АСҚЫНАҚҚЫШТЫҚ – кванттық сұйықтың тар саңылаулар және капиллярлар арқылы үйкеліссіз ағу кезіндегі күйі.
Сұйық гелийге ба- Ыдыстың бетінде 4Не (гелий-4-тің) асқынаққышты- тырылған капил- асқынаққыш ге- ғы. 4Не — сұйық гелий Тλ=2,17К төмен темпеляр түтікпен жа- лийдің жұқа плен- касының пайда ратурада, қаныққан будың рS = 38,8 мм сынап
салған ғылыми тә-
жірибе болуы бағаны қысымында асқынаққыш күйде бо-
лады. Асқынаққыш 4Не–Не ІІ (гелий-ІІ) деп, асқынаққыштық қасиеті жоқ 4Не–Не І (гелий І) деп аталған. Не ІІ-нің асқынаққыштығын
1938 ж. Кеңес физигі Петр Капица (1894– 1984) ашты. 1972 – 1974 ж. 3Не сұйық гелийдің де Та.а.=2,6·10–3 К төменгі температурада және 2,58·104 мм сынап бағаны (34 атм) қысымда асқынаққыштық қасиеті болатыны айғақталды. 4Не және 3Не сұйық гелийлердің асқынаққыштыққа ауысуы ІІ текті фазалық ауысу болады.
Асқынаққыштық сұйықты тұтқыр- лығы болмайтын сұйық ретінде қа- растыруға болмайды, себебі Не ІІ сұ- йығына батырылған иірілмелі тербе- лісті дискімен жасалған тәжірибе Тλ («лямбда-нүктелерінен») алыс емес температурада тұтқырлық тудыратын тербелістер әлгі Не І-дегі тербелістерге ұқсас ағудан аз ғана айырмашылығы
болатынын аңғартқан.
Сифонға ұқсас әсер етуші бет. Жебелі сызық-
Асқынаққыштықтың теориясын тармен бос ыдысқа құйылып жатқан сұйық 1941 ж. Кеңес Одағы физигі Лев Лан- гелийдің беттік жұқа пленкасы бейнеленген дау (1908 – 1968) тұжырымдаған. Осы теория қос сұйықты гидродинамика деп аталған. Бұл теория төменгі температурада Не ІІ-нің қасиеттері әлсіз қоздырылған кванттық жүйе ретіндегі түсінікке негізделген.
Не ІІ-ні өзара біріне-бірі енген екі құраушыдан: қалыпты және асқын- аққыштықтардан құралған деп қарастыруға болады. Тλ температураға өте жақын емес температура кезінде қалыпты құраушысы екі квазибөлшектің фонондар мен ротондардың жиынтығы болады. Т = 0 болған кезде тығыздықтың қалыпты құраушысы ρn= 0 болады, осы жағдайда кез келген кванттық жүйе негізгі күйде болады, қозған (квазибөлшектер) күй болмайды. Абсолюттік нөл температурадан бастап 1,7–1,8 К температураға дейінгі қарапайым қоздырулар жиынтығын Не ІІде квазибөлшектердің идеал газы ретінде қарастыруға болады.
3Не-тің асқынаққыштығы. 3Не-тің атомдарының спині жарты бүтінге тең, яғни олар фермиондар, ал 3Не – ферми-сұйықтығы. Егер фермиондар аралығында жұптасып байланысқан купер жұбы деп аталған фермиондардың пайда болуына әкелетін тартылыс күштері болса, онда мұндай жұптардың бүтін санды спині болады. Осы белгі бойынша бұлар – бозондар және де Бозе-конденсатын құра алады. 3Не-тегі бөлшектер арасындағы өзараәсерлесу күштері бірнеше мК температурадағы 3Не-те купер жұбы және асқын аққыштық пайда болатындай дәрежеде болады. 3Не те асқынаққыштықтың ашылуы Померанчук эффектісі мен магниттік салқындатуды игеру әдістерін меңгеруге жәрдемдесті.
Сұйық гелийдің асқынаққыштығы абсолюттік нөлге жуық температурада өтетін ерекше кванттық-механикалық құбылыс. Егер газ тәрізді гелий 4,17 К температураға дейін салқындатылса, ол сұйылады. Егер осы сұйық гелийді әрі қарай салқындату жалғастырылатын болса, онда 2,17 К температура кезінде оның қасиеті күрт өзгеріске ұшырайды. Әдеттегі түсінігіміздің аясында ақылға сыймайтын макроскопиялық құбылыс байқалады. Мысалы, осы гелий ІІ деп аталған түр өзгерісімен жартылай толтырылған ыдыс қақпақсыз ашық қалдырылатын болса, ыдыс өздігінен босап қалады. Сұйық гелий ыдыстың ішкі қабырғасының бетімен жоғары көтеріліп (оның биіктігіне тәуелсіз) ыдыстың ернеуінен асып сыртқа төгіліп ағады. Дәл осы құбылыс кері бағытта да орын алады (сызбаға қараңыз). Егер бос ыдыс сұйық гелийге сәл ғана батырылатын болса, онда ол ыдыс сәлден соң сыртқы гелий деңгейіне дейін өздігінен толады. Температура 2,17 К-нен де төмен салқындатылатын болса, гелий ІІ-нің мөлшері артады. Абсолюттік нөл температура кезінде сұйық гелийдің барлығы гелий ІІ-ге айналуға тиісті. Таза сұйық гелий-ІІ-нің өзге бір ғажайып қасиеті, ол басқа денелерге күш түсірмейді. Өрт сөндірушілердің қол сорғысынан – брандспойттан күшті қысыммен шапшып шығатын гелий ІІ-нің ағыны қырынан тік қойылған металл шақаны (монетаны) құлата (жыға) алмақ емес. Сұйық гелий әлгі шақаны орағытып ағып өтіп оған ешқандай күш түсірмейді. Сұйық гелий ІІ-де балық жүзе ала ма? Әрине жүзе алмайды, себебі балық өте төменгі температурада қатып қалады емес пе? Балық қатып қалмайды дегеннің өзінде ол жүзе алмақ емес. Себебі гелий ІІ-де балықтың итерілетіндей ешқандай тірек жоқ. Сол себепті Ньютонның бірінші заңына сүйеніп, тыныштық күйін сақтау ғана қалмақ! Физиктер сұйық гелийдің осы таңырқарлық қасиетін математика тілінде тұжырымдай отырып, гелий – ІІнің тұтқырлығы жоқ, яғни ол нөлге тең деген қорытынды шығарған. Неліктен тұтқырлықтың жоқтығы әзірше жұмбақ күйінде қалып отыр.
Сұйық гелийдің атомдары энергиясын және импульсін тек бірден секірісті түрде ақтық (соңғы) шамаға өзгерте алатын ортақ кванттық жүйе құрады. Сондықтан сұйық гелий белгілі жылдамдық бойынша асқынаққыштық қасиетке ие болып бөгеттерді елемей үйкеліссіз ағады.
Сұйық гелийдің көп қасиеттері бар. Ол бір-біріне кедергі жасамай тәуелсіз аға алатын екі сұйықтан құралған. Мұның біреуі – асқынаққыш, оның тұтқырлығы жоқ, ал екіншісі – кәдімгі қалыпты гелий. Қалыпты компоненттердің салыстырмалы сипаты температураға тәуелді: абсолюттік нөл температурада бүкіл гелий асқынаққыш, ал кризистік 2,17 К температура кезінде бір ғана қалыпты сұйық гелий қалады. Тар капиллярлар арқылы тек асқынаққыш компоненттер ғана ағады. Қалыпты компонент (яғни қалыпты гелий) ағу үшін, гелийде температура айырымын жасау жеткілікті.
Гелий кез келген тұсынан қыздырылатын болса, әлгі тұстағы қалыпты гелийдің тығыздығы артатын болады. Сол себепті асқынаққыш бөлік қыздырылған тұсқа қарай ағатын, ал қалыпты гелий шоғырлануын (концентрациясын) теңгеру және температураның тұрақтылығын қалпына келтіру үшін кері бағытқа қарай ағады. Мына тәжірибе осы жайтқа негізделген. Капилляр түтіктің кеңейген төменгі жағында күңгірт түсті ұнтақ бар, осы түтік сұйық гелийге батырылған. Ұнтақ жарықпен сәулеленген кезде қызады, гелийдің қалыпты бөлігі астауға ағады, ал асқынаққыш гелий кері бағытқа қарай ағып, түтіктің ашық ұшынан бұрқақ (фонтан) болып (30 см биіктікке дейін) шапшиды.
Асқынаққыштықтың салдарынан қатынас емес ыдыстардағы гелийдің деңгейлері әрдайым бірдей деңгейде теңгерілетін болады. Ыдыстың беті гелийдің өте жұқа пленкалы қабатымен (қалыңдығы 100 атом қабатына тең шамалас) қапталатын болады. Осы қабат тұтқырлықсыз қозғалады. Егер гелий құйылған пробирка сұйық гелий деңгейінен жоғары көтерілген болса, ондағы бүкіл гелий міндетті түрде одан ағып шығатын болады.
Асқынаққыштық ұжымдық эффект болып табылады. Гелий атомдарының спиндері бүтін (нөл) сандар болады, сондықтан бірдей күйлерде шоғырланады.
Осының нәтижесінде әрбір бөлшектің кванттық қасиеттері күшейетін болады.
Спиндері бүтіннің жартысына тең бөлшектерден құралған жүйелерде, мысалы, электрондарда, нейтрондарда немесе протондарда керісінше, бөлшектерге бірдей күйлерде болуға тыйым салатын Паули принципі әсер етеді. Осындай жүйелерде әдетте асқынаққыштық байқалмайды. Бірақ та осы жағдайда олар бүтін спинді бөлшектер жұп құрып бірігуі және асқынаққыштық күйге көшуі (ауысуы) мүмкін. Бос электрондардың металдарда жұп құруы электрондық сұйықтық асқынаққыштық күйге көшуіне әкеп соқтырады. Нәтижесінде электр тогы шығынсыз ағатын болады. Бұл құбылыс асқынөткізгіштік болып табылады. Гелий Не3-тің изотопының атомдары үш бөлшектен құралған (екі протоннан және бір нейтроннан), атомның жалпы спині бүтін санның жартысына тең. Сондықтан әдеттегі жағдайларда Не3 қалыпты сұйық, тек өте төменгі температураларда (Кельвин градусының мыңдық үлесіндей) атомдар жұптасады және асқынаққыштық күйге көшеді.