Свойства веществ при низких температурах. Жидкий гелий
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
µршенно прозрачным. Что-то произошло, но он остался жидким. Хорошо видна его свободная поверхность и мениск возле стенки. Если качнуть прибор, то гелий начинает колебаться и не успокаивается очень долго.
Продолжим откачку. Камерлин-Оннесу в первых опытах удалось добраться до температуры 1,4 К, через десять с лишним лет до 0,8 К, т.е. до температуры в семь раз ниже критической, но гелий все еще остался жидким. А ведь для водорода, например, тройная точка лежит при ~14 К, критическая при Тк?33 К, различие всего лишь в два с небольшим раза. Сейчас ученые добрались уже до тысячных кельвина, и картина та же, и нет никаких сомнений, что вплоть до абсолютного нуля с парами гелия граничит жидкость. Значит, у гелия нет тройной точки. Это единственное вещество, обладающее таким свойством. Нарисуем фазовую диаграмму гелия, на которую мы уже можем нанести линию пар-жидкость (рис. 2) и поместить на ней особую точку, в которой прекратилось кипение при ~2,17 К.
Итак, сразу два необычных явления видно буквально невооруженным глазом. Надо понять, почему гелий перестал кипеть и почему он не становится твердым. Объяснить, почему гелий не затвердевает, можно, если воспользоваться законом квантовой механики, называемым "принцип неопределенности". Согласно этому закону, если область движения частицы ограничена, то ее импульс не может стать равным нулю, т.е. никогда не может быть достигнут абсолютный покой. Даже при Т=0 остается движение, по уже не тепловое, а квантовое. В атомах это движение электронов на своих орбитах, в макроскопических телах - колебания атомов относительно друг друга, которые так и называются "нулевые колебания".
Выясним, какое отношение принцип неопределенности имеет к тому, что гелий не замерзает. Можно сказать, что конденсация вещества - это процесс ограничения области пространства, отводимой каждой из частиц. Значит, при конденсации должна увеличиваться кинетическая энергия атомов. Подсчитаем это увеличение для жидкого гелия: при Т=0, его плотность равна 0,145 г/см3, атомная масса 4. На один атом приходится объем см3. Значит, диаметр занимаемой атомом области A. А так как , то энергия нулевых колебаний атомов гелия имеет величину порядка Дж.
Эта энергия в шкале температур соответствует 10 К. Для плавления твердых тел все равно, какая причина заставляет колебаться атомы - тепловое движение или законы квантовой механики. Потому-то жидкий гелий и не кристаллизуется: его охлаждение от температуры кипения до абсолютного нуля почти не изменяет кинетическую энергию. Это обстоятельство и послужило причиной того, что жидкий гелий стали называть квантовой жидкостью, подчеркивая то громадное влияние, которое оказывают на его свойства законы микромира.
У водорода энергия нулевых колебаний, еще выше, чем у гелия, но зато и взаимодействие молекул значительно сильнее, так что он уже кристаллизуется. Ну, а всех других веществ нулевые колебания вообще слабо сказываются на их фазовых превращениях.
Твердый гелий получить все же удалось. В принципе это оказалось не очень сложным - нужно было только приложить к жидкому гелию давление ~30 атм., и он кристаллизовался. Впервые такой эксперимент осуществил Кеезом, долгое время работавшим вместе с Камерлинг-Оннесом и продолжившим его дело.
Вернемся к диаграмме состояния гелия. Линия жидкость-пар на ней уже есть, теперь можно нанести и линию жидкость-твердое тело. И тут появляется еще одно интересное обстоятельство - касательная к этой линии при Т=0 горизонтальна. Обычно давление , при котором происходит фазовый переход, растет с ростом температуры. Давление насыщенного пара
,
где q - теплота испарения, приходящаяся на одну молекулу. Значит, чем больше q, тем быстрее падает до нуля при уменьшении температуры. Но для гелия не падает до нуля и мы неизбежно должны придти к заключению, что для гелия при Т?0 теплота перехода тоже стремится к нулю. Только при этом условии q/T не будет бесконечно возрастать, а уменьшаться до нуля.
Собственно, иного нельзя было и ожидать. Ведь если бы внутренняя энергия, например, твердого гелия при T=0 и P=Pф.п. была бы хоть чуть-чуть меньше, чем жидкого, то, согласно формуле Больцмана, было бы невозможно наблюдать их одновременно - число атомов гелия в жидкой фазе было бы порядка , т.е. равно нулю.
Отсутствие теплоты перехода было обнаружено давно, и не только по зависимости Рф.п.(Т), но прямыми калориметрическими измерениями. И уже начало казаться, что больше никаких сюрпризов ожидать не приходится. Выяснилось, что это не так, и квантовые свойства гелия, обеспечившие равенство нуля теплоты перехода, послужили причиной еще одного явления, разыгрывающегося на границе жидкого и кристаллического гелия. Оказывается, что у кристалла гелия есть грани атомно-жидкие - это те грани, на которых атомы на поверхности расположены близко друг к другу. При росте кристалла эти грани остаются все время совершенно плоскими. А другие грани, на которых атомы разнесены друг от друга на большое расстояние - шероховатые, и в их направлении кристалл растет очень быстро, но без всякой огранки. Скругленная форма ребер, так же как и для капель воды диктуется тем, что есть силы поверхностного притяжения, стремящиеся уменьшить площадь границы.
Чем ближе температура к абсолютному нулю, тем быстрее могут расти кристаллы гелия, и скорость их роста ограничивается единственным фактором - инерцией, так как нет ни выделения, ни поглощения тепла. А инерция связана с тем, что плотност?/p>