ГЕ́ЛИЙ ЖИ́ДКИЙ

Диаграмма состояния 4He.

ГЕ́ЛИЙ ЖИ́ДКИЙ, жид­кие ⁴Нe и ³Нe – кван­то­вые жид­ко­сти, свой­ст­ва ко­то­рых при темп-рах ни­же 2–3 К во мно­гом оп­ре­де­ля­ют­ся кван­то­вы­ми эф­фек­та­ми. Жид­кие ⁴He и ³He – бес­цвет­ные про­зрач­ные жид­ко­сти, за­твер­де­ваю­щие толь­ко при по­вы­шен­ном дав­ле­нии: боль­шем 2,5 МПа для ⁴He (рис.) и 3,4 МПа для ³He. Это объ­яс­ня­ет­ся ма­лой энер­ги­ей взаи­мо­дей­ст­вия ато­мов по срав­не­нию с их ну­ле­вой энер­ги­ей (см. Ге­лий твёр­дый). При ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии темп-ра ки­пе­ния жид­ко­го ⁴He рав­на 4,22 К, его плот­ность 125 кг/м³; темп-ра ки­пе­ния жидко­го ³He 3,2 К, плот­ность 58 кг/м³. Под дав­ле­ни­ем на­сы­щен­ных па­ров ⁴He и ³He ос­та­ют­ся жид­ки­ми при всех темп-рах ни­же кри­ти­че­ской, рав­ной 5,2 К и 3,3 К со­от­вет­ст­вен­но.

Ато­мы ⁴He – бо­зо­ны, т. к. их спин ра­вен ну­лю. При темп-ре T_λ= 2,17 К и дав­ле­нии на­сы­щен­ных па­ров 5 кПа жид­кий ⁴He ис­пы­ты­ва­ет фа­зо­вый пе­ре­ход 2-го ро­да. Вы­ше T_λ жид­кий ⁴He на­зы­ва­ют Не I, ни­же – Не II. С рос­том дав­ле­ния темп-ра пе­ре­хо­да T_λ умень­ша­ет­ся (λ-ли­ния на рис.). В 1938 П. Л. Ка­пи­ца от­крыл сверх­те­ку­честь Не II – его спо­соб­ность про­те­кать без тре­ния че­рез уз­кие ще­ли и ка­пил­ля­ры. В то же вре­мя вяз­кость, из­ме­рен­ная по за­ту­ха­нию ко­ле­ба­ний дис­ка, по­гру­жён­но­го в Не II, от­лич­на от ну­ля и вбли­зи T_λ ма­ло от­ли­ча­ет­ся от вяз­ко­сти Не I. Объ­яс­не­ние это­му бы­ло да­но Л. Д. Лан­дау в 1941 (тео­рия сверх­те­ку­че­сти). Из тео­рии сле­ду­ет, что Не II ве­дёт се­бя как жид­кость, со­стоя­щая из двух ком­по­нент – нор­маль­ной и сверх­те­ку­чей, ко­то­рые мо­гут дви­гать­ся от­но­си­тель­но друг дру­га. Плот­но­сти ком­по­нент в сум­ме рав­ны плот­но­сти жид­ко­сти, но их от­но­ше­ние из­ме­ня­ет­ся с темп-рой. Сверх­те­ку­чая ком­по­нен­та не об­ла­да­ет эн­тро­пи­ей и не ис­пы­ты­ва­ет тре­ния о стен­ки со­су­да, при T=T_λ её плот­ность рав­на ну­лю, рас­тёт с по­ни­же­ни­ем темп-ры и при Т= 0 К сов­па­да­ет с плот­но­стью жид­ко­сти. Нор­маль­ную ком­по­нен­ту со­став­ля­ют эле­мен­тар­ные воз­бу­ж­де­ния – фо­но­ны и ро­то­ны, и она ве­дёт се­бя как обыч­ная вяз­кая жид­кость. Т. о., ко­леб­лю­щий­ся в Не II диск за­ту­ха­ет из-за тре­ния о нор­маль­ную ком­по­нен­ту. В экс­пери­мен­тах по те­че­нию Не II че­рез уз­кие ще­ли или ка­пил­ля­ры нор­маль­ная ком­по­нен­та прак­ти­че­ски не дви­жет­ся, а сверх­те­ку­чая – про­те­ка­ет без тре­ния. На ос­но­ве та­кой двух­жид­ко­ст­ной мо­де­ли мож­но объ­яс­нить ряд др. эф­фек­тов. Напр., при вы­те­ка­нии He II из со­су­да че­рез уз­кий ка­пил­ляр темп-ра в со­су­де по­вы­ша­ет­ся, т. к. вы­те­ка­ет гл. обр. сверх­те­ку­чая ком­по­нен­та, не не­су­щая те­п­ло­ты (см. Ме­ха­но­ка­ло­ри­че­ский эф­фект); при соз­да­нии раз­но­сти темп-р ме­ж­ду кон­ца­ми за­кры­то­го ка­пил­ля­ра с Не II в нём воз­ни­ка­ет дви­же­ние (см. Тер­мо­ме­ха­ни­че­ский эф­фект) – сверх­те­ку­чая ком­по­нен­та дви­жет­ся от хо­лод­но­го кон­ца к го­ря­че­му и там пе­ре­хо­дит в нор­маль­ную, ко­то­рая дви­жет­ся на­встре­чу (при этом сум­мар­ный по­ток от­сут­ст­ву­ет). В Не II мо­жет рас­про­стра­нять­ся звук двух ви­дов – обыч­ный и т. н. вто­рой звук (см. Звук в сверх­те­ку­чем ге­лии). Су­ще­ст­вова­ние двух ком­по­нент и двух ви­дов дви­же­ния в He II свя­за­но с яв­ле­ни­ем Бо­зе – Эйн­штей­на кон­ден­са­ции, в ре­зуль­та­те ко­то­рой воз­ни­ка­ет мак­ро­ско­пич. фрак­ция жид­ко­сти (бо­зе-кон­ден­сат), ко­то­рая опи­сы­ва­ет­ся еди­ной кван­то­во­ме­ха­нич. вол­но­вой функ­ци­ей.

Жид­кий ³He – фер­ми-жид­кость, т. к. ато­мы ³He – фер­мио­ны (име­ют спин ¹/₂) и под­чи­ня­ют­ся Фер­ми – Ди­ра­ка ста­ти­сти­ке. В 1972 Д. Оше­ров, Р. Ри­чард­сон и Д. Ли об­на­ру­жи­ли, что при очень низ­ких темп-рах жид­кий ³He так­же ста­но­вит­ся сверх­те­ку­чим (при 0,9 мК при дав­ле­нии на­сы­щен­ных па­ров и при 2,6 мК при 3,4 МПа). Сверх­те­ку­честь ³He, как и сверх­про­во­ди­мость ме­тал­лов, яв­ля­ет­ся след­ст­ви­ем Ку­пе­ра эф­фек­та – об­ра­зо­ва­ния ку­пе­ров­ских пар ато­мов (точ­нее – пар ква­зи­ча­стиц). Ку­пе­ров­ские пá­ры яв­ля­ют­ся бо­зо­на­ми и мо­гут об­ра­зо­вы­вать бо­зе-кон­ден­сат. Сверх­те­ку­честь ³He бо­лее слож­на и мно­го­об­раз­на, чем ⁴He. В за­ви­си­мо­сти от ус­ло­вий мо­гут на­блю­дать­ся 3 разл. сверх­те­ку­чие фа­зы ³He (на­зы­вае­мые А, А₁ и В).

Жид­кий ⁴He слу­жит хла­да­ген­том для ох­ла­ж­де­ния сверх­про­во­дя­щих маг­ни­тов и ис­поль­зу­ет­ся для по­лу­че­ния низ­ких темп-р при про­ве­де­нии на­уч. ис­сле­до­ва­ний. Сме­си ⁴He и ³He при­ме­ня­ют для соз­да­ния сверх­низ­ких темп-р с по­мо­щью т. н. реф­ри­же­ра­то­ров рас­тво­ре­ния (уда­ёт­ся по­лу­чать и не­пре­рыв­но под­дер­жи­вать темп-ры по­ряд­ка 0,01 К).