Superfluiditet
Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 22. juni 2022; checks kræver 3 redigeringer .Superfluiditet er evnen hos et stof i en speciel tilstand ( kvantevæske ), der forekommer ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt ( termodynamisk fase ) til at strømme gennem smalle spalter og kapillærer uden friktion . Indtil for nylig var superfluiditet kun kendt for flydende helium , men i 2000'erne blev superfluiditet også opdaget i andre systemer: i sjældne atomare Bose-kondensater , fast helium .
Superfluiditet forklares som følger. Da helium -4 atomer er bosoner (6 fermioner giver et heltals spin ), tillader kvantemekanikken et vilkårligt antal af sådanne partikler at være i én tilstand. Nær det absolutte nulpunkt er alle heliumatomer i jordenergitilstanden. Da energien i tilstande er diskret, kan et atom ikke modtage nogen energi, men kun en, der er lig med energigabet mellem tilstødende energiniveauer . Men ved lave temperaturer kan kollisionsenergien være mindre end denne værdi, hvilket resulterer i, at energitab simpelthen ikke vil forekomme. Væsken vil strømme uden friktion.
Opdagelseshistorie
Superfluiditeten af flydende helium-II under lambdapunktet (T = 2,172 K ) blev opdaget eksperimentelt i 1938 af P. L. Kapitza ( 1978 Nobelprisen i fysik ) og John Allen . Allerede før det vidste man, at flydende helium, når man passerer dette punkt, oplever en faseovergang , der går fra en helt "normal" tilstand (kaldet helium-I ) til en ny tilstand af den såkaldte helium-II , dog kun Kapitsa viste, at helium-II overhovedet flyder (indenfor eksperimentelle fejl) uden friktion.
Teorien om fænomenet superfluid helium-II blev udviklet af L. D. Landau ( 1962 Nobelprisen i fysik ) .
Nøglefakta
Viskositeten af helium-II som målt ved de to eksperimenter er meget forskellig. Måling af hastigheden af helium-II udstrømning fra beholderen gennem et smalt mellemrum under påvirkning af tyngdekraften viser en meget lav viskositet (mindre end 10 -12 Pa·s ). Måling af henfaldstiden for torsionsoscillationer af en skive nedsænket i helium-II viser en viskositet, der er større end helium-I ( 10 −6 Pa s ) [1] .
Processen med varmeledning i helium-II er meget forskellig fra processen med varmeoverførsel i en normal væske - varme ledes gennem helium-II og ved en vilkårlig lille temperaturforskel. [en]
To-væske model af helium-II
I to-væske-modellen (også kendt som "to-komponent-modellen") er helium-II en blanding af to interpenetrerende væsker: en supervæske og en normal komponent. Den superflydende komponent er faktisk flydende helium, som er i en kvante-korreleret tilstand, lidt magen til tilstanden af et Bose-kondensat (men i modsætning til kondensatet af fordrænede gasatomer er interaktionen mellem heliumatomer i en væske ret stærk, så teorien om et Bose-kondensat kan ikke anvendes direkte på flydende helium). Denne komponent bevæger sig uden friktion, har nul temperatur og deltager ikke i overførslen af energi i form af varme. Den normale komponent er en gas af to typer kvasipartikler : fononer og rotoner , det vil sige elementære excitationer af en kvante-korreleret væske ; den bevæger sig med friktion og deltager i overførslen af energi.
Ved nul temperatur er der ingen fri energi i helium, der kunne bruges på skabelsen af kvasipartikler, og derfor er helium fuldstændig i en superflydende tilstand. Efterhånden som temperaturen stiger, stiger tætheden af gassen af kvasipartikler (først og fremmest fononer), og fraktionen af superfluidkomponenten falder. Nær lambdapunktets temperatur bliver koncentrationen af kvasipartikler så høj, at de ikke længere danner en gas, men en væske af kvasipartikler, og endelig, når lambdapunktets temperatur overskrides, går den makroskopiske kvantekohærens tabt, og den superflydende komponent forsvinder helt. Den relative andel af den normale komponent er vist i fig. 1 .
Når helium strømmer gennem spalter med lav hastighed, flyder superfluidkomponenten per definition rundt om alle forhindringer uden tab af kinetisk energi, det vil sige uden friktion. Friktion kunne opstå, hvis et fremspring af spalten genererede kvasipartikler, der bortførte væskens momentum i forskellige retninger. Et sådant fænomen ved lave strømningshastigheder er imidlertid energimæssigt ugunstigt, og først når den kritiske strømningshastighed overskrides, begynder rotoner at blive genereret .
Denne model forklarer for det første godt forskellige termomekaniske, lysmekaniske og andre fænomener observeret i helium-II, og for det andet er den solidt baseret på kvantemekanik .
Viskositeten af helium-II, målt ved hastigheden af dets udstrømning fra karret gennem en smal spalte under påvirkning af tyngdekraften, viser sig at være meget lav på grund af det faktum, at den superfluidiske komponent flyder meget hurtigt gennem spalten uden friktion. Viskositeten af helium-II, målt ved dæmpningshastigheden af oscillationer af torsionsskiven, viser sig at være ikke-nul på grund af det faktum, at den normale komponent sænker sin rotation meget hurtigt [1] .
Varmeoverførsel i helium-II udføres ved udbredelse af lydbølger, der bærer energi i én retning mere end i den modsatte retning. Den normale komponent bevæger sig sammen med dem, og den superflydende komponent, der ikke overfører varme, bevæger sig i den modsatte retning [1] .
Superfluiditet i andre systemer
- En superflydende model af atomkernen er blevet konstrueret, som beskriver de eksperimentelle data ganske godt [2] .
- I 1995, i eksperimenter med sjældne alkalimetalgasser, blev temperaturer nået, der var lave nok til, at gassen kunne passere ind i tilstanden af et Bose-Einstein-kondensat . Som forventet ud fra teoretiske beregninger opførte det resulterende kondensat sig som en superfluid væske. I efterfølgende forsøg blev det fundet, at når legemer bevæger sig gennem dette kondensat med hastigheder mindre end den kritiske, sker der ingen energioverførsel fra legemet til kondensatet.
- I 2000 demonstrerede Jan Peter Thoennis brints superfluiditet ved 0,15 K [3]
- I 2004 blev opdagelsen af superfluiditet i fast helium også annonceret . Efterfølgende undersøgelser viste dog, at situationen langt fra er så enkel, og derfor er det stadig for tidligt at tale om den eksperimentelle opdagelse af dette fænomen.
- Siden 2004 er det baseret på resultaterne af en række teoretiske arbejder [4] blevet antaget, at ved tryk i størrelsesordenen 4 millioner atmosfærer og højere bliver brint ude af stand til at passere ind i den faste fase ved nogen afkøling (som helium ved normalt tryk), hvorved der dannes en superfluid væske. Der er endnu ingen direkte eksperimentelle bekræftelser eller afvisninger.
- Der er også værker, der forudsiger superfluiditet i en kold neutron- eller kvarkaggregationstilstand . Dette kan være vigtigt for at forstå neutron- og kvarkstjernernes fysik .
- I 2005 blev der opdaget superfluiditet i en kold forkælet gas af fermioner [5] .
- I 2009 blev superfluiditet af typen " supersolid " påvist i en kold forkælet rubidiumgas [6] .
Moderne forskningslinjer
- Turbulens i en superflydende væske
- Superfluiditet i systemer med interne frihedsgrader
- Forholdet mellem superledende og superfluidfaser
- Spin superfluiditet
- Søg efter nye stoffer med superflydende faser
Noter
- ↑ 1 2 3 4 Andreev A.F. Overfluiditet af flydende helium // Skolebørn om moderne fysik. Faststoffysik. - M., Oplysning , 1975. - s. 6-20
- ↑ Superconductivity and superfluidity, 1978 , s. 127.
- ↑ Beviser for superfluiditet i parahydrogenklynger inde i helium-4 dråber kl. 0,15 Kelvin Arkiveret 26. juli 2008 på Wayback Machine
- ↑ Egor Babaev; Asle Sudbo, NW Ashcroft. En superleder til superfluid faseovergang i flydende metallisk brint (Eng.) (18. oktober 2004). Hentet 20. marts 2009. Arkiveret fra originalen 28. juli 2017.
- ↑ Superfluiditet i en kold forkælet fermiongas . Hentet 24. juni 2005. Arkiveret fra originalen 8. april 2014.
- ↑ Superfluiditet af typen "Supersolid" i en kold forkælet rubidiumgas . Dato for adgang: 19. marts 2009. Arkiveret fra originalen 11. februar 2011.
Se også
Links
- Landau L.D., Lifshits E.M. Hydrodynamics. — M.: Nauka, 1986, 736 s.
- Zaiko Yu. N. Udbredelse af bølger i en væske, der strømmer i en væske med elastiske vægge // Letters to ZhTF, 2001, bind 27, no. 16, s. 27-31.
- Zaiko Yu. N. Model af væskestrømning i et kar med elastiske vægge // Letters to ZhTF, 2002, bind 28, no. 24, s. 15-19.
- PW Carpenter, C. Davis, AD Lucey. Hydrodynamik og kompatible vægge: Har delfin en hemmelighed? //Current Science, 25. september 2000, Vol. 70, nr. 6, s. 758-765.
- Shapiro L.S. Oprettelse og udvikling af en ubåd. Til Naturens Patenter
- Om nulpunktssvingningers rolle i dannelsen af superledende og superflydende tilstande
- Superflydende helium
Gennemgå artikler
- Ginzburg V. L. - Superfluiditet og superledning i universet
- Dmitriev V. V. Spin superfluiditet i ³He, UFN, v.175 (2005), N.1, 85-92
Litteratur
- Kresin VZ Superledning og superfluiditet. — M .: Nauka, 1978. — 187 s.
- Bondarev BV Densitetsmatrixmetoden i kvanteteorien om superfluiditet. - M. : Sputnik, 2014. - 91 s.
- Tilly D.R., Tilly J. Superfluiditet og superledningsevne. — M .: Mir, 1977. — 304 s.
- Patterman S. Hydrodynamik af en superfluid væske. — M .: Mir, 1978. — 520 s.
 Ordbøger og encyklopædier | |
|---|---|
| I bibliografiske kataloger |
| Materiens termodynamiske tilstande | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fasetilstande |
| ||||||||||||||||
| Faseovergange |
| ||||||||||||||||
| Spred systemer | |||||||||||||||||
| se også | |||||||||||||||||