерить более тонкие энергетические уровни? Например, энергию, содержащуюся в электронах? Может быть, уменьшение кинтетической энергии молекул превращается в увеличение потенциальной энергии электронов?
 

> вопрос номер один в жидком гелии атомы или молекулы?

Молекулы, конечно. Но состоящие из одного атома
Это был вопрос на засыпку по физхимию на III курсе

> не образуют ли атомы гелия некие подоббия "кристаллов" как образуются в воде большие цепочки молекул, образованные за счет "склеивания" атомов водорода в Аш-два-о водородными свзями?

В сверхтекучем, в He II - нет. В нормальном, He I - в какой-то (очень малой) мере. Но не за счет связей типа водородных, а из-за механического взаимодействия. Забыл, как называется такое взаимодействие. Горник зайдет и внесет ясность

---

Серж, не оверквотничай так Стирай лишнее из окошку цитирования. Или вообще не пользуйся кнопкой Quote, а Add Reply/Fast Reply

вопрос номер один в жидком гелии атомы или молекулы?

 

Атомы. Атомы гелия очень слабо взаимодействуют друг с другом. Если бы они взаимодействовали, то гелий при низкой температуре замерзал бы, а не переходил в сверхтекучее состояние. Замерзает же неон - тоже инертный газ, но в сверхтекучем состоянии его получить не удается, он переходит в твердое состояние при более высокой температуре, чем нужна для сверхтекучести.

не образуют ли атомы гелия некие подоббия "кристаллов" как образуются в воде большие цепочки молекул, образованные за счет "склеивания" атомов водорода в Аш-два-о водородными свзями?

 

Ну, они достаточно сильно взаимодействуют, чтобы образовалась жидкость, но никаких "кристаллов" там нет. Если бы гелий образовывал что-то в духе водородных связей, как вода, то он бы и жидкое состояние переходил бы при 373 К, как вода, а не при 4К.

То есть, можно представить себе состояние жидкого гелия как некое промежуточное состояние, между идеальным отсутствием энергии движения атомов, и абсолютно беспорядочным (броуновским) движением атомов?

 

Представить-то может и можно, а что толку? Гелий это квантовая жидкость, атомы жидкого гелия просто нельзя описывать в виде материальных точек. Даже если температура чуть выше абсолютного нуля, все равно тепловое движение описывается не броуновским движением, а квантованными колебаниями жидкости - фононами и ротонами.

  Вероятно, можно предположить, что когда количество внутренней энергии гелия слишком мало, то атомы СИНХРОННО передают механический импульс, переданный большому их количеству, а основой механического сопротивления являются хаотические, нерегулярные взаимодействия атомов друг с другом.

 

В сверхтекучей жидкости импульс ВООБЩЕ не передается, ни синхронно, ни асинхронно. Она просто не может его принять.

Интересно, а если допустим, можно добится температуры абсолютного нуля, или же температуры близкой к ней, то вероятно, субатомное взаимодействие станет настолько слабым, что каким то образом можно будет можно измерить более тонкие энергетические уровни?

 

Субатомное означает межатомное? Межатомное взаимодействие не становится слабее при понижении температуры. Тонкие энергетические уровни надо изучать в газе, разреженном и нагретом. Разреженность нужна, чтобы близость атомов друг к другу не искажала уровни. Нагрев (или какой-нибудь другой способ возбуждения атомов) нужен, чтобы атомы испускали фотоны, по которым судят об энергии уровней.

Например, энергию, содержащуюся в электронах? Может быть, уменьшение кинтетической энергии молекул превращается в увеличение потенциальной энергии электронов?

 

При охлаждении кинетическая энергия молекул не превращается в потенциальную энергию электронов. Она уходит вместе с теплом в охладитель.

Если вдруг не слышали:




Охладили атомы натрия до меньше, чем нанокельвин.

Это бозе-конденсат в магнитной ловушке. Это гораздо ближе к идеальному Бозе-газу, чем любой жидкий гелий, но так можно охладить только очень маленькое количество вещества, букавально считанные атомы.

А пытался кто нибудь каким то образом использовать еффект Казимира для определения потенциала взаимодействия между атомами гелия?
Подскажите пожалуста может кто сталкивался