1 1.2. Сверхтекучесть 4Не

Рассмотрим наиболее известные опыты академика П.Л. Капицы, которые не только демонстрируют виртуозность техники физического эксперимента, но и позволили обнаружить уникальное физическое явление – сверхтекучесть.

П.Л. Капицей была продумана идея экспериментов и под его руководством создан ряд демонстрационных приборов. Все их детали выполнены из стекла. Рассмотрим один из интересных вариантов. В гелий II погружена, как показано на рис. 11.4 вакуумированная колбочка 1. Вблизи дна колбы установлен нагреватель 2. При пропускании тока в нем выделяется тепло и через горловину колбы 3 непрерывно вытекает поток «нагретого» гелия. Этот поток может быть обнаружен и измерен с помощью легкого крылышка, которое отклоняется под действием потока (на рисунке не показано).

Э тот прямой поток гелия, вытекающий из колбы, должен был вызвать уменьшение его уровня в самой колбе, но этого в опыте не наблюдается. Каким образом он попадает во внутрь? Отметим, что гелий II в отличие от гелия I может вытекать из щели размерами 5∙ 10^-4 см = 0,05 мкм с большой скоростью, в то время как гелий I еле просачивается. Все это говорит о том, что ниже  точки происходят изменения ряда физических свойств жидкого гелия. Так гелий II имеет теплопроводность, в миллион раз превышающую теплопроводность меди или серебра в тех же внешних условиях.

Рассмотрим другой эксперимент того же плана (рис.11.5). В сосуд Дьюара с гелием II погружен на подставке из стекла паучок (рис. 11.5, а). Этот подвижный элемент (рис. 11.5, б) представляет собой два стеклянных сосудика 2 вставленные один в другой. Причем наружняя поверхность внутреннего сосуда зачернена для того, чтобы сфокусированный линзой 3 луч света нагревал сверхтекучий гелий II между стенками, так называемой, бульбочки. При нагреве гелий II переходит в гелий I и истекает по поверхности внутреннего сосуда, который заканчивается изогнутыми, как показано на рисунке, ножками паучка 4 и стекает по ним. Возникает реактивная сила, и весь паучок начинает вращаться, т.к. он посажен на вертикальную иглу 1 из стекла, расположенную на неподвижном основании. Таким образом, эти эксперименты также демонстрировали наличие и необычные свойства сверхтекучего гелия.

Во всех этих опытах, как мы отмечали, экспериментально обнаруживался лишь прямой поток гелия, в то время как обратный - не был замечен. Капица уменьшал отверстие, изменял его форму до щели размером 0,14 мкм, менял размеры подвижного элемента, но изменений в характере движения все равно не обнаружил: не было видимого обратного потока.

С тем, чтобы объяснить возникший парадокс, Капица обратился к представлениям об обратимости тепловых явлений. Обратимыми явлениями в термодинамике (работы Карно) считаются такие теоретические процессы, в которых тепло превращается в работу и обратно работа в тепло, причем при этом не происходит рассеяния тепла. Конечно, полностью обратимых процессов в природе вообще не существует, но к ним можно подходить очень близко. Переход тепла в движение гелия, которое наблюдается в эксперименте, необходимо было исследовать на предмет возникновения градиента температуры, т.е. производить нагрев гелия на одном конце трубки (колбы), то он должен двигаться в сторону более холодного конца, что наблюдалось в некоторых экспериментах. Исходя из предположений об обратимости тепловых процессов должно возникать и обратное явление, вынужденное движение гелия должно сопровождаться появлением разности температур. Тогда в системе, показанной на рис. 11.6 и теплоизолированной разность давлений в сосудах 1 и 3, соединенных капилляром 2 создает движущую силу в прямом направлении. Действительно в результате возникшей сверхтекучести в сосудах 1 и 3 появляется разность температур Т, которая обусловлена только обратным потоком, созданным сверхтекучим гелием.

И в опыте со щелью, таким образом, также удалось показать, что за счет вынужденного движения гелия из-за перепада давления действительно возникает разность температур. Было выявлено, что явления в жидком гелии II протекают термодинамически обратимо. Обратимость термодинамических явлений в жидком гелии представляется чрезвычайно важным обстоятельством.

Наконец отметим, что автор этого открытия, в принципе, получил метод понижения температуры ниже  - точки вплоть до абсолютного нуля и теоретически ничем неограниченный.