ЗВУК В СВЕРХТЕКУ́ЧЕМ ГЕ́ЛИИ

ЗВУК В СВЕРХТЕКУ́ЧЕМ ГЕ́ЛИИ, гид­ро­ди­на­мич. вол­ны, рас­про­стра­няю­щие­ся в сверх­те­ку­чем ге­лии ($\ce{HeII}$). Со­глас­но Лан­дау тео­рии сверх­те­ку­че­сти (двух­ком­по­нент­ной мо­де­ли $\ce{HeII}$) сверх­те­кучая жид­кость ха­рак­те­ри­зу­ет­ся дву­мя ско­ро­стя­ми $v_s$ и $v_n$ – ско­ро­стя­ми сверх­те­ку­чей и нор­маль­ной ком­по­нент жид­ко­го НеII. По­яв­ле­ние до­пол­нит. гид­ро­ди­на­мич. пе­ре­мен­ной $v_s$ при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию но­вых, по срав­не­нию с клас­сич. гид­ро­ди­на­мич. сис­те­ма­ми, ти­пов зву­ка. Ти­пы воз­мож­ных зву­ко­вых волн и ско­ро­сти их рас­про­стра­не­ния за­ви­сят так­же от гео­мет­рич. па­ра­мет­ров ге­лие­вой сис­те­мы и ко­ли­че­ст­ва при­ме­си $\ce{^3He}$.

В объ­ё­ме сверх­те­ку­че­го $\ce{^4He}$ мо­гут рас­про­стра­нять­ся вол­ны двух ти­пов – пер­вый и вто­рой звук. Вол­ны пер­во­го ти­па ана­ло­гич­ны зву­ку в обыч­ной жид­ко­сти и пред­став­ля­ют со­бой в осн. рас­про­стра­няю­щие­ся ко­ле­ба­ния плот­но­сти $ρ$ и дав­ле­ния $p$. Спе­ци­фич. осо­бен­но­стью $\ce{HeII}$ яв­ля­ет­ся су­ще­ст­во­ва­ние вто­ро­го зву­ка – те­п­ло­вых волн: рас­про­стра­няю­щих­ся ко­ле­ба­ний темп-ры $T$ и эн­тро­пии $S$ (в обыч­ных сре­дах тем­пе­ра­тур­ные ко­ле­ба­ния за­ту­ха­ют на рас­стоя­нии по­ряд­ка дли­ны вол­ны). По­сколь­ку ко­эф. те­п­ло­во­го рас­ши­ре­ния $(𝜕ρ/𝜕T)_p$ ге­лия ано­маль­но мал, ко­ле­ба­ния плот­но­сти (дав­ле­ния) и темп-ры (эн­тро­пии) ока­зы­ва­ют­ся прак­ти­че­ски не­за­ви­си­мы­ми. При низ­ких темп-рах, не слиш­ком близ­ких к темп-ре ис­чез­но­ве­ния сверх­те­ку­че­сти ге­лия, нор­маль­ная ком­по­нен­та пред­став­ля­ет со­бой газ ква­зи­ча­стиц (эле­мен­тар­ных воз­бу­ж­де­ний сис­те­мы), а вто­рой звук – зву­ко­вые вол­ны в га­зе ква­зи­ча­стиц. Су­ще­ст­во­ва­ние вто­ро­го зву­ка и ско­рость его рас­про­стра­не­ния пред­ска­за­ли не­за­ви­си­мо Л. Д. Лан­дау (1941) и франц. фи­зик Л. Ти­са (1938); ме­тод его ге­не­ра­ции пред­ло­жил Е. М. Лиф­шиц (1944). Экс­пе­ри­мен­таль­но вто­рой звук был об­на­ру­жен рос. фи­зи­ком В. П. Пеш­ко­вым (1944).

На по­верх­но­сти сверх­те­ку­че­го ге­лия мо­жет рас­про­стра­нять­ся по­верх­но­ст­ный вто­рой звук – зву­ко­вые ко­ле­ба­ния в сис­те­ме по­верх­но­ст­ных воз­бу­ж­де­ний. Для чис­то­го $\ce{HeII}$ это звук в сис­те­ме ква­зича­стиц, со­от­вет­ст­вую­щих кван­то­ван­ным ка­пил­ляр­ным вол­нам на по­верх­но­сти $\ce{HeII}$. По­верх­но­ст­ный вто­рой звук, пред­ска­зан­ный А. Ф. Ан­д­рее­вым и рос. фи­зи­ком Д. А. Ком­па­ней­цем (1972), был об­на­ру­жен в рас­тво­ре $\ce{^3He-HeII}$ амер. учё­ны­ми (1974).

В тон­ких сверх­те­ку­чих ге­лие­вых плён­ках рас­про­стра­ня­ет­ся тре­тий звук – прак­ти­че­ски изо­тер­ми­че­ские по­верх­но­ст­ные вол­ны в плён­ке $\ce{HeII}$. Рас­про­стра­не­ние третье­го зву­ка со­про­во­ж­да­ет­ся ос­цил­ля­ция­ми сверх­те­ку­чей ком­по­нен­ты па­рал­лель­но под­лож­ке, а нор­маль­ная ком­по­нен­та при не очень тол­стой плён­ке тор­мо­зит­ся под­лож­кой и в ко­ле­ба­ни­ях не уча­ст­ву­ет. Су­ще­ст­вен­ной осо­бен­но­стью третье­го зву­ка яв­ля­ет­ся зна­чит. ис­па­ре­ние и кон­ден­са­ция ге­лия при ко­ле­ба­ни­ях, что сгла­жи­ва­ет ос­цил­ля­ции темп-ры и при­во­дит к поч­ти изо­тер­мич. ха­рак­те­ру рас­про­стра­не­ния вол­ны.

Чет­вёр­тый звук рас­про­стра­ня­ет­ся в $\ce{HeII}$, на­хо­дя­щем­ся в уз­ких ка­пил­ля­рах или в мел­ко­по­рис­той сре­де, ко­гда дли­на сво­бод­но­го про­бе­га ква­зи­ча­стиц $\ce{HeII}$ срав­ни­ма или за­мет­но пре­вос­хо­дит ха­рак­тер­ный раз­мер в сис­те­ме. При этом нор­маль­ная ком­по­нен­та жид­ко­сти не­по­движ­на ($v_n = 0$). При низ­ких темп-pax ско­рость рас­про­стра­не­ния чет­вёр­то­го зву­ка как в чис­том $\ce{^4He}$, так и в сла­бых рас­тво­рах $\ce{^3He}$ в $\ce{HeII}$ близ­ка к ско­ро­сти пер­во­го зву­ка.

Пя­тый звук пред­став­ля­ет со­бой те­п­ло­вые (тем­пе­ра­тур­ные) вол­ны в сверх­те­ку­чих ге­лие­вых плён­ках в ус­ло­ви­ях, ко­гда про­цес­сы ис­па­ре­ния (кон­ден­са­ции) в плён­ке по­дав­ле­ны.