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      液氦有什么用?

      文章出處:本站    人氣:1745    發表時間:2019-12-05 14:35:42

      超流動性普通液體的粘滯度隨溫度的下降而增高,與此不同,HeⅠ的粘滯度在溫度下降到2.6K左右時,幾乎與溫度無關,其數值約為3×10-6帕秒,比普通液體的粘滯度小得多。在2.6K以下,HeⅠ的粘滯度隨溫度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滯度在λ點以下的溫度時立刻降至非常小的值(<10-12帕秒),這種幾乎沒有粘滯性的特性稱為超流動性。用粗細不同的毛細管做實驗時,發現流管愈細,超流動性就愈明顯,在直徑小于10-5厘米的流管中,流速與壓強差和流管長度幾乎無關,而僅取決于溫度,流動時不損耗動能。

      對HeⅡ性質的理論研究先由F.倫敦作出。4He原子是自旋為整數的玻色子,倫敦把HeⅡ看成是由玻色子組成的玻色氣體,遵守玻色統計規律,玻色統計允許不同粒子處于同量子態中。倫敦證明了存在個臨界溫度Tc,當溫度低于Tc時,些粒子會同時處于零點振動能狀態(即基態),稱為凝聚,溫度愈低,凝聚到零點振動能狀態的粒子數就愈多,在對零度時,全 部粒子都凝聚到零點振動能狀態,以上現象稱為玻色-愛因斯坦凝聚。L.蒂薩認為HeⅡ的超流動性起因于玻色-愛因斯坦凝聚。由于已凝聚到基態的HeⅡ原子具有低的零點振動能,故有大的平均自由程,能夠幾乎無阻礙地通過細的毛細管。蒂薩先提出二流體型,后來L.D.朗道修正和補充了此模型。二流體模型認為HeⅡ由兩部分立的、可互相滲透的流體組成,種是處于基態的凝聚部分,熵等于零,無粘滯性,是超流體;另種是處于激發態(未凝聚)的正常流體,熵不等于零,有粘滯性。兩種流體的密度之和等于HeⅡ的總密度,溫度降至λ點時,正常流體開始部分地轉變為超流體,溫度愈低,超流體的密度愈大,而正常流體的密度則愈小,在對零度時,所有原子都處于凝聚狀態,流體均為超流體。利用這個二流體模型可解釋關于液氦的許多力學和熱學性質。

      熱傳導HeⅠ具有普通流體的導熱率,因而當減小壓強時,液氦出現激烈的沸騰現象。HeⅡ的導熱率要比HeⅠ高出106倍,比銅高出104倍。當溫度越過λ點,HeⅠ轉變為HeⅡ時,液氦從很壞的熱導體突然變為到目前為止好的熱導體。由于HeⅡ的導熱率異乎尋常地高,其內部不可能出現溫差,因而內部不可能汽化,即不能沸騰。當利用抽氣方法減低蒸氣壓時,開始階段出現激烈的沸騰,溫度降低至λ點以下時,HeⅠ轉變為HeⅡ,沸騰突然停止,液面平靜如鏡,汽化只發生在液面。正常流體的導熱率與溫度梯度無關,純粹是反映物質性質的量,但HeⅡ的導熱率卻與溫度梯度甚至容器的幾何形狀有關。

      氦膜任何與HeⅡ接觸的器壁上覆蓋層液膜,液膜中只包含無粘滯性的超流體成分,稱為氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向盡可能低的位置移動。將空的燒杯部分地浸于HeⅡ中時,燒杯外的液氦將沿燒杯外壁爬上杯口,并進入杯內,直至杯內和杯外液面持平。反之,將盛有液氦的燒杯提出液氦面時,杯內液氦將沿器壁不斷轉移到杯外并滴下。液氦的這種轉移的速率與液面高度差、路程長短和障壁高度無關。

      熱效應包括機-熱和熱-機兩種效應。盛有液氦的兩個容器用細的毛細管C連通,注入液氦,溫度低于λ點,右側液面高于左側,形成壓強差Δp.液氦中低熵超流成分能從右側通過毛細管轉移到左側,而高熵的正常成分不能通過毛細管。這導致右側液氦的熵增加,左側的熵減少,這意味著右側溫度升高而左側溫度降低。這種由機械力引起的熱量遷移稱為機-熱效應。機-熱效應的逆過程稱為熱-機效應。右側液氦受熱后(吸熱Q),低熵的超流成分減少,左側液氦中的超流成分通過毛細管流向右側,而正常成分不能通過毛細管,這導致右側液面升高形成壓強差。熱-機效應的“噴泉”裝置。帶毛細管噴嘴的無底玻璃管的填充金剛砂粉末P,用棉花C塞住底部,浸入液氦中。用光照射玻璃管,使管內的液氦溫度升高,超流成分激發成正常成分。管外的超流成分通過棉花塞向管內轉移,形成內外壓強差,液氦從噴嘴噴出。

      第二聲波普通流體中的聲波是由密度交替變化形成的,稱密度波。1941年朗道發展了量子液體的流體動力學,預言在HeⅡ中除普通密度波(稱第聲波)外,還存在另種聲波,它是由液氦中超流成分(低熵,溫度較低)與正常流體成分(高熵,溫度較高)的相對運動形成的,稱為溫度波或熵波(第二聲波)。實驗證實了溫度波的存在。

      3He是4He的同位素,在天然氦中所占比例小于10-7,通過人工核反應可得足夠數量的3He.3He的臨界溫度和臨界壓強分別為3.34K和1.17大氣壓。與4He樣,在常壓下液態3He不會固化,在對零度附近需加34個大氣壓才能固化。1972年,D.D.奧舍羅夫等人在2mK低溫下發現了兩個3He的液態新相,分別稱為3He-A和3He-B,它們均為超流態。液態3He和4He在0.87K以上溫度時完全互溶,在該溫度以下則分離成兩相,按3He所占比例的多少分別稱為濃相(含3He較多)和稀相(含3He較少),濃相浮于稀相之上(因3He比4He輕)。3He原子從濃相通過界面進入稀相時要吸熱,這就是稀釋致冷機的工作原理(見超低溫技術)。3He原子的電子總自旋為零,核自旋為1/2,故與電子樣屬費米子,遵守費米-狄拉克統計,液態3He稱為費米液體,正常態的液態3He的性質可用朗道的費米液體理論描述。

      在本世紀初的幾十年里,各國都在尋找氦氣資源,在當時主要是為了充飛艇。但是到了今天,氦不僅用在飛行上,科學研究,現代化工業技術,都離不開氦,而且用的常常是液態的氦,而不是氣態的氦。液態氦把人們引到個新的域——低溫。

      在液態空氣的溫度下,氦和氖仍然是氣體;在液態氫的溫度下,氖變成了固體,可是氦仍然是氣體。


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