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液氦有什么用?

文章出处:本站    人气:455    发表时间:2019-12-05 14:35:42

超流动性普通液体的粘滞度随温度的下降而增高,与此不同,HeⅠ的粘滞度在温度下降到2.6K左右时,几乎与温度无关,其数值约为3×10-6帕秒,比普通液体的粘滞度小得多。在2.6K以下,HeⅠ的粘滞度随温度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滞度在λ点以下的温度时立刻降至非常小的值(<10-12帕秒),这种几乎没有粘滞性的特性称为超流动性。用粗细不同的毛细管做实验时,发现流管愈细,超流动性就愈明显,在直径小于10-5厘米的流管中,流速与压强差和流管长度几乎无关,而仅取决于温度,流动时不损耗动能。

对HeⅡ性质的理论研究先由F.伦敦作出。4He原子是自旋为整数的玻色子,伦敦把HeⅡ看成是由玻色子组成的玻色气体,遵守玻色统计规律,玻色统计允许不同粒子处于同量子态中。伦敦证明了存在个临界温度Tc,当温度低于Tc时,些粒子会同时处于零点振动能状态(即基态),称为凝聚,温度愈低,凝聚到零点振动能状态的粒子数就愈多,在对零度时,全部粒子都凝聚到零点振动能状态,以上现象称为玻色-爱因斯坦凝聚。L.蒂萨认为HeⅡ的超流动性起因于玻色-爱因斯坦凝聚。由于已凝聚到基态的HeⅡ原子具有低的零点振动能,故有大的平均自由程,能够几乎无阻碍地通过细的毛细管。蒂萨先提出二流体型,后来L.D.朗道修正和补充了此模型。二流体模型认为HeⅡ由两部分立的、可互相渗透的流体组成,种是处于基态的凝聚部分,熵等于零,无粘滞性,是超流体;另种是处于激发态(未凝聚)的正常流体,熵不等于零,有粘滞性。两种流体的密度之和等于HeⅡ的总密度,温度降至λ点时,正常流体开始部分地转变为超流体,温度愈低,超流体的密度愈大,而正常流体的密度则愈小,在对零度时,所有原子都处于凝聚状态,全部流体均为超流体。利用这个二流体模型可解释关于液氦的许多力学和热学性质。

热传导HeⅠ具有普通流体的导热率,因而当减小压强时,液氦出现激烈的沸腾现象。HeⅡ的导热率要比HeⅠ高出106倍,比铜高出104倍。当温度越过λ点,HeⅠ转变为HeⅡ时,液氦从很坏的热导体突然变为到目前为止好的热导体。由于HeⅡ的导热率异乎寻常地高,其内部不可能出现温差,因而内部不可能汽化,即不能沸腾。当利用抽气方法减低蒸气压时,开始阶段出现激烈的沸腾,温度降低至λ点以下时,HeⅠ转变为HeⅡ,沸腾突然停止,液面平静如镜,汽化只发生在液面。正常流体的导热率与温度梯度无关,纯粹是反映物质性质的量,但HeⅡ的导热率却与温度梯度甚至容器的几何形状有关。

氦膜任何与HeⅡ接触的器壁上覆盖层液膜,液膜中只包含无粘滞性的超流体成分,称为氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向尽可能低的位置移动。将空的烧杯部分地浸于HeⅡ中时,烧杯外的液氦将沿烧杯外壁爬上杯口,并进入杯内,直至杯内和杯外液面持平。反之,将盛有液氦的烧杯提出液氦面时,杯内液氦将沿器壁不断转移到杯外并滴下。液氦的这种转移的速率与液面高度差、路程长短和障壁高度无关。

热效应包括机-热和热-机两种效应。盛有液氦的两个容器用细的毛细管C连通,注入液氦,温度低于λ点,右侧液面高于左侧,形成压强差Δp.液氦中低熵超流成分能从右侧通过毛细管转移到左侧,而高熵的正常成分不能通过毛细管。这导致右侧液氦的熵增加,左侧的熵减少,这意味着右侧温度升高而左侧温度降低。这种由机械力引起的热量迁移称为机-热效应。机-热效应的逆过程称为热-机效应。右侧液氦受热后(吸热Q),低熵的超流成分减少,左侧液氦中的超流成分通过毛细管流向右侧,而正常成分不能通过毛细管,这导致右侧液面升高形成压强差。热-机效应的“喷泉”装置。带毛细管喷嘴的无底玻璃管的填充金刚砂粉末P,用棉花C塞住底部,浸入液氦中。用光照射玻璃管,使管内的液氦温度升高,超流成分激发成正常成分。管外的超流成分通过棉花塞向管内转移,形成内外压强差,液氦从喷嘴喷出。

第二声波普通流体中的声波是由密度交替变化形成的,称密度波。1941年朗道发展了量子液体的流体动力学,预言在HeⅡ中除普通密度波(称第声波)外,还存在另种声波,它是由液氦中超流成分(低熵,温度较低)与正常流体成分(高熵,温度较高)的相对运动形成的,称为温度波或熵波(第二声波)。实验证实了温度波的存在。

3He是4He的同位素,在天然氦中所占比例小于10-7,通过人工核反应可得足够数量的3He.3He的临界温度和临界压强分别为3.34K和1.17大气压。与4He样,在常压下液态3He不会固化,在对零度附近需加34个大气压才能固化。1972年,D.D.奥舍罗夫等人在2mK低温下发现了两个3He的液态新相,分别称为3He-A和3He-B,它们均为超流态。液态3He和4He在0.87K以上温度时完全互溶,在该温度以下则分离成两相,按3He所占比例的多少分别称为浓相(含3He较多)和稀相(含3He较少),浓相浮于稀相之上(因3He比4He轻)。3He原子从浓相通过界面进入稀相时要吸热,这就是稀释致冷机的工作原理(见超低温技术)。3He原子的电子总自旋为零,核自旋为1/2,故与电子样属费米子,遵守费米-狄拉克统计,液态3He称为费米液体,正常态的液态3He的性质可用朗道的费米液体理论描述。

在本世纪初的几十年里,各国都在寻找氦气资源,在当时主要是为了充飞艇。但是到了今天,氦不仅用在飞行上,尖端科学研究,现代化工业技术,都离不开氦,而且用的常常是液态的氦,而不是气态的氦。液态氦把人们引到个新的域——低温。

在液态空气的温度下,氦和氖仍然是气体;在液态氢的温度下,氖变成了固体,可是氦仍然是气体。


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