Гелий твёрдый. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Гелий твёрдый - гелий в кристаллич. состоянии, существует только при достаточно высоких давлениях. Известны три устойчивые кристаллич. модификации ⁴He: гексагональная плотноупакованная при давлениях выше 25 атм (2,5 МПа); кубическая объёмноцентрированная в узкой области диаграммы состояния ⁴He, примыкающей к кривой плавления в интервале температур 1,46-1,77 (см. рис. 1 к ст. Гелий жидкий); кубическая гранецентрированная при темп-pax Т>14,9 К и давлениях > 105 МПа (1050 атм). Для твердого гелия характерны низкая плотность (до 0,19 г/см³) и высокая сжимаемость (до 3,5*10^-8 Па^-1). При исследовании механич. свойств твердого гелия обнаруживает высокую пластичность ,предел текучести при сдвиговых деформациях порядка 10³ Па. По оптич. свойствам твердый гелий, как и жидкий гелий,- прозрачная бесцветная среда, показатель преломления к-рой близок к 1 (1,038 при 2,5 МПа), гексагональная плотноупакованная фаза обладает слабым двойным лучепреломлением (n_i-n₀=+2,8*10^-6). Твердый гелий - диэлектрик, электрич. прочность его достигает 10⁷ В/см. К особенностям твердого гелия следует отнести низкие значения Дебая температуры, (до =25 К) и сравнительно большую роль энгармонизма тепловых колебаний (см. Динамика кристаллической решетки). Кроме того, в твердом гелии, как и в жидком, практически нерастворимы примеси, за исключением лёгкого изотопа гелия ³He.

Большая амплитуда колебаний атомов твердого гелия при T=0 К (нулевых колебаний) приводит к неустойчивости его кристаллич. состояния при давлениях ниже 2,5 МПа. Это обусловливает и др. необычные свойства твердого гелия, что заставляет отнести его к особому классу твёрдых тел - к т. н. квантовым кристаллам, к-рые отличаются прежде всего необычным характером движения точечных дефектов (напр., вакансий). В обычных классич. кристаллах при достаточно низких темп-pax такие дефекты оказываются "замороженными" в определ. положениях в кристаллич. решётке. В твердом гелии из-за большой амплитуды нулевых колебаний атомов отлична от 0 вероятность квантового туннелирования дефекта, напр., из одного узла решётки в соседний узел. Если эта вероятность достаточно велика (как это имеет место в случае вакансий и примесных атомов ³He), то дефект делокализуется, т. е. движется как квазичастица, обладающая определ. энергией и квазиимпульсом (см. Вакансион, Дефектон). Процессы диффузии таких дефектов подчиняются другим закономерностям, чем обычная классическая диффузия (см. Квантовая диффузия).

Квантовые эффекты существ. образом влияют также на поверхностные процессы в кристаллах Не. В частности, при Т<1 К движение межфазной границы между жидким и твёрдым гелием (т. е. рост и плавление кристалла) может происходить практически бездиссипативным образом. Это обеспечивает возможность существования слабо затухающих колебаний поверхности твердого гелия, обусловленных периодич. плавлением и кристаллизацией. Эти т. н. кристаллизационные волны ,во многом аналогичны капиллярным волнам на поверхности жидкости.

Твёрдый ³He также известен в трёх кристаллич. модификациях: объёмноцентрированной кубической при давлениях 2,9-13,5 МПа и темп-pax Т<3,1 К, гексагональной плотноупакованной при более высоких давлениях и темп-pax и гранецентрированной кубической при давлении выше 161 МПа и T

18 К. Физ. свойства твёрдого ³He аналогичны свойствам твёрдого ⁴He. Отличия обусловлены гл. обр. наличием спина I=¹/₂ у ядра ³He. При не слишком низких темп-pax твёрдый ³He - ядерный парамагнетик с восприимчивостью, подчиняющейся Кюри - Вейса закону (см. Ядерный парамагнетизм ).При Т<1 мК твёрдый ³He - антиферромагнетик. Антиферромагнетизм ³He обусловлен обменным взаимодействием между ядерными спинами (значительно более слабым по сравнению с взаимодействием в жидком ³He). Энтропия твёрдого ³He при Т>1 мК практически постоянна и равна: RIn 2 (где R - газовая постоянная). Это приводит к наличию глубокого минимума на кривой плавления при T=0,32 К. Поэтому кристаллизация ³He при Т<0,32 К в условиях, близких к адиабатическим, вызывает понижение температуры (Померанчука эффект ).Эффект Померанчука лежит в основе одного из наиб. эффективных методов получения температур порядка 1 мК (см. Низкие температуры).

Литература по твердому гелию

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.