БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (СВ)

Потенциальность течения сверхтекучей компоненты может нарушаться на осях т. н. квантованных вихрей, которые отличаются от вихрей в обычных жидкостях (см. Вихревое движение ) тем, что циркуляция скорости вокруг оси вихря квантуется (Л. Онсагер, 1948; Р. Фейнман, 1955). Квант циркуляции скорости равен h/m. Квантованные вихри осуществляют взаимодействие между сверхтекучей и нормальной компонентами сверхтекучей жидкости. Это взаимодействие приводит хотя и к слабому, но конечному затуханию потока сверхтекучей жидкости в замкнутом канале. При некоторой скорости движения сверхтекучей компоненты относительно нормальной компоненты или стенок сосуда квантованные вихри начинают образовываться настолько интенсивно, что свойство С. исчезает. В рамках этой теории С. пропадает при скоростях, существенно меньших предсказываемых теорией Ландау и более близких к реальным значениям критической скорости. Квантованные вихри наблюдаются экспериментально при вращении сосуда с Не II. Кроме того, в экспериментах с ионами, инжектируемыми в Не II, обнаружены квантованные вихри, имеющие форму кольца.

Сверхтекучесть 3He.При определённых условиях С. может осуществляться и в системах, состоящих из атомов с полуцелым спином — фермионов (в т. н. ферми-жидкостях). Это происходит в том случае, когда между фермионами имеются силы притяжения, которые приводят к образованию связанных состояний пар фермионов, т. н. куперовских пар (см. Купера эффект ) . Куперовские пары обладают целым спином, поэтому могут образовывать Бозе-конденсат. С. такого рода осуществляется для электронов в некоторых металлах и носит название сверхпроводимости. Аналогичная ситуация имеет место в жидком 3He, атомы которого имеют спин 1/ 2и образуют типичную квантовую ферми-жидкость. Свойства ферми-жидкости можно описать как свойства газа квазичастиц-фермионов с эффективной массой примерно в 3 раза большей, чем масса атома 3He. Силы притяжения между квазичастицами в 3He очень малы, лишь при температурах порядка нескольких мК в 3He создаются условия для образования куперовских пар квазичастиц и возникновения С. Открытию С. у 3He способствовало освоение эффективных методов получения низких температур — Померанчука эффекта и магнитного охлаждения. С их помощью удалось выяснить характерные особенности диаграммы состояния 3He при сверхнизких температурах ( рис. 2 ). В отличие от 4He (см. рис. 1 к ст. Гелий ) , на диаграмме состояния 3He обнаружены две сверхтекучие фазы (А и Б). Переход нормальной ферми-жидкости в фазу А представляет собой фазовый переход II рода ( теплота фазового перехода равна нулю). В фазе A образовавшиеся куперовские пары обладают спином 1 и отличным от нуля моментом импульса. В ней могут возникать области с общими для всех пар направлениями спинов и моментов импульса. Поэтому фаза А является анизотропной жидкостью. В магнитном поле фаза А расщепляется на две фазы ( A 1 и A 2 ) , каждая из которых также является анизотропной. Переход из сверхтекучей фазы А в сверхтекучую фазу В является фазовым переходом 1 рода с теплотой перехода ~1,5 ×10 -6 дж/моль (15 эрг/моль ) . Магнитная восприимчивость 3He при переходе А ® В скачком уменьшается и продолжает затем уменьшаться с понижением температуры. Фаза В является, по-видимому, изотропной.

Эффекты, сопутствующие сверхтекучести.В сверхтекучей жидкости, кроме обычного (первого) звука (колебаний плотности), может распространяться т. н. второй звук, представляющий собой звук в газе квазичастиц (колебания плотности квазичастиц, а следовательно, и температуры). Сверхтекучая жидкость обладает аномально высокой теплопроводностью, причиной которой является конвекция, — теплота переносится макроскопическим движением газа квазичастиц. При нагревании Не II в одном из сообщающихся (через капилляр) сосудов между сосудами возникает разность давлений (термомеханический эффект). Этот эффект объясняется тем, что в сосуде с большей температурой оказывается повышенной концентрация квазичастиц. Из-за того, что узкий капилляр не пропускает вязкого потока нормальной компоненты, возникает избыточное давление газа квазичастиц, подобное осмотическому давлению в растворе. Существует и обратный — механокалорический — эффект: при быстром вытекании Не II через капилляр из сосуда температура внутри сосуда повышается (в нём увеличивается концентрация квазичастиц), а вытекающий гелий охлаждается. Интересными свойствами обладает сверхтекучая плёнка гелия, образующаяся на твёрдой стенке сосуда. Так, например, она может выравнивать уровни Не II в сосудах, имеющих общую стенку.

Лит.: Капица П. Л., Эксперимент, теория, практика, М., 1974; Халатников И. М., Фомин И. А., Сверхтекучесть и фазовые переходы в жидком гелии-З, «Природа», 1974, № 6; Халатников И. М., Теория сверхтекучести, М., 1971; Квантовые жидкости. Теория. Эксперимент, М., 1969; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971; William Е., Kelier, Helium-3 and Helium-4, N.-Y., 1969.

Т. Е. Воловик.

Рис. 1. Диаграмма, иллюстрирующая двухжидкостную модель Не II (Т — абсолютная температура, r n/r — отношение плотности нормальной компоненты к плотности Не II).

Рис. 2. Диаграмма состояния 3He при низких температурах (T — абсолютная температура, r — давление).

Сверхто'нкая структу'ра,сверхтонкое расщепление уровней, расщепление уровней энергии атома на близко расположенные подуровни, вызванное взаимодействием магнитного момента ядра с магнитным полем атомных электронов. Энергия ( E этого взаимодействия зависит от возможных взаимных ориентаций спина ядра и электронных спинов. Число этих ориентаций определяет число компонент С. с. Уровни энергии также могут расщепляться и смещаться в результате взаимодействия квадрупольных моментов ядер с электрическим полем электронов. Расстояние между подуровнями С. с. в ~ 1000 раз меньше, чем между уровнями тонкой структуры, т. к. ( Е в ~ 1000 раз меньше энергии спин-орбитального взаимодействия. Благодаря С. с. уровней в спектре атома вместо одной спектральной линии появляется группа близко расположенных линий — С. с. спектральной линии.

С. с. спектральной линии может усложняться также вследствие отличия частот спектральных линий изотопов химического элемента — изотонического смещения. При этом происходит наложение спектральных линий различных изотопов, из смеси которых состоит элемент. Изотопическое смещение для тяжёлых элементов того же порядка, что и d Е . С. с. может наблюдаться также в спектрах молекул и кристаллов.