imported>Pipian82: Гиперссылка

2026-01-12T13:48:06Z

Гиперссылка

Новая страница

'''Твёрдый гелий''' — состояние [[гелий|гелия]] при температуре, близкой к абсолютному нулю и давлении, значительно превышающем атмосферное. [[Гелий]] — единственный [[Химический элемент|элемент]], который не затвердевает, оставаясь в [[Жидкий гелий|жидком]] состоянии, при нормальном атмосферном давлении и сколь угодно малой [[температура|температуре]]. Переход в [[Твёрдое тело|твёрдое состояние]] возможен только при давлении более 25 [[Атмосфера (единица измерения)|атм]].

== История исследований ==
После того, как в [[1908 год]]у [[Камерлинг-Оннес, Хейке|Хейке Камерлинг-Оннес]] сумел добиться [[Конденсация|конденсации]] гелия, он попытался получить твёрдый гелий. Откачкой паров ему удалось достичь [[Лямбда-точка|λ-точки]] (1,4 [[Кельвин|К]]). За последующие десять лет исследований удалось опуститься до 0,8 К, но гелий оставался жидким.
И только в [[1926 год]]у ученик Камерлинг-Оннеса [[Кеезом, Виллем Хендрик|Виллем Хендрик Ке́езом]] смог получить 1 см³ твёрдого гелия, используя не только низкую температуру, но и повышенное давление.

{{начало цитаты}}
Мои опыты, которые позволили получить гелий в твёрдом виде, совершенно отчётливо показали, что для превращения гелия в твёрдое состояние требуется не только такая температура, при которой внутриатомные силы преодолевают тепловое движение настолько, чтобы атомы могли группироваться в кристаллическую решётку, но требуется, кроме того, и воздействие внешнего давления, которое должно быть достаточно высоким для того, чтобы привести в действие внутриатомные силы. Без применения такого давления гелий остаётся жидким даже при самих низких из достигнутых температур, хотя при некоторой температуре он может внезапно переходить в новое жидкое агрегатное состояние.
{{конец цитаты|источник=
''Из лекции, прочитанной перед V Международным конгрессом по холодильному делу в Риме 13 апреля 1928 г., Nature, 123, 847, 1928''}}



== Физические свойства ==
[[Файл:Solid Helium.png|thumb|right|Кристалл гелия с пузырьками жидкости. Бирюзовый — цвет фона]]

Физические свойства гелия:
{| class="standard"
|-
! width=60% | Свойство
! width=20% | 4He
! width=20% | <nowiki>3</nowiki>He
|-
! Молярный объём, см³/моль (ОЦК)
| 21,1 (1,6 К)
| 24 (0,65 К)
|-
! Минимальное давление образования (кристаллизации), атм
| 25
| 29 (0,3 K)
|-
! Плотность твёрдого гелия, г/см³
| 0,187 (0 К, 25 атм)
|
|-
! Плотность жидкого гелия, г/см³ (0 К)
| 0,145
| 0,08235
|}

Твёрдый гелий — кристаллическое [[Прозрачность среды|прозрачное]] вещество, причём границу между твёрдым и жидким гелием трудно обнаружить, так как их [[Показатель преломления|показатели преломления]] близки.
Плотность твёрдого гелия очень мала, она составляет 0,187 г/см³ (менее 20 % от плотности [[лёд|льда]] при −273 [[Градус Цельсия|°C]]). Для образования твёрдого <nowiki>3</nowiki>He необходимо ещё более высокое давление (29 атм) и ещё более низкая температура (0,3 К). Плотность его ещё ниже.

=== Свойства [[Гелий-4|гелия-4]] ===
[[Файл:Phase diagram of Helium-4 log.png|thumb|right|[[Фазовая диаграмма]] гелия-4]]
Для твёрдого гелия-4 характерен такой [[квантовый эффект]], как [[кристаллизационные волны]]. Этот эффект состоит в слабо затухающих колебаниях границы раздела фаз «[[квантовый кристалл]] — сверхтекучая жидкость». Колебания возникают при незначительном механическом воздействии на систему «кристалл — жидкость». Достаточно при температуре <0,5 К слегка качнуть прибор, как граница между кристаллом и жидкостью начинает колебаться так, как будто это граница между двумя жидкостями.

Энтропия и энтальпия плавления 4He при температурах <1 К обращаются в 0.

Для 4He основная [[сингония]] — гексагональная ([[Гексагональная сингония|ГПУ]]). На [[Фазовая диаграмма|фазовой диаграмме]] видна небольшая область, где 4He переходит в кубическую сингонию ([[Кубическая сингония|ОЦК]]). При относительно больших давлениях (1000 атм) и температуре ~15 К появляется новая кубическая фаза [[Кубическая сингония|ГЦК]].

На рисунке обозначения фаз:
* '''hcp''' — гексагональная плотная упаковка ([[Гексагональная сингония|ГПУ]]);
* '''fcc''' — гранецентрированная кубическая ([[Кубическая сингония|ГЦК]]);
* '''bcc''' — объёмноцентрированная кубическая ([[Кубическая сингония|ОЦК]]).

При очень высоких давлениях, как и у всех газов, температура плавления твердого гелия-4 значительно повышается. При давлении 41,2 ГПа она составляет 334,8 °C.

=== Свойства [[Гелий-3|гелия-3]] ===
[[Файл:Phase diagram of Helium-3 log.png|thumb|right|[[Фазовая диаграмма]] гелия-3]]
При давлениях <100 атм <nowiki>3</nowiki>He кристаллизуется в кубической сингонии (ОЦК). Выше ~100 атм твёрдый <nowiki>3</nowiki>He переходит в фазу с гексагональной симметрией (ГПУ). Так же как и 4He, <nowiki>3</nowiki>He при давлениях >1000 атм и ~15 К переходит в кубическую фазу (ГЦК).

Ниже 0,3 К термодинамические свойства жидкого и твёрдого гелия-3 необычны в том отношении, что при [[адиабатический|адиабатическом]] сжатии жидкий гелий охлаждается, причем с увеличением сжатия охлаждение продолжается, пока жидкая фаза не превратится в твёрдую. Это объясняется значительным вкладом ядерного магнетизма гелия-3 в его энтальпию. Эффект получил название [[компрессионное охлаждение]] гелия-3. Такой характер поведения гелия-3 был теоретически предсказан
[[Померанчук, Исаак Яковлевич|И. Я. Померанчуком]] в [[1950 год]]у и экспериментально подтвержден
[[У. М. Фейрбенк]]ом и [[Г. К. Уолтерс]]ом ([[1957]]),
[[Ануфриев, Ю. Д.|Ю. Д. Ануфриевым]] ([[1965]]). С тех пор охлаждение методом адиабатического сжатия применяется во многих лабораториях. Такой метод позволяет, начиная с низких температур, поддерживаемых [[Рефрижератор растворения|криостатом растворения]], получать температуры ниже 0,003 К, достаточно низкие для проведения экспериментов со сверхтекучим гелием.

Кривая плавления <nowiki>3</nowiki>He при ''Т'' < 0,3 К имеет отрицательную [[Производная функции|производную]]. Вследствие этого для гелия-3 наблюдается необычный физический эффект. Если жидкий гелий-3, который находится при температуре <0,01 К и давлении 30—33 атм, нагревать, то при ~0,3—0,6 К жидкость замёрзнет.

Для твёрдого гелия-3 также характерен квантовый эффект [[кристаллизационные волны|кристаллизационных волн]], но проявляется он при температурах <10−3 K.

'''Вращение сосуда с жидким гелием'''

Ввиду того, что из-за квантовых эффектов энергия для жидкого гелия может принимать только дискретные значения, обычное вращение для неквантовой жидкости при комнатной температуре (например, в чашке чая), которое можно наблюдать, размешивая его ложкой, для жидкого гелия невозможно -- вместо этого при вращении сосуда движение потоков в нём распадается на упорядоченную сетку вихрей (аналогичных вихрям Абрикосова в сверхпроводниках второго рода). Благодаря этому эффекту становится возможно устанавливать факт перехода в сверхтекучее состояние для всех сверхтекучих жидкостей, таких как облаков [[Конденсат Бозе — Эйнштейна|конденсата Бозе-Эйнштейна]] из сверхохлажденных атомов (например, приводя его во вращение боковым пучком лазерного излучения и наблюдая на прямой просвет появление сетки вихрей, описанной выше).

== Сверхтекучесть в твёрдом гелии ==


Подозрение о том, что [[сверхтекучесть]]ю могут обладать и твёрдые тела, высказывалось довольно давно<ref>A. J. Leggett, ''Can a Solid Be «Superfluid»?'', Phys. Rev. Lett., 25, 1543—1546 (1970).</ref>, однако долгое время никаких экспериментальных указаний на такое явление не было.

=== Экспериментальные работы ===
В [[2004 год]]у было объявлено об открытии [[сверхтекучее твёрдое тело|сверхтекучести в твёрдом]] гелии. Это заявление было сделано на основании эффекта неожиданного уменьшения [[момент инерции|момента инерции]] [[крутильный маятник|крутильного маятника]] с твёрдым гелием. Последующие исследования показали, однако, что ситуация далеко не столь проста, и потому говорить об экспериментальном обнаружении этого явления пока преждевременно<ref>E. Kim and M. H. W. Chan, [[Nature]] 427, 225 (2004).</ref><ref>E. Kim and M. H. W. Chan, Science 305, 1941 (2004).</ref><ref>[http://www.scientific.ru/journal/news/1004/n291004.html «Экспериментальное подтверждение сверхтекучести твёрдого гелия»] {{Wayback|url=http://www.scientific.ru/journal/news/1004/n291004.html |date=20050104222540 }}.</ref><ref>[http://perst.isssph.kiae.ru/Inform/perst/2004/4_03/perst.htm#B4_3 «Сверхтекучесть твёрдого гелия»]{{Недоступная ссылка|date=Июнь 2019 |bot=InternetArchiveBot }}.</ref>.

=== Теоретические работы ===
В настоящее время общепринятой теории, объясняющей и описывающей сверхтекучесть в твёрдом гелии, пока нет. Тем не менее, попытки построить такую теорию делаются<ref>[http://arxiv.org/abs/cond-mat/0406124 M. Tiwari, A. Datta, «Supersolid Phase in Helium-4»] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/cond-mat/0406124 |date=20220308014814 }}.</ref>.

=== Критика оригинальных работ ===
В ряде последовавших за оригинальной работой статей указывалось, что аномальное уменьшение момента инерции образца могло иметь и иное происхождение<ref>{{Cite web |url=http://elementy.ru/news/164549 |title=«Сверхтекучесть твердого гелия: сенсация отменяется?» |access-date=2005-07-18 |archive-date=2008-10-30 |archive-url=https://web.archive.org/web/20081030004829/http://elementy.ru/news/164549 |url-status=live }}</ref><ref>[http://elementy.ru/news/164616 «Новые эксперименты с твердым гелием не подтверждают сенсацию»] {{Wayback|url=http://elementy.ru/news/164616 |date=20071105062638 }}.</ref>. В 2005 году были опубликованы результаты независимых экспериментов, в которых проявлений сверхтекучего компонента в твёрдом гелии замечено не было<ref>[http://elementy.ru/news/164616 «Новые эксперименты с твёрдым гелием не подтверждают сенсацию»] {{Wayback|url=http://elementy.ru/news/164616 |date=20071105062638 }}.</ref>. В 2012 году в работе, одним из авторов которой является автор первоначальной публикации [[Мозес Чан]], было показано, что интерпретация обнаруженного эффекта как перехода твёрдого гелия в сверхтекучее состояние была ошибочной<ref>{{статья|автор=Duk Y. Kim, Moses H. W. Chan|заглавие=Absence of supersolidity in solid helium in porous Vycor glass|ссылка=http://arxiv.org/abs/1207.7050|год=30.07.2012|arxiv=1207.7050|издание=|archive-date=2017-05-10|archive-url=https://web.archive.org/web/20170510141035/https://arxiv.org/abs/1207.7050}}</ref><ref>{{cite web|url=http://science.compulenta.ru/715393/|title=Сообщения о сверхтекучести твёрдого гелия оказались ошибочными|author=Сафин Д.|date=2012-10-18|publisher=Компьюлента|access-date=2012-10-19|archive-url=https://web.archive.org/web/20121019190558/http://science.compulenta.ru/715393/|archive-date=2012-10-19|url-status=dead}}</ref>.

== Примечания ==
{{примечания}}

[[Категория:Физика низких температур]]
[[Категория:Гелий]]
[[Категория:Криоагенты]]

Твёрдый гелий - История изменений

imported>Pipian82: Гиперссылка