Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

7.3. ПАРАДОКСЫ ЖИДКОГО ГЕЛИЯ

К тому времени, когда Капица со своими сотрудниками приступили к работам по исследованию жидкого гелия (1937 г.), уже накопилось множество фактов, свидетельствующих о его необычных и во многом загадочных свойствах.

Только одна из таких загадок - нежелание жидкого гелия даже в области около абсолютного нуля температур переходить в твердое состояние - была решена. Гелий все же заставили затвердеть. Произошло это в лаборатории Камерлинг-Оннеса уже после смерти ее основателя, которому так и не удалось увидеть твердый гелий. Но и при этом гелий оказался "не таким, как все другие вещества". Никакое охлаждение так и не заставило его перейти в твердое состояние. Казалось бы, что силы сцепления его атомов, как бы малы они ни были, смогут при почти полном прекращении теплового движения закрепить их, чтобы гелий затвердел. Ф. Симон показал, что дело здесь в энергии так называемых "нулевых колебаний" атомов, существующей даже при Т ? 0K и предсказываемой квантовой теорией. Эта энергия нулевых колебаний достаточна для того, чтобы преодолеть очень малые силы сцепления атомов гелия. Надо было только помочь им сблизиться и закрепиться. Только внешнее давление могло этому помочь. И действительно, при повышении давления до 2,5 МПа гелий все же сделался твердым.

Своим необычным поведением он превзошел даже воду - другую удивительную жидкость, у которой лед не только менее плотен, чем вода, но и существует в пяти разных модификациях.

"Гелиевый" лед имеет уникальную особенность - он может плавиться, если его нагреть или уменьшить давление, под которым он находится, но испаряться, как все другие, в принципе не может. Это видно по его фазовой диаграмме, представленной на рис. 7.7 а. На рис. 7.7 б дана диаграмма для обычной жидкости, аналогичная той, которая была показана на рис. 2.7. Видно, что гелиевая диаграмма как бы ограничена частью обычной диаграммы, отделенной штриховыми линиями; для гелия область, лежащая под ней, не существует.

Другие загадки жидкого гелия так или иначе связаны с явлениями, которые происходят, когда при охлаждении он переходит линию аb (рис. 7.7 а). При давлении 0,1 МПа это соответствует температуре около 2,19K. Еще в 1911 г. Камерлинг-Оннес заметил, что вязкость гелия проходит в этой точке через максимум, а в 1924 г. он, проведя точные измерения, заметил, что зависимость теплоемкости от температуры носит такой же характер, но имеет в этой точке острый пик, напоминающий по форме греческую букву ?. Более подробно исследовал это явление уже в 1930 г. Х. Кеезом совместно с Р. Клузисом. Х. Кеезом и ввел термин "температура ?-точки" (или просто "?-точка").

Рис. 7.7. Фазовая диаграмма гелия (а) и фазовая диаграмма обычного вещества (б): аb - линия разделения областей жидкого гелия (Не I и Не II); Т, Ж, П - соответственно твердая, жидкая и паровая фазы; тр.т. - тройная точка

Рис. 7.8. Изменение теплоемкости жидкого гелия

В первой половине 30-х годов стало очевидно, что ниже этой точки с гелием, который при всех своих особенностях все же до нее вел себя как "добропорядочная жидкость", начинаются непонятные и странные вещи; он настолько меняет свойства, что совершенно преображается. Поэтому гелий в состоянии, когда его температура ниже Т?, был назван "гелием II", а при Т > Т? - "гелием I". Все силы исследователей сосредоточились на Не II. Открытия появлялись одно за другим, благо жидкий гелий к этому времени был уже в достаточном количестве не только в Лейдене, но и в Торонто (Канада), Берлине, Бреслау (в настоящее время Вроцлав), Кембридже, а также Харькове (ФТИ) и Москве (ИФП).

Если говорить об особенностях Не II, то нужно, по-видимому, сначала вернуться к тому его свойству, которое тоже заметил еще Камерлинг-Оннес. При температуре выше 2,19K гелий кипит так же, как и любая другая жидкость, с образованием пузырьков пара, всплывающих на поверхность. Ниже ?-точки гелий ведет себя как "мертвая вода" в сказке: никаких пузырьков, не образуется, и поверхность жидкости остается гладкой и неподвижной. Объяснить это удалось позже, когда были обнаружены и другие свойства гелия II, не столь очевидные.

Х. Кеезом со своей дочерью Анной провели серию опытов по измерению теплопроводности Не II. Но она неожиданно оказалась настолько большой, что приборами, которыми они располагали, её измерить не удалось. Было только очевидно, что теплопроводность невероятно велика. Точные цифры были установлены позже в Кембридже; оказалось, что теплопроводность Не II больше, чем у самых теплопроводных металлов (меди и серебра) в миллионы раз! По аналогии с электрической сверхпроводимостью Кеезом назвал это явление сверхтеплопроводностью.

Однако этим список новых "сверхявлений" не закончился. В ряде лабораторий были замечены и другие странности в поведении Не II. Он, например, забираясь вверх по его стенкам, все время пытался "убежать" из сосуда, в котором находился, и проникал даже через уплотнения. Наиболее интересный опыт, демонстрирующий это явление, был поставлен в Оксфорде Мендельсоном и Даунтом. В сосуде с жидким Не II был подвешен небольшой стеклянный стаканчик, положение которого по высоте можно было менять так, как это показано на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Опыт с перетеканием Не II по стенкам стаканчика в сосуде гелием

Когда стаканчик погружен в гелий (рис. 7.9 а), жидкость поднималась по наружным стенкам и переливалась внутрь до тех пор, пока уровни в стаканчике и сосуде не уравнивались. Если же стаканчик поднять выше (рис. 7.9 б), то процесс таким же удивительным путем шел в обратном направлении: жидкость по стенкам переливалась в обратном направлении тоже до тех пор, пока не достигалось совпадение уровней. Наконец, если стакан был поднят так, что полностью выходил из жидкости (рис. 7.9 в), гелий вытекал из него по стенкам тем же путем, собираясь в центре дна, и по каплям стекал в ванну до тех пор, пока не переходил в нее полностью. Еще более интересно, что опорожнение и наполнение стакана всегда шли с одинаковой скоростью, независимо от разности уровней. Если бы так себя вела вода в ведре, поднимаемом из колодца, то она бы вытекала из совершенно целого ведра так же, как и из дырявого; за время подъема она могла бы полностью стечь обратно в колодец по стенкам ведра!

Было, наконец, известно, что у Не II очень малая вязкость намного меньше, чем у Не I, который является очень текучей жидкостью.

Следующая страница: Эксперименты с жидким гелием II