Физика квантовых жидкостей. Часть первая.

Физика квантовых жидкостей

В природе встречаются самые разнообразные жидкости. Они отличаются друг от друга многими свойствами, но механические свойства у них сходны. Течение жидкостей по трубам подчиняется одному и тому же закону, распространение звука в них и многие другие явления происходят одинаково. Например, хотя звук в разных жидкостях распространяется с разной скоростью, всегда звуковая волна представляет собой последовательность сжатий и разрежении среды. Причем сказанное относится не только к тем жидкостям, которые мы привыкли видеть жидкими при комнатных температурах, но также и к жидким газам: кислороду, азоту и другим. Единственное исключение — жидкий гелий при низких температурах.

В 1938 году академик П. Л. Капица обнаружил, что ниже определенной температуры сжиженный гелий обладает свойством сверхтекучести: он протекает через узкие трубки или щели без всякого трения. Для поддержания потока сверхтекучего гелия в трубке не нужен перепад давлений, гелий течет сам, его не надо перекачивать насосом. Открытие П. Л. Капицы положило начало новой области физики — физике квантовых жидкостей. (К слову для того, чтобы его открытие распространилось по миру, необходимо было сделать качественный перевод технических документов, связанных с научными экспериментами по квантовой физике).

В настоящее время известны следующие жидкости, которые объединяются под этим названием. Это, во-первых, два жидких изотопа гелия: жидкий гелий с атомным весом 4 (Не4) и жидкий гелий с атомным весом 3 (Не3). Во-вторых, к квантовым жидкостям относятся так называемые «свободные» электроны в металлах. Именно с этими электронами связана большая электропроводность и теплопроводность металлов. Изучение квантовых жидкостей ведется при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Дело в том, что при более высоких температурах необычные свойства этих жидкостей либо исчезают вовсе, как это имеет место в гелии, либо начинают заслоняться всякими побочными явлениями, как у «свободных» электронов в металлах.

Итак, о квантовых жидкостях. Как известно, всякое тело состоит из атомов и молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом. Интенсивность движения растет с увеличением температуры. При высоких температурах, когда кинетическая энергия частиц превышает потенциальную энергию их взаимодействия друг с другом, вещество находится в газообразном состоянии. При понижении температуры оно переходит сначала в жидкость, а затем в твердое тело, атомы которого образуют правильную кристаллическую решетку. Но даже в кристаллической решетке атомы не неподвижны, они колеблются относительно положений равновесия. Амплитуда этих колебаний зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. При высоких температурах, когда амплитуда колебаний сравнивается с межатомными расстояниями, кристаллическая решетка разрушается — твердое тело переходит в жидкость.

При понижении температуры амплитуда колебаний уменьшается, однако, согласно современным представлениям, даже при абсолютном нуле температуры колебания атомов не прекращаются. Эти колебания, остающиеся при абсолютном нуле, называются нулевыми колебаниями.

Амплитуда нулевых колебаний тем больше, чем меньше масса атомов и чем слабее они взаимодействуют друг с другом. Нетрудно понять, что вещество, у которого амплитуда нулевых колебаний была бы больше межатомных расстояний, никогда не смогло бы затвердеть и оставалось бы жидким даже при понижении температуры до абсолютного нуля. Как ни странно, в природе есть такое вещество — это гелий.

Природный газ гелий состоит практически целиком из изотопа с атомным весом 4. Он сжижается при атмосферном давлении и при температуре 4,2° по шкале Кельвина (шкала температур, отсчитываемых от абсолютного нуля) и остается жидким, как бы сильно его ни охлаждали.

Из природного гелия можно выделить очень редкий изотоп — гелий-3 (в природном гелии один атом гелия-3 приходится на миллион атомов гелия-4). Обычно же гелий-3 получают искусственным путем: Не3 является продуктом радиоактивного распада трития — водорода с атомным весом 3. Последний изготовляется в ядерных реакторах, где происходит превращение дейтерия — «тяжелого водорода» с атомным весом 2 — в тритий. Гелий-3 сжижается при температуре 3,2еК и не затвердевает при дальнейшем понижении температуры.

Теперь о металлах. Хотя атомы в них и образуют кристаллическую решетку, но часть электронов, а именно те, которые находятся во внешних, или, как говорят, валентных, оболочках атомов, обладают большой свободой перемещения внутри металла. (Объясняется это тем, что валентные оболочки различных атомов заметно перекрывают друг друга.) В результате электроны и металле образуют «жидкость», состоящую из взаимодействующих частик, причем эта «жидкость» тоже не «затвердевает» при понижении температуры. В отличие от жидкого гелия электронная жидкость «налита» не в сосуд, а в кристаллическую решетку, состоящую из ионов, и удерживается в ней кулоновскими силами взаимодействия электрических зарядов.

Существование нулевых колебаний и незамерзающих жидкостей нельзя понять на основании обычной классической механики Ньютона. (Ведь, согласно механике Ньютона, тело имеет наименьшую энергию в состоянии покоя, и ничто не препятствует тому, чтобы тело при понижении температуры перешло в такое состояние.) Понять эти явления можно только с позиций квантовой механики.

Одним из основных положений квантовой механики является принцип неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, никакой объект не может иметь одновременно строго определенное положение в пространстве и определенную скорость. Квантовая неопределенность фактически несущественна, когда речь идет о движении больших объектов, но приобретает огромное значение, когда речь идет об отдельных атомах или частицах. В частности, согласно принципу неопределенности, ни одна частица не может покоиться в заданной точке пространства. Отсюда следует, что кристаллическая решетка, состоящая из покоящихся атомов, противоречит квантовой механике и не может существовать в природе.

Ввиду того, что уже само существование квантовых жидкостей является следствием квантовой механики, можно ожидать, что и их свойства, во всяком случае, при низких температурах, будут сильно отличаться от свойств обычных жидкостей. Общие представления о свойствах квантовых жидкостей были разработаны академиком Л. Д. Ландау. За эти работы ему была присуждена Нобелевская премия.

Теория Л. Д. Ландау основывается на том, что, согласно квантовой механике, всякая система частиц (в частности, отдельные атомы и молекулы) может получать и отдавать энергию только порциями, квантами. При поглощении светового кванта атом переходит, как говорят, в возбужденное состояние. Это же относится и к системе, состоящей из большого количества атомов или молекул, но при этом картина возбужденного состояния будет, вообще говоря, иной. Ведь поглощенный квант энергии относится теперь не к одному атому, а ко всей системе в целом.

Л. Д. Ландау высказал предположение, что такой поглощенный квант ведет себя, как какая-то частица, перемещающаяся в объеме системы. Эти частицы были названы им квазичастицами, или элементарными возбуждениями. Из теории Л. Д. Ландау следовало, что система взаимодействующих частиц в возбужденном состоянии ведет себя так же, как газ квазичастиц, заключенный в объеме системы. Число квазичастиц увеличивается с повышением температуры, иными словами, температура тела определяется плотностью газа квазичастиц. Конечно, эта концепция применима только при низких температурах, когда система находится в слабовозбужденном состоянии и количество квазичастиц мало. При повышении температуры плотность квазичастиц растет, они начинают сильно взаимодействовать друг с другом, и вся концепция теряет смысл.

Зная свойства отдельных квазичастиц, и законы их взаимодействия друг с другом, можно определить все свойства системы при низких температурах. Следует отметить, что эти представления относятся не только к жидкостям, но вообще к любым телам, состоящим из большого числа атомов, если только они находится при достаточно низкой температуре.

Теперь рассмотрим физические следствия, к которым приводит эта картина. Начнем с жидкого Не4. Как уже было сказано в начале этой статьи, жидкий Не4 обладает сверхтекучестью. Это свойство получило объяснение в теории Л. Д. Ландау. Рассмотрим трубку, по которой течет гелий. Находящиеся в гелии квазичастицы взаимодействуют друг с другом и со стенками трубки, а поэтому, если трубка узкая, они не проходят через трубку и «отфильтровываются». Допустим, что, тем не менее, гелий тормозится. Это означает изменение его энергии и количества движения. Но ведь такое изменение может произойти только одним способом — путем появления в гелии новых квазичастиц. Как показал Л. Д. Ландау, появление новых возбуждении в текущем гелии возможно только при скоростях течения, превышающих некоторую критическую скорость. При меньших скоростях новые квазичастицы не могут появиться в гелии, и он течет без трения.

Уже в этом рассуждении видно, что элементарные возбуждения можно отфильтровать, иными словами, возможно движение жидкого гелия, при котором газ квазичастиц покоится и гелий ведет себя как сверхтекучая жидкость. Наоборот, если движется газ возбуждений, то он взаимодействует со стенками и ведет себя как вязкая жидкость. Таким образом, в гелии возможны два вида движений: сверхтекучее и вязкое.

Гелий для большей наглядности можно представить как смесь двух жидкостей: сверхтекучей и нормальной. При движении гелия по узкой трубке перемещается только одна сверхтекучая компонента, и поэтому вязкость при таком течении не обнаруживается. Однако если в жидком гелии будет двигаться какой-то предмет, то он будет чувствовать вязкость нормальной части. Например, тело, падающее в гелии, будет испытывать сопротивление нормальной части; если подвесить в гелий маятник, его колебания будут затухать и т. д.

Автор: А. Абрикосов.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *