ГЕЛИЙ ЖИДКИЙ

Бесцветная прозрачная жидкость, кипящая при атм, давлении и темп-ре 4,44 К (жидкий 4Не). Плотность жидкого 4Не при 4,2 К=0,13 г/см3, под давлением насыщ. паров он остаётся жидким при всех темп-pax ниже критической Tк=5,20 К. Затвердевает 4Не лишь при давлениях, больших 25 атм (рис. 1). Согласно квант. механике, это объясняется тем, что даже при абс. нуле атомы в Г. ж. движутся (испытывают «нулевые колебания»), что препятствует затвердеванию жидкости (см. КВАНТОВАЯ ЖИДКОСТЬ). Кроме изотопа 4Не в природе существует ещё один устойчивый, но редкий изотоп гелия 3Не (на него приходится =10-7% общей массы гелия, находящегося в воздухе). .

Рис. 1. Диаграмма состояния 4Не.

Критич. темп-pa 3Не равна 3,35 К, критич. плотность 0,064 г/см3. При норм. давлении 3Не, как и 4Не, незамерзающая жидкость, она затвердевает лишь при давлениях ?30 атм. При темп-ре Тl=2,17 К и давлении насыщ. паров 4Не испытывает фазовый переход II рода. Гелий выше этой темп-ры наз. Не I, ниже — Не II. При темп-ре фазового перехода наблюдаются аномалия теплоёмкости (l-точка, рис. 2), излом кривой температурной зависимости плотности Г. ж. (рис. 3). Не I резко отличается по внеш. виду от Не II: первый бурно кипит во всём объёме, а Не II — спокойная жидкость с отчётливой поверхностью. Объясняется это необычайно высокой теплопроводностью Не II, во много млн. раз превосходящей теплопроводность Не I, равную=10-5 кал/(К•см•с), или 4,2•10-5 Дж/(К•м•с). .

Рис. 2. Теплоёмкость 4Не вблизи темп-ры Тl=2,19К (l-точки) при атм. давлении.

В 1938 П. Л. Капица открыл у Не II сверхтекучесть. Объяснение этого явления было дано Л. Д. Ландау (1941) на основе кпантовомеханич. представлений о хар-ре теплового движения в Г. ж. Тепловое движение в Не II при темп-pax, близких к абс. нулю, описывается как существование .

Рис. 3. Плотность r 4Не вблизи l-точки.

в Г. ж. элем. возбуждений (квазичастиц) — фононов, обладающих энергией e=hv (v — частота колебаний) и импульсом р=e/с (с — скорость звука=240 м/с). Число и энергия фононов растут с повышением Т. При Т?0,6 К появляются возбуждения с большими энергиями (ротоны), для к-рых зависимость e(р) имеет нелинейный хар-р. Фононы и ротоны движутся в Г. ж. подобно ч-цам газа. Они обладают импульсом и, следовательно, массой (см. ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА). Отнесённая к 1 см3, эта масса определяет плотность rn т. н. н о р м а л ь н о й компоненты Г. ж. При T

Движение норм. компоненты, как и обычного газа, имеет вязкостный хар-р. Остальная часть Г. ж., т. н. с в е р х т е к у ч а я компонента, движется без трения; её плотность rs=r-rn. При T®Tl rn®r, так что в Ls-точке rs обращается в нуль и сверхтекучесть исчезает (Не I — обычная вязкая жидкость). Т. о., при T

Двухкомпонентность Не II позволяет объяснить ряд наблюдаемых эффектов: при вытекании Не II из сосуда через узкий капилляр темп-pa в сосуде повышается, т. к. вытекает гл. обр. сверхтекучая компонента, не несущая с собой теплоты (т. н. м е х а н о к а л о р и ч е с к и й эффект); при создании разности темп-р между концами закрытого капилляра с Не II в нём возникает движение — сверхтекучая компонента движется от холодного конца к горячему и там превращается в нормальную, к-рая движется навстречу, при этом суммарный поток отсутствует (т е р м о м е х а н и ч е с к и й э ф ф е к т). В Г. ж. наряду с обычным звуком может распространяться т. н. второй звук. Св-ва Г. ж. 3Не существенно отличаются от св-в жидкого 4Не, что связано не только с различием масс атомов 4Не и 3Не, но и с их квантовомеханич. особенностями (атомы 4Не — бозоны, атомы 3Не — фермионы). Сверхтекучим 3Не становится при очень низкой темп-ре (=2,6 мК) под давлением =34 атм. У 3Не существует две сверхтекучие фазы: анизотропная (фаза А) и изотропная (фаза В). Переход обычного 3Не в фазу 3Не-A относится к фазовым переходам II рода, а переход 3Не-A ® 3Не-B — к фазовым переходам I рода (возможны эффекты перегрева и переохлаждения). А-фаза существует в температурном интервале 2,6—2 мК, фаза В — при 7?2 мК (температурные границы существенно зависят от давления).

Большим разнообразием св-в обладают р-ры жидких 4Не и 3Не (особенно сверхтекучие р-ры 3Не — Не II).