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廣東氦氣、液氦性質(zhì)大揭秘
2019-7-1 14:48:08
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要得到液態(tài)氦,必須先把氦氣壓縮并且冷卻到液態(tài)氫的溫度,然后讓它膨脹,使溫度進(jìn)一步下降,氦氣才能變成液體。 液態(tài)氦是透明的容易流動(dòng)的液體,就像打開了瓶塞的汽水一樣,不斷飛濺著小氣泡。 液態(tài)氦是一種與眾不同的液體,它在零下269℃就沸騰了。在這樣低的溫度下,氫也變成了固體,千萬不要使液態(tài)氦和空氣接觸,因?yàn)榭諝鈺?huì)立刻在液態(tài)氦的表面上凍結(jié)成一層堅(jiān)硬的蓋子。 超流動(dòng)性普通液體的粘滯度隨溫度的下降而增高,與此不同,HeⅠ的粘滯度在溫度下降到2.6K左右時(shí),幾乎與溫度無關(guān),其數(shù)值約為 3×10-6帕秒,比普通液體的粘滯度小得多。在2.6K以下,HeⅠ的粘滯度隨溫度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滯度在λ點(diǎn)以下的溫度時(shí)立刻降至非常小 的值(<10-12帕秒),這種幾乎沒有粘滯性的特性稱為超流動(dòng)性。用粗細(xì)不同的毛細(xì)管做實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)流管愈細(xì),超流動(dòng)性就愈明顯,在直徑小于10-5厘 米的流管中,流速與壓強(qiáng)差和流管長度幾乎無關(guān),而僅取決于溫度,流動(dòng)時(shí)不損耗動(dòng)能。 氦膜任何與HeⅡ接觸的器壁上覆蓋一層液膜,液膜中只包含無粘滯性的超流體成分,稱為氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向盡可能低的位置移 動(dòng)。將空的燒杯部分地浸于HeⅡ中時(shí),燒杯外的液氦將沿?zé)獗谂郎媳?,并進(jìn)入杯內(nèi),直至杯內(nèi)和杯外液面持平。反之,將盛有液氦的燒杯提出液氦面時(shí),杯 內(nèi)液氦將沿器壁不斷轉(zhuǎn)移到杯外并滴下。液氦的這種轉(zhuǎn)移的速率與液面高度差、路程長短和障壁高度無關(guān)。
對(duì)HeⅡ性質(zhì)的理論研究首先由F. 倫敦作出。4He原子是自旋為整數(shù)的玻色子,倫敦把HeⅡ看成是由玻色子組成的玻色氣體,遵守玻色統(tǒng)計(jì)規(guī)律,玻色統(tǒng)計(jì)允許不同粒子處于同一量子態(tài)中。倫敦 證明了存在一個(gè)臨界溫度Tc,當(dāng)溫度低于Tc時(shí),一些粒子會(huì)同時(shí)處于零點(diǎn)振動(dòng)能狀態(tài)(即基態(tài)),稱為凝聚,溫度愈低,凝聚到零點(diǎn)振動(dòng)能狀態(tài)的粒子數(shù)就愈 多,在絕對(duì)零度時(shí),全部粒子都凝聚到零點(diǎn)振動(dòng)能狀態(tài),以上現(xiàn)象稱為玻色-愛因斯坦凝聚。L.蒂薩認(rèn)為HeⅡ的超流動(dòng)性起因于玻色-愛因斯坦凝聚。由于已凝 聚到基態(tài)的HeⅡ原子具有最低的零點(diǎn)振動(dòng)能,故有極大的平均自由程,能夠幾乎無阻礙地通過極細(xì)的毛細(xì)管。蒂薩首先提出二流體型,后來L.D.朗道修正和補(bǔ) 充了此模型。二流體模型認(rèn)為HeⅡ由兩部分獨(dú)立的、可互相滲透的流體組成,一種是處于基態(tài)的凝聚部分,熵等于零,無粘滯性,是超流體;另一種是處于激發(fā)態(tài) (未凝聚)的正常流體,熵不等于零,有粘滯性。兩種流體的密度之和等于HeⅡ的總密度,溫度降至λ點(diǎn)時(shí),正常流體開始部分地轉(zhuǎn)變?yōu)槌黧w,溫度愈低,超流 體的密度愈大,而正常流體的密度則愈小,在絕對(duì)零度時(shí),所有原子都處于凝聚狀態(tài),全部流體均為超流體。利用這個(gè)二流體模型可解釋關(guān)于液氦的許多力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。
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