Главная » Вопросы » Школа » Физика

Скажите, почему гелий (при температуре порядка 1-5 Кельвинов) не бывает твёрдым?
Скажите, почему гелий (при температуре порядка 1-5 Кельвинов) не бывает твёрдым?
Категория: Физика | Добавил: Tester (14.03.2018)
Просмотров: 97 | Ответы: 1 | Рейтинг: 5.0/1
Ответов: 1
0 withay
14.03.2018 оставил(а) комментарий:
В самом деле, оба стабильных изотопа гелия - He₃ и He₄ - не затвердевают при атмосферном давлении вплоть до температур порядка микрокельвинов. Твердый гелий удается получить только при давлении около 30 атмосфер. Современная теория конденсированного состояния вещества прекрасно объясняет и описывает эти необычные свойства гелия. Принципиальную роль здесь играют квантовые эффекты.

Сжижение, а затем затвердевание большинства веществ при понижении температуры есть следствие притяжения атомов или молекул между собой. Температура определяет тепловое движение частиц. Притяжение атомов или молекул наиболее велико на расстояниях порядка их размера. Поэтому, когда тепловая энергия уменьшается, частицы оказываются в минимумах потенциальной энергии взаимного притяжения, то есть на фиксированных одинаковых расстояниях друг от друга. Вещество, построенное из точек, находящихся на одинаковых расстояниях друг от друга - это кристалл. Такая картина базируется на классической механике.

Тепло приводит к колебаниям атомов около положения равновесия. Плавление кристалла определяется температурой, при которой амплитуда колебаний становится соизмеримой с периодом кристалла. Имеется так называемый критерий Линдемана - при температуре плавления квадрат амплитуды тепловых колебаний должен составлять около 0,02 от квадрата периода решетки - этому критерию удовлетворяет большинство веществ.

Квантовая механика приводит к изменению классической картины. В квантовой механике есть соотношение неопределенностей, утверждающее, что частица не может одновременно быть локализована (т.е. находиться в ограниченном объеме пространства) и при этом покоиться. Если частица локализована - значит она обязана двигаться туда-сюда. Даже если убрать всякое тепловое движение (охладить образец до абсолютного нуля), то это движение все равно останется. Это - так называемые квантовые нулевые колебания частицы.

Если амплитуда нулевых колебаний удовлетворяет критерию Линдемана, кристалл плавится и при нулевой температуре. Амплитуда колебаний тем больше, чем меньше масса атомов и "мягче" (слабее) потенциал их притяжения. Малый потенциал притяжения осуществляется для атомов, неспособных вступать в химическую связь. Наиболее подходят с этой точки зрения атомы инертных газов. А из них самые легкие - атомы гелия. Легче них только молекулы водорода, но они связываются друг с другом водородными связями - относительно слабыми, но несоизмеримо более сильными, чем Ван-дер-Ваальсовые силы.

Таким образом, для обычных веществ нулевые колебания недостаточно сильны, чтобы разрушить кристаллическое упорядоченное состояние, поэтому эти вещества при некоторой температуре затвердевают. В случае гелия энергия связи двух соседних атомов в кристаллической решетке настолько слаба, что нулевые колебания легко ее разрушают. Поэтому, даже если бы мы насильно расположили атомы в правильном порядке и охладили бы образец до нулевой температуры - кристалл бы сам собой распался.
avatar