Superfluiditate

Heliul lichid se află în faza superfluidă. O peliculă subțire, invizibilă, se strecoară pe peretele interior al cupei și pe exterior, creând o picătură care cade în heliul lichid de dedesubt. Aceasta se repetă până când cupa este goală - cu condiția ca lichidul să rămână superfluid.

Belșug sau superfluid , de asemenea belșug , Super lichid sau Hyperfluidität numit, este un macroscopică efect cuantic și se face referire în fizica starea unui lichid în care fiecare frecare internă pierde. În plus, materialele superfluide nu au entropie și conductivitate termică aproape ideală ; prin urmare, este dificil să se genereze o diferență de temperatură într-o substanță superfluidă. Fenomenul superfluidității a fost descris pentru prima dată în 1938 de Pyotr Leonidowitsch Kapiza , John F. Allen și Don Misener . Superfluidele sunt exemple de fluid cuantic .

Descriere

Fenomenul de superfluiditate a fost observat până acum doar cu izotopii de heliu ⁴ He și ³ He și cu izotopul de litiu ⁶ Li. Ei merg în starea lor superfluid atunci când temperatura scade sub temperatura critică de belșug, T _Sf , așa-numitul punct lambda . Cu ⁴ He T _Sf este 2,17  K , cu mult mai rar izotopul ³ He 0,0026 K.

Superfluidul ⁴ El este, de asemenea, numit heliu-II, spre deosebire de heliu-lichid normal (lichid) -I.

În faza superfluidă se pot observa fenomene neobișnuite:

• Lichidul pătrunde lin prin cele mai înguste capilare .
• Aproape ideală de conductivitate termică a lichid , datorită efectului de -al doilea sunet .
• Când recipientul se rotește, lichidul nu se rotește ca întreg. Dacă rotația este foarte lentă, se oprește pur și simplu; la o rotație mai rapidă, se formează vârtejuri mecanice cuantificate (similar cu vârtejele cu flux magnetic din supraconductor sau vârtejurile din baie). Dacă densitatea vortexului este suficient de mare, acestea sunt dispuse într-o rețea hexagonală regulată.
• Așa-numitul efect de fântână (cunoscut și sub numele de efect de fântână):

Un vas mic cu fundul capilarelor și o mică deschidere în partea superioară este parțial scufundat într-un vas mai mare cu superfluid. Nava mică are un mic încălzitor în interior. Dacă porniți această încălzire, se creează o suprapresiune în vasul mic din partea superioară a deschiderii, care permite lichidului să stropească prin această mică deschidere.

Acest efect poate fi explicat după cum urmează: Încălzitorul transformă heliul II în heliu I, deoarece raportul dintre heliu II și heliu I scade pentru temperaturi mai ridicate. Pentru a compensa concentrația în scădere a heliului II în vasul mic, heliul II curge din vasul mare fără frecare. În schimb, heliul I nu poate reveni prin capilare, deoarece fricțiunea împiedică acest lucru. Acest lucru creează o suprapresiune.

Film Rollin

Filmul Rollin , numit după o descoperire de Bernard Vincent Rollin , fizician la Laboratorul Clarendon al Universitatea din Oxford , și Franz Eugen Simon în 1937, este un film lichid aproximativ 100 de straturi atomice groase în jurul unui corp care rezultă din foarte scăzută coezivă forțele (atragerea particulelor lichide între ele) într-un superfluid și, prin urmare, forțele de adeziune mai puternice (atracția dintre particulele suprafeței solide și particulele lichide). Creează efectul Onnes .

Efectul Onnes

Heliul II „se târăște” pe peretele vasului interior - după un anumit timp, nivelurile de lichid din vase s-ar egaliza. Filmul Rollin , de asemenea , acoperă peretele containerului mare; dacă nu ar fi închis, filmul lichid s-ar strecura prin fiecare deschidere și heliul ar scăpa treptat.

Onnes Efectul , numit după Heike Kamerlingh Onnes , descrie fenomenul de lichide superfluid curg peste obstacole mai mari. Lichidul se mișcă sub forma unei pelicule foarte subțiri ( film de laminare ) încet pe pereții vasului către temperaturi mai ridicate. Acest lucru poate de ex. B. să fie observat în heliu superfluid . Efectul se datorează faptului că fricțiunea internă (mai precis: vâscozitatea sa dinamică ) dispare în superfluid și forțele capilare de pe peretele vasului sunt mai puternice decât forțele gravitaționale și rezistența adezivă. Debitele de 20 până la 40 cm / s sunt tipice. Această proprietate a lichidelor superfluide poate avea un efect negativ în experimente, deoarece chiar și scurgeri minore în aparat pot duce la pierderi notabile de heliu.

Abordări explicative

Superfluxul nu poate fi încă explicat pe deplin teoretic. Cu toate acestea, există diverse abordări care descriu proprietățile heliului superfluid cel puțin calitativ.

Model cu două fluide

Modelul cu două fluide (de asemenea, modelul cu două fluide ) pentru explicarea superfluidității se întoarce la László Tisza și Lew Landau . Deoarece heliul prezintă atât proprietăți superfluide cât și vâscoase în intervalul de temperatură de la 1 K la punctul lambda , se presupune că densitatea totală a lichidului este compusă dintr-o porțiune normală, care devine din ce în ce mai mică pe măsură ce temperatura scade, și o porțiune superfluidă . Cu toate acestea, pot fi generate și excitații în componenta superfluidă, care acționează ca o vâscozitate a heliului superfluid. Dacă tragi z. De exemplu, un corp plutitor peste heliu superfluid nu simte nici o frecare până la o anumită viteză limită (așa-numitul criteriu Landau ). Peste această viteză, totuși, pot fi excitați rotonii și la viteze chiar mai mari, fononii , care acționează ca fricțiunea asupra corpului. Din punct de vedere matematic, rezultă o viteză limită de aproximativ 60 m / s. De fapt, experimentele de curgere arată că viteza limită este cu mult sub 1 cm / s, dar pentru ionii care se mișcă prin heliu superfluid, se măsoară viteze de puțin sub 60 m / s. Cauza este excitația vârtejurilor cuantificate în superfluidul, așa-numitele vortexuri . Acest fenomen este comparabil cu excitația curenților circulanți cuantizați în superconductori . Vorticurile nu trebuie confundate cu rotonii, deoarece primii reprezintă o excitație macroscopică a superfluidului.

Abordare mecanică cuantică

Superfluidul poate fi bine înțeles în modelul de condensare Bose-Einstein . Conform acestui model, o parte macroscopică a tuturor bosonilor ocupă aceeași stare cuantică . Aceasta înseamnă că toate particulele de He care s-au condensat în această stare de bază pot fi descrise printr-o singură funcție de undă . La fel ca lumina laser și efectul cuantic Hall , faza supraconductoare poate fi înțeleasă ca o stare cuantică macroscopică . Temperatura critică pentru tranziția de fază la heliu superfluid este de 3,1 K, care este calitativ corectă, dar este semnificativ mai mare decât cea măsurată 2,17 K. Mai mult, la 0 K doar 8% din atomi sunt în starea fundamentală, nu 100% ca modelul teoriei Bose-Einstein prezice. Cauza acestor discrepanțe este interacțiunea atomică a atomilor de He, care este setată la zero în modelul Bose-Einstein. În contrast, cu condensarea Bose-Einstein a gazelor de rubidiu și sodiu din capcanele atomice (menționată în articolul special), interacțiunea atomilor implicați este de fapt neglijabilă.

Pentru lichidele He, modelul de condensare Bose-Einstein se aplică numai calitativ și cantitativ pentru gazele menționate.

Trebuie remarcat faptul că condensarea Bose-Einstein nu contrazice modelul cu două fluide. Proporția de particule care este condensată în stare de bază depinde de temperatură. Cu cât temperatura este mai scăzută sub o temperatură critică ( punctul lambda la ⁴ He), cu atât mai multe particule ocupă starea de bază. Porțiunea condensată poate fi considerată ca heliu superfluid, restul de particule sunt heliu lichid normal.

In contrast cu bosonic ⁴ He - atomi sunt în atomii rare care apar în mod natural ³ El la fermioni . Pentru acestea, statisticile Bose-Einstein nu se aplică , ci statisticile Fermi-Dirac . Prin urmare, modelul de condensare Bose-Einstein nu poate fi utilizat pentru cei ³ atomi de He. Cu toate acestea, chiar și cu ³ He, se observă proprietăți superfluide. Totuși, aceasta nu este o contradicție în termeni dacă, având în vedere superfluiditatea lui ³ He, nu se presupun atomi izolați, ci mai degrabă cuplarea a doi atomi, astfel încât, analog formării perechilor Cooper în superconductivitate electronică, bosonic ³ He se împerechează cu spin 1 sunt folosite aici (se poate înțelege că, din cauza slăbiciunii acestui cuplaj, temperatura de tranziție este de aproximativ 1/1000 față de ⁴ He). Doi atomi de ³ He pot asuma o stare oarecum mai mică (și, prin urmare, ceva mai probabilă) în termeni de energie dacă momentele lor magnetice nucleare ( rotiri nucleare ) sunt aliniate ( stări magnetice ) sau opuse (stare nemagnetică). Starea superfluidă în ³ He are o fază bogată și un spectru de excitație (vezi ³ He ). Superfluiditatea în ³ El a fost descoperit în anii 1970 de David Morris Lee , Douglas Dean Osheroff și Robert Coleman Richardson , care au primit Premiul Nobel pentru aceasta, iar structura complexă a fazei a fost examinată de Anthony J. Leggett (care a primit și Premiul Nobel pentru aceasta).

În 1984, Juri Michailowitsch Bunkow , Igor A. Fomin și Wladimir Wladimirowitsch Dmitrijew au descoperit superfluiditatea spinului în ³ He, care în loc de fluxuri de masă ca și cu superfluiditatea normală au afectat magnetizarea și gradele de spin ale libertății .

Aplicații tehnice

În fizică și chimie , superfluidul ⁴ He este utilizat în spectroscopie . Proba este înconjurată de heliu lichid într-un criostat . Prin pomparea heliului gazos, temperatura este redusă sub punctul lambda și heliul devine superfluid. Temperatura depinde de presiune și în practică poate fi setată între 1,1 și 2,1 K prin pompare la diferite niveluri.

O tehnică mult mai complexă se numește spectroscopie cu picături de heliu superfluid (SHeDS) sau spectroscopie de izolare cu picături de heliu (HeNDI) . Picăturile de heliu utilizate pentru aceasta sunt produse într-o expansiune adiabatică a heliului într-un aparat de vid și au o temperatură de numai 0,37 K. Molecule sau grupuri care sunt dizolvate în superfluid ⁴ El poate de fapt să se rotească liber, ca și cum ar fi într-un spațiu vid găsit.

În sistemul de răcire al LHC la CERN , heliul superfluid este utilizat datorită conductivității sale termice relativ ridicate.

literatură

• Antony M. Guénault: superfluide de bază. Taylor & Francis, Londra 2003, ISBN 0-7484-0891-6 .
• James F. Annett: Superconductivitate, superfluide și condensate. Oxford Univ. Press, Oxford 2005, ISBN 978-0-19-850756-7 .
• Christian Enss, Siegfried Hunklinger: Fizică la temperaturi scăzute. Springer, Berlin 2005, ISBN 978-3-540-23164-6 .
• Fritz London : Superfluide. Dover, New York, 1961.
• KH Bennemann și colab.: Superfluide noi. Volumele 2, Oxford Univ. Press, Oxford 2014, ISBN 978-0-19-872285-4 .
• Andreas Schmitt: Introducere în superfluiditate. Springer, Cham 2015, ISBN 978-3-319-07946-2 .

Link-uri web

Wikționar: superfluiditate  - explicații ale semnificațiilor, originea cuvintelor, sinonime, traduceri

• „Turneele demonstrează în mod clar superfluiditatea litiului” 6 iulie 2005 pe Telepolis

Dovezi individuale

1. ^ Kapitza P: Vâscozitatea heliului lichid sub punctul λ . În: Natura . 141, 1938, p. 74. doi : 10.1038 / 141074a0 .
2. ^ Allen JF, Misener AD: Flux de heliu liguid II . În: Natura . 141, 1938, p. 75. cod bib : 1938Natur.141 ... 75A .
3. ↑ Steven W. Van Sciver: Helium Cryogenics . Springer, New York 2012. ISBN 978-1-4419-9979-5 . În acesta capitolul „Heliu ca fluid cuantic”, pp. 163–226, aici p. 182.
4. ^ DR Allum, PVE McClintock: Defalcarea superfluidității în lichidul ⁴ El: un test experimental al teoriei lui Landau . În: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Seria A, Științe matematice și fizice . 284, 1977, pp. 179-224. doi : 10.1098 / rsta.1977.0008 . , accesat la 10 august 2012.
5. ↑ LHC: ghidul , broșura CERN.