Большая Советская Энциклопедия (КВ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 13

  Из всех веществ при атмосферном давлении только два изотопа гелия (⁴He и ³He) имеют достаточно малую массу и настолько слабое взаимодействие между атомами, что остаются жидкими вблизи абсолютного нуля и позволяют тем самым изучить специфику К. ж. Свойствами К. ж. обладают также электроны в металлах.

  К. ж. делятся на бозе-жидкости и ферми-жидкости, согласно различию в свойствах частиц этих жидкостей и в соответствии с применяемыми для их описания статистиками Бозе — Эйнштейна и Ферми — Дирака (см. Статистическая физика). Бозе-жидкость известна только одна — жидкий ⁴He, атомы которого обладают равным нулю спином (внутренним моментом количества движения). Атомы более редкого изотопа ³He и электроны в металле имеют полуцелый спин (¹/₂), они образуют ферми-жидкости.

  Жидкий ⁴He был первой разносторонне исследованной К. ж. Теоретические представления, развитые для объяснения основных эффектов в жидком гелии, легли в основу общей теории К. ж. Гелий ⁴He при 2,171 К и давлении насыщенного пара испытывает фазовый переход II рода в новое состояние Не II со специфическими квантовыми свойствами. Само наличие точки перехода связывается с появлением так называемого бозе-конденсата (см. Бозе — Эйнштейна конденсация), т. е. конечной доли атомов в состоянии с импульсом, строго равным нулю. Это новое состояние характеризуется сверхтекучестью, т. е. протеканием Не II без всякого трения через узкие капилляры и щели. Сверхтекучесть была открыта П. Л. Капицей (1938) и объяснена Л. Д. Ландау (1941).

  Согласно квантовой механике, любая система взаимодействующих частиц может находиться только в определённых квантовых состояниях, характерных для всей системы в целом. При этом энергия всей системы может меняться только определёнными порциями — квантами. Подобно атому, в котором энергия меняется путём испускания или поглощения светового кванта, в К. ж. изменение энергии происходит путём испускания или поглощения элементарных возбуждений, характеризующихся определённым импульсом р, энергией e(р), зависящей от импульса, и спином. Эти элементарные возбуждения относятся ко всей жидкости в целом, а не к отдельным частицам и называется в силу их свойств (наличия импульса, спина и т.д.) квазичастицами. Примером квазичастиц являются звуковые возбуждения в Не II — фононы, с энергией

, где  — Планка постоянная, деленная на 2p, с — скорость звука. Пока число квазичастиц мало', что соответствует низким температурам, их взаимодействие незначительно и можно считать, что они образуют идеальный газ квазичастиц. Рассмотрение свойств К. ж. на основе этих представлении оказывается, в известном смысле, более простым, чем свойств обычных жидкостей при высоких температурах, когда число возбуждений велико и их свойства не аналогичны свойствам идеального газа.

  Если К. ж. течёт с некоторой скоростью u через узкую трубку или щель, то её торможение за счёт трения состоит в образовании квазичастиц с импульсом, направленным противоположно скорости течения. В результате торможения энергия К. ж. должна убывать, но не плавно, а определёнными порциями. Для образования квазичастиц с требуемой энергией скорость потока должна быть не меньше, чем u_c = min [e(p)/p]; эту скорость называют критической. К. ж., у которых u_c¹ 0, будут сверхтекучими, т.к. при скоростях, меньших u_c, новые квазичастицы не образуются, и, следовательно, жидкость не тормозится. Предсказанный теорией Ландау и экспериментально подтверждённый энергетический спектр e(р) квазичастиц в Не II удовлетворяет этому требованию.

  Невозможность образования при течении с u < u_c новых квазичастиц в Не II приводит к своеобразной двухжидкостной гидродинамике. Совокупность имеющихся в Не II квазичастиц рассеивается и тормозится стенками сосуда, она составляет как бы нормальную вязкую часть жидкости, в то время как остальная жидкость является сверхтекучей. Для сверхтекучей жидкости характерно появление в некоторых условиях (например, при вращении сосуда) вихрей с квантованной циркуляцией скорости сверхтекучей компоненты. В Не II возможно распространение двух типов звука, из которых 1-й звук соответствует обычным адиабатическим колебаниям плотности, в то время как 2-й звук соответствует колебаниям плотности квазичастиц и, следовательно, температуры (см. Второй звук)

  Наличие газа квазичастиц одинаково характерно как для бозе-, так и для ферми-жидкости. В ферми-жидкости часть квазичастиц имеет полуцелый спин и подчиняется статистике Ферми — Дирака, это так назывемые одночастичные возбуждения. Наряду с ними в ферми-жидкости существуют квазичастицы с целочисленным спином, подчиняющиеся статистике Бозе — Эйнштейна, из них наиболее интересен «нуль-звук», предсказанный теоретически и открытый в жидком ³He (см. Нулевой звук). Ферми-жидкости делятся на нормальные и сверхтекучие в зависимости от свойств спектра квазичастиц.

  К нормальным ферми-жидкостям относятся жидкий ³He и электроны в несверхпроводящих металлах, в которых энергия одночастичных возбуждений может быть сколь угодно малой при конечном значении импульса, что приводит к u_c = 0. Теория нормальных ферми-жидкостей была развита Л. Д. Ландау (1956—58).

  Единственной, но очень важной сверхтекучей ферми-жидкостью являются электроны в сверхпроводящих металлах (см. Сверхпроводимость). Теория сверхтекучей ферми-жидкости была развита Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шриффером (1957) и Н. Н. Боголюбовым (1957). Между электронами в сверхпроводниках, согласно этой теории, преобладает притяжение, что приводит к образованию из электронов с противоположными, но равными по абсолютной величине импульсами связанных пар с суммарным моментом, равным нулю (см. Купера эффект). Для возникновения любого одночастичного возбуждения — разрыва связанной пары — необходимо затратить конечную энергию. Это приводит, в отличие от нормальных ферми-жидкостей, к u_c ¹ 0, т. е. к сверхтекучести электронной жидкости (сверхпроводимости металла). Существует глубокая аналогия между сверхпроводимостью и сверхтекучестью. Как и в ⁴He, в сверхпроводящих металлах имеется фазовый переход II рода, связанный с появлением бозе-конденсата пар электронов. При определённых условиях в магнитном поле в так называемых сверхпроводниках II рода появляются вихри с квантованным магнитным потоком, являющиеся аналогом вихрей в Не II.

  Кроме перечисленных выше К. ж., к ним относятся смеси ³He и ⁴He, которые при постепенном изменении соотношения компонентов образуют непрерывный переход от ферми- к бозе-жидкости. Согласно теоретическим представлениям, при чрезвычайно высоких давлениях и достаточно низких температурах все вещества должны переходить в состояние К. ж., что возможно, например, в некоторых звёздах.

  Лит.: Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Статистическая физика, 2 изд., М., 1964; Абрикосов А. А., Халатников И. М., Теория ферми-жидкости, «Успехи физических наук», 1958, т. 66, в. 2, с. 177; Физика низких температур, пер. с англ., М., 1959; Пайнс Д., Нозьер Ф., Теория квантовых жидкостей, пер. с англ., М., 1967.

  С. В. Иорданский.

Квантовая механика

Ква'нтовая меха'ника волновая механика, теория устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов) а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах.