Тема моего сегодняшнего доклада - свойства жидкого гелия. Работы в области жидкого гелия представляют интерес в основном потому, что проводятся вблизи абсолютного нуля, т.е. при очень низких температурах. В то время как область высоких температур, связанная обычно с горением, нам хорошо известна из опыта повседневной жизни, с областью низких температур нам приходится сталкиваться гораздо меньше, и даже лабораторий, работающих с глубоким холодом, мало. Поэтому целый ряд представлений о холоде, сложившихся из повседневного опыта и не измененных сведениями, полученными в средней школе, надо несколько пересмотреть, чтобы понять значение изучения явлений при низких температурах в жидком гелии. 
Температурные понятия
Все вы знаете, что существует так называемая абсолютная шкала температур, по которой температура отсчитывается только вверх от абсолютного нуля. Комнатная температура по этой шкале составит около 300 К. В этой комнате температура несколько ниже комнатной, но, к счастью, все же недалека от нее. Дальше идут температуры более высокие, и они достигают самой высокой температуры, какую можно получить в лабораторных условиях, - это 27000 К. Создается такое представление, что от комнатной температуры до абсолютного нуля только 300 К, а там - 27000 К, так что область низких температур лежит гораздо ближе к нам, чем область высоких, например температур самых горячих звезд. Однако это представление неправильно. Как раз диапазон температур от комнатной до температуры абсолютного нуля гораздо больше, чем до более высоких температур. Наши житейские понятия о температуре не соответствуют тем понятиям, которые созданы в физике. На самом деле диапазон явлений природы, которые можно наблюдать от комнатной температуры до предельно достижимых высоких температур, гораздо менее разнообразен по своему характеру и по интерпретации, чем тех явлений природы, которые мы наблюдаем при более низких температурах. Гелий и вводит нас в область низких температур. Сам гелий - газ, ожижающийся при 4 К. Посредством разных способов: кипения в вакууме, магнитными методами - можно достигнуть температуры в 1/100 градуса от абсолютного нуля. Вся эта область температур и является той, к которой и относятся свойства жидкого гелия, нами изучаемые и являющиеся темой моего сегодняшнего доклада. В жидкости атомы не бегают Но позвольте прежде всего ввести вас в круг идей, которые я так общо назвал, говоря, что диапазон температур от комнатной до абсолютного нуля больше, чем диапазон температур от той же комнатной до предельно высоких. Для этого нужно напомнить, как большинство из вас представляет себе температурную шкалу. Известно, что атомам свойственно тепловое движение - они колеблются, движутся, и энергия этого теплового движения правильно считается пропорциональной той температуре, при которой эти атомы находятся. Если мы начинаем охлаждать тело, то температурное движение атомов уменьшается, а их кинетическая энергия понижается. Если это был газ, то при этом начинают проявляться силы взаимодействия и состояние газа меняется - он переходит в жидкость. В жидкости атомы уже не свободно бегают - они колеблются вокруг состояния равновесия, но в то же время эти колебания и рассматриваются как температура. Чтобы конкретизировать эти представления, я хочу показать вам опыт, который очень люблю. Вы видите на экране колеблющуюся рамку с дробинками, выполняющими в этой движущейся модели роль атомов. Процессы охлаждения и конденсации символизируются попаданием шариков-атомов в ямки, занимающие на нашей схеме самое низкое положение. Приводя рамку в движение и сообщая это движение шарикам-атомам, мы получаем наглядную картину того атомарного движения, к которому мы все привыкли. Хаос движения - состояние полного порядка С абсолютным нулем мы связываем полный покой атомов. Как нас учат в школе, для того, чтобы охладить вещество, надо остановить атомы в их движении. Правильность этого положения можно иллюстрировать схемой холодильной машины, которая воплощена в модели, служащей для нашей следующей демонстрации. Вы видите укрепленную на штативе горизонтальную плоскость, на которую падает хорошо отскакивающий от нее шарик. Газ так же бомбардирует стенки ограничивающего его сосуда, как шарик ударяется о плоскость, закрепленную неподвижно. Его кинетическая энергия в основном сохраняется. Но если мы позволим этой плоскости уступать давлению шарика и отходить - шарик будет отскакивать на меньшую высоту. Мы поглощаем таким образом его кинетическую энергию. Это соответствует понижению температуры. Из этого опыта, как он ни элементарен, можно извлечь одно из самых основных понятий температуры, к которым я хочу вас подвести. По аналогии с шариком, который, ударившись о движущуюся плоскость, теряет свою энергию, мы могли бы взять атомы, направить их на движущуюся плоскость, уменьшить их энергию, затем направить на другую плоскость, еще уменьшить энергию, наконец, привести в состояние полного покоя и сказать, что мы получили абсолютный нуль - температуру абсолютного покоя. И обычные наши представления заключались в том, что полного покоя температурного движения атомов не существует. На самом же деле мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определенное температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться. Поэтому, если мы возьмем, например, тело, движущееся с некоторой скоростью, эта скорость может быть очень большой, но температура этого тела может быть очень мала; если это тело ударится о преграду, то его кинетическая энергия переходит в движение атомов, т.е. упорядоченное движение прямо переходит в беспорядочное движение, и мы о беспорядочно хаотическом движении говорим как о температуре. Физику гораздо более важно знать, насколько хаотично движение, насколько беспорядочно состояние тела, чем его температуру. А беспорядочность состояния тела вовсе не должна определяться только движением атомов, она может определяться еще рядом других факторов. |
