40. Надтекучість рідкого гелію.

У 1941 році Ландау теоретично обгрунтував надтекучість гелію.

Розлянемо деякі основи сучасних квантових уявлень про надтекучість гелію II. Перш за все слід сказати, що тільки квантова теорія пояснила, чому саме гелій є єдиною незамерзаючої рідиною при дуже низьких температурах і нормальному тиску. Квантова теорія показує, що, на відміну від класичних уявлень, при будь як завгодно низькій температурі речовини (в тому числі і при Т 0) існують нульові коливання атомів і молекул. Їм відповідає деяка нульова енергія, яку неможливо відняти у речовини. Відповідь на питання про те, чи залишається речовина поблизу абсолютного нуля рідким або твердим, залежить від того, що відіграє визначальну роль - межмолекулярное тяжіння, що викликає утворення кристалічної решітки, або нульові коливання, що перешкоджають цьому утворенню.

Виявилося, що здогад Ландау аріадніной ниткою призводить до пояснення надплинності гелію. Це випливає з самої картини енергетичного спектру, такого, яким намалював йогоЛандау.

При дуже низьких температурах (поблизу абсолютного нуля) відкриті незвичайні властивості матерії - надпровідність деяких металів, надтекучість гелію та інші.

При температурах, близьких до абсолютного нуля, виявляються вельми незвичайні властивості речовин, такі як надпровідність металів, тобто майже повна відсутність електричногоопору, і надтекучість гелію, тобто майже повне зникнення в'язкості.

При охолодженні рідкого гелію нижче температури 217 К, яка носить назву К-точки, в ньому виникає квантова конденсація, частково нагадує конденсацію куперовських пар в надпровіднику.Подібний конденсований стан, відомий як надтекучість гелію, або гелій II, характеризується дуже малим коефіцієнтом в'язкості, великою теплоємністю і хорошою теплопровідністю. У надтекучому гелії спостерігаються також великі значення коефіцієнта теплопередачі на межі з металом. У зв'язку з цим неодноразово висловлювалися припущення про можливість використання надтекучого гелію в якості хладоагента для стаціонарної стабілізації надпровідних магнітів. При такому підході крім збільшення запасу стабільності та коефіцієнта заповнення обмотки надпроводником зростає критична щільність струму в надпровіднику за рахунок пониження температури.

Для спостереження надплинності виготовляється посудину, в дні якого є дуже вузька щілина - шириною всього лише в полмікрона. Звичайна рідина майже непросочується крізь таку щілину; так поводиться і гелій при температурі вище 219 К - Але ледве тільки температура стає нижче 219 К, швидкість витікання гелію стрибком зростає принаймні в тисячі разів. Надтекучість гелію призводить до ще більш дивним явищу.Гелій II здатний сам вилазити зі склянки чи пробірки, куди він налитий.

Гелій II протікає через капіляри практично без тертя. Це властивість гелію II було названо надплинності гелію.

41. Модель двох рідин.

Дворідинна модель. В 1940-1941 фізики Л.Ландау й Л.Тиса незалежно один

від одного запропонували теоретичну модель надтекучого гелію. Нижче 2,17

К рідкий гелій розглядається як суміш двох рідин: нормальної й

надтекучої. Нормальна рідина має властивості звичайної грузлої рідини. Надтекучий же компонент має нульову в'язкість, а також нульову ентропію

й ентальпію. Трохи нижче температури переходу 2,17 К більшу частину

рідини становить нормальний компонент, а надтекучий - тільки малу

частину. При подальшому охолодженні рідин надтекучої фракції стає усе

більше, і нижче 1 К рідина майже повністю виявляється надтекучою. На

основі такої моделі передбачений новий тип звукових хвиль (другий звук),

які можуть поширюватися у надтекучої рідини. Другий звук - це хвиля

температури, що реєструється за допомогою термометра (звичайні звукові

хвилі - це хвилі тиску, які фіксуються мікрофоном). Експериментальне

спостереження другого звуку (Москва, 1944) підтвердило багато аспектів

дворідинної моделі.

42. Фізика плазми.Плазмовий стан речовини.

ПЛАЗМА - частково або повністю іонізований газ, в якому щільності позитивних і негативних зарядів практично однакові. У лабораторних умовах плазма утворюється в електричному розряді в газі, в процесахгоріння і вибуху. Термін "плазма" у фізиці був введений в 1929 американськими вченими І. Ленгмюром і Л. Тонксом. Речовина, розігріте до температури в сотні тисяч і мільйони градусів, вже не може складатися із звичайних нейтральних атомів. При таких високих температурах атоми стикаються один з одним з такою силою, що не можуть зберегтися в цілісності. При ударі атоми поділяються на більш дрібні складові - атомні ядра й електрони. Ці частинки наділені електричними зарядами: електрони - негативним, а ядра - позитивним. Суміш цих частинок, звана плазма представляє собою своєрідний стан речовини, яка дуже сильно відрізняється від відносно холодного газу за властивостями. Під плазмою у фізиці розуміють газ, що складається з електрично заряджених і нейтральних частинок, в якому сумарний електричний заряд дорівнює нулю, тобто, виконана умова квазінейтральності. Середні кінетичні енергії різних типів частинок, що складають плазму, можуть бути різними. Тому в загальному випадку плазму характеризують не одним значенням температури, а кількома - розрізняють електронну температуру Т _е, іонну температуру Т _i і температуру нейтральних атомів Т _а. Плазму з іонною температурою Т _i <10 ⁵ К називають низькотемпературної, а з Т _i> 10 ⁶ К - високотемпературної. Високотемпературна плазма є основним об'єктом дослідження з УТС. Низькотемпературна плазма знаходить застосування в газорозрядних джерелах світла, газових лазерах. 

Ступінь іонізації визначається як відношення числа іонізованних часток до загального числа частинок. Для низькотемпературних плазм характерні малі ступеня іонізації (<1%). Так як такі плазми досить часто вживаються в плазмових технологіях їх іноді називають технологічними плазмами. Найчастіше їх створюють за допомогою електричних полів, які прискорюють електрони, які в свою чергу ионизуют атоми.Електричні поля вводяться в газ за допомогою індуктивного або ємнісний зв'язку. Типові застосування низькотемпературних плазм включають плазмову модифікацію властивостей поверхні, плазмове травленняповерхонь (напівпровідникова промисловість), очищення газів і рідин (озонування води і спалювання частинок сажі в дизельних двигунах). Гарячі плазми крові майже завжди повністю ионизована (ступінь іонізації ~ 100%). Зазвичай саме вони розуміються під «четвертим агрегатним станом речовини». Прикладом може служити Сонце.  v Щільність  Крім температури, яка має фундаментальну важливість для самого існування плазми, другим найбільш важливою властивістю плазми є щільність. Слово щільність плазми зазвичай позначає щільність електронів, тобто число вільних електронів в одиниці об'єму (строго кажучи, тут, щільністю називають концентрацію - не масу одиниці об'єму, а число часток в одиниці об'єму). Щільність іонів пов'язана з нею за допомогою середнього зарядового числа іонів. Наступною важливою величиною є щільність нейтральних атомів n _0. У гарячій плазмі n ₀ мала, але може проте бути важливою для фізики процесів в плазмі.  v квазінейтральності  Так як плазма є дуже добрим провідником, електричні властивості мають важливе значення. Потенціалом плазми або потенціалом простору називають середнє значення електричного потенціалу в даній точці простору. У разі якщо в плазму внесено яке-небудь тіло, його потенціал у загальному випадку буде менше потенціалу плазми внаслідок виникнення дебаєвсьного шару. Такий потенціал називають плаваючим потенціалом. Унаслідок хорошою електричної провідності плазма прагне екранувати всі електричні поля. Це призводить до явища квазінейтральності - щільність негативних зарядів з хорошою точністю дорівнює щільності позитивних зарядів. У силу гарної електричної провідності плазми поділ позитивних і негативних зарядів неможливо на відстанях великих Радіус Дебая і часи великих періоду плазмових коливань. Прикладом неквазінейтральной плазми є пучок електронів. Однак щільність не-нейтральних плазм повинна бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулонівського відштовхування. 

43. Основні характеристики плазми.

Основна властивість плазми - прагнення до електричної нейтральності - є наслідком взаємодії полів окремих заряджених частинок. У плазмі, що є сумішшю заряджених частинок різного знаку, сили тяжіння, що діють між різнойменно зарядженими частинками, врівноважуються силами відштовхування однойменно заряджених частинок. Враховуючи статистичний характер розподілу часток у плазмі, говорять не про повну електричної нейтральності, а про квазінейтральності плазми. Квазінейтральність означає, що сумарний заряд кожної одиниці об'єму плазми q = n + + n-+ ne? 0.

У нейтральному газі мірою середньої кінетичної енергії хаотичного руху частинок є температура газу Т, що визначається з співвідношення 1/2 mw2 = 3/2 kT, де m - маса частинок газу, w - середня швидкість їх хаотичного руху, k - постійна Больцмана. Таким же чином характеризують і середню енергію частинок плазми.

У цьому випадку середня енергія електронів та іонів може характеризуватися температурою відповідно Te і Ті.

(Mewe2) / 2 = 3/2 kTe

(Mіwі2) / 2 = 3/2 kTі

У слабких електричних полях і в сталому режимі середні енергії електронної та іонної складових плазми рівні між собою і дорівнюють середній енергії нейтральних частинок, що відповідає Te = Tи = Тгаза. Такий стан означає повне термодинамічна рівновага, і плазма називається рівноважної.

У сильних електричних полях енергія, що купується електронами від поля, виявляється істотно більше енергії іонів через сильний відмінності в швидкостях частинок. Енергія електронів при обмеженому часі взаємодії не встигає вирівнятися з енергією іонів. Тому в такій плазмі Te >> Tи = Тгаза. Такий стан характеризує нерівноважну плазму.

Навіть у нерівноважної плазмі, що утворюється, наприклад, в каналі лідера, через відхилення в розподілі щільності часток можуть утворитися області, в яких плазма близька рівноважної. Такі області називають областями локального (місцевого) термодинамічної рівноваги.