Цвёрды гелій

Цвёрды гелій — стан гелія пры тэмпературы, блізкай да абсалютнага нуля і ціску, які значна перавышае атмасферны. Гелій — адзіны элемент, які не стае цвёрдым, застаючыся ў вадкім стане, пры атмасферным ціску і як заўгодна малой тэмпературы. Пераход у цвёрды стан магчымы толькі пры ціску больш за 25 атм.

 Гісторыя даследаванняў 

Пасля таго, як у 1908 Хэйке Камерлінгі-Онес здолеў дамагчыся кандэнсацыі гелія, ён паспрабаваў атрымаць цвёрды гелій. Адпампоўкай пароў яму ўдалося дасягнуць λ-пункту (1,4 К). За наступныя дзесяць гадоў даследаванняў атрымалася апусціцца да 0,8 К, але гелій заставаўся вадкім. І толькі ў 1926 г. вучань Камерлінгі-Онеса Вілем Хендрык Кеезам змог атрымаць 1 см³ цвёрдага гелія, выкарыстоўваючы не толькі нізкую тэмпературу, але і падвышаны ціск.

 Фізічныя ўласцівасці 

Фізічныя ўласцівасці гелію:
 Уласцівасць 4He 3He Малярны аб'ём, см³/моль 21,1 (1,6 К) 24 (0,65 К) Мінімальны ціск утварэння (крышталізацыі), атм 25 29 (0,3 K) Шчыльнасць цвёрдага гелію, г/см³ 0,187 (0 К, 25 атм) Шчыльнасць вадкага гелію, г/см³ (0 К) 0,145 0,08235

Цвёрды гелій - крышталічнае празрыстае рэчыва, прычым мяжу паміж цвёрдым і вадкім геліем цяжка выявіць, так як іх паказчыкі пераламлення блізкія. Шчыльнасць цвёрдага гелія вельмі малая, яна складае 0,187 г/см ³ (менш за 20% ад шчыльнасці лёду пры -273 °C). Для ўтварэння цвёрдага 3He неабходна яшчэ больш высокі ціск (29 атм) і яшчэ больш нізкая тэмпература (0,3 К). Шчыльнасць яго яшчэ ніжэй.

 Уласцівасці гелію-4 

Для цвёрдага гелія-4 характэрны такі квантавы эфект, як крышталізацыйныя хвалі. Гэты эфект складаецца ў слаба загасальных ваганнях мяжы падзелу фаз «квантавы крышталь - звышцякучая вадкасць». Ваганні ўзнікаюць пры нязначным механічным уздзеянні на сістэму «крышталь-вадкасць». Дастаткова пры тэмпературы <0,5 К злёгку страсянуць прыбор, як мяжа паміж крышталем і вадкасцю пачынае вагацца так, як быццам гэта мяжа паміж дзвюма вадкасцямі.

Энтрапія і энтальпія плаўлення 4He пры тэмпературах <1 К звяртаюцца ў 0.

Для 4He асноўная сінгоныя - гексаганальныя (ГШЎ). На фазавай дыяграме бачная невялікая вобласць, дзе 4He пераходзіць у кубічную сінгоныю (АЦК). Пры адносна вялікіх цісках (1000 атм) і тэмпературы ~ 15 К з'яўляецца новая кубічных фаза ГЦК.

На малюнку абазначэнні фаз:

 hcp — гексаганальная шчыльная ўпакоўка (ГШЎ);
 fcc — гранецэнтрыраваная кубічная (ГЦК);
 bcc — аб'ёмацэнтрыраваная кубічная (АЦК).

 Уласцівасці гелію-3 

Пры цісках <100 атм 3He крышталізуецца ў кубічную сінгонію (АЦК). Вышэй ~ 100 атм цвёрды 3He пераходзіць у фазу з гексаганальнай сіметрыяй (ГШЎ). Гэтак жа як і 4He, 3He пры цісках >1000 атм і ~ 15 К пераходзіць у кубічную фазу (ГЦК).

Ніжэй 0,3 К тэрмадынамічныя ўласцівасці вадкага і цвёрдага гелія-3 незвычайныя ў тым стаўленні, што пры адыябатычнаму сціску вадкі гелій астуджаецца, прычым з павелічэннем сціску астуджэнне працягваецца, пакуль вадкая фаза не ператворыцца ў цвёрдую. Гэта тлумачыцца значным укладам ядзернага магнетызму гелія-3 у яго энтальпію. Эфект атрымаў назву кампрэсыйнае астуджэнне гелія-3. Такі характар паводзін гелія-3 быў тэарэтычна прадказаны І. Я. Памеранчуком у 1950 г. і эксперыментальна пацверджаны У. М. Фейрбенкам і Г. К. Уолтэрсам (1957), Ю. Д. Ануфрыевым (1965). З тых часоў астуджэнне метадам адыябатычнага сціску прымяняецца ў многіх лабараторыях. Такі метад дазваляе, пачынаючы з нізкіх тэмператур, падтрымоўваных крыёстатам растварэння, атрымліваць тэмпературы ніжэй 0,003 К, дастаткова нізкія для правядзення эксперыментаў са звышцякучым геліем.

Крывая плаўлення 3He пры Т<0,3 К мае адмоўную вытворную. З прычыны гэтага для гелія-3 назіраецца незвычайны фізічны эфект. Калі вадкі гелій-3, які знаходзіцца пры тэмпературы <0,01 К і ціску 30 - 33 атм, награваць, то пры ~ 0,3 - 0,6 К вадкасць змерзне.

Для цвёрдага гелія-3 таксама характэрны квантавы эфект крышталізацыйных хваляў, але выяўляецца ён пры тэмпературах <10−3 K.

 Звышцякучасці ў цвёрдым гелію 
Падазрэнне ў тым, што звышцякучасцю могуць валодаць і цвёрдыя цела, выказвалася даволі даўно, аднак доўгі час ніякіх эксперыментальных указанняў на такую з'яву не было.

 Эксперыментальныя працы 
У 2004 годзе было абвешчана аб адкрыцці звышцякучасці ў цвёрдым гелію. Гэта заява была зроблена на падставе эфекту нечаканага памяншэння моманту інерцыі круцільнага ківача з цвёрдым геліем. Наступныя даследаванні паказалі, аднак, што сітуацыя далёка не гэтак простая, і таму казаць пра эксперыментальны выяўленні гэтай з'явы пакуль заўчасна.

 Тэарэтычныя працы 
У цяперашні час агульнапрынятай тэорыі, якая тлумачыць і якая апісвае звышцякучасці ў цвёрдым гелію, пакуль няма. Тым не менш, спробы пабудаваць такую тэорыю робяцца. (Гл., напрыклад, артыкул M.Tiwari, A.Datta, «Supersolid Phase in Helium-4»).

 Крытыка арыгінальных прац 
У шэрагу артыкулаў паказвалася, што анамальнае памяншэнне моманту інерцыі ўзору магло мець і іншае паходжанне (гл., напрыклад, папулярную нататку «Сверхтекучесть твердого гелия: сенсация отменяется?» и «Новые эксперименты с твердым гелием не подтверждают сенсацию»). У 2005 годзе былі апублікаваныя вынікі незалежных эксперыментаў, у якіх праяў звышцякучасці кампаненты ў цвёрдым гелію заўважана не было («Новые эксперименты с твёрдым гелием не подтверждают сенсацию»). У 2012 годзе ў рабоце, адным з аўтараў якой з'яўляецца аўтар першапачатковай публікацыі Мозэс Чан, было паказана, што інтэрпрэтацыя знойдзенага эфекту як пераходу цвёрдага гелія ў звышцякучы стан была памылковай.

Катэгорыя:Гелій
Катэгорыя:Тэрмадынаміка
Катэгорыя:Фізіка нізкіх тэмператур