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超流動


ヨミ: チョウリュウドウ
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超流動とは、ヘリウムを−270.98℃以下に冷やした時に起きる現である。


概要


えっ?なんでかって?

これを説明するには量子力学が必要になってくるので興味のある人は大学物理を学ぼう!


関連動画



■sm1774108[ニコ動]


動画の解説


上の関連動画実験について簡単に解説する。

最初の画面で下にたまっているのが超流動の性質を持たない普通液体ヘリウム(He I)で、その上には気体のヘリウムがある。He Iがもやもやと動いて見えるのは沸騰しているため。ここでヘリウムガスの圧を下げていくと沸点が下がる(高い山の上だと低い温度お湯が沸くのと同じ)。だんだんと温度を下げていくとある点(2.17K、0.05気圧)で沸騰が止む液体ヘリウムが超流動の性質を持つ状態(He II)に変化した間である。これをλ転移という。

沸騰が止まっても液体の表面から静かに気化は続いている。沸騰は液体の温度が場所ごとに不均一になっているせいで起こる。He IIは通常の液体にべて異常に熱をよく伝えるので、全体で温度が均一になっていて沸騰しない。例えばHe IIの中に高温に熱した金属を入れても金属の周囲には気体の層ができるが、周りの液体は静かなままでいる。

次に底がビーカーが出てくるが、このい部分は素焼きのセラミックで、微細ながたくさんあいている。最初ビーカーにはHe Iが入っている(沸騰している液体)。λ転移が起こってHe II(沸騰がやんだ状態)になると下からぽたぽたと液体が漏れているのが見える。性のある流体はとても小さいを通ることができないので、この実験はHe II性抵抗なしに流れることを示している。

次につり下げられた容器が出てきて、He IIをよじ登って外にこぼれていくことが説明されている。ヘリウム原子は容器との引ファンデルワールス)によって容器の側面に吸着して薄い膜を作る。この膜の厚さは液面からの高さによるが、だいたい1nm程度、原子数個の厚みである。He II性がないのでこのような薄い膜状でも流れることができて、サイフォンの原理によって外へこぼれていく。これをフィルムフローという。

最後に効果実験をしている。動画だとわからないが中央の筒は下に細かな粉がつめてあって性のある流体では通れなくなっている。筒の中のHe IIを熱すると下からHe IIが流れ込んできて噴が起きる。このように温度差が流れを作る現機械効果(thermomechanical effect, 熱-力学効果)という。


二流体理論


上に述べたHe IIの性質のうち、フィルムフローや細かいを通れることは性がゼロになった結果の現だが、熱伝導が異常にいいことや熱機械効果はそれだけでは説明がつかない。

また、He II性も計り方によってはゼロでない値をとる。液体の中に円盤を入れて回転させ、液体からの抵抗によって動きが鈍るのを計測する方法だと、He IIも有限の性を示す。

こういったHe IIの性質を説明するための模型として二流体理論が提唱された。He II性を持った流体と、性を持たない流体の2成分からなるというもの。前者を常流体後者流体という。He IIが実際に二種類の流体の混合になっているというよりも、このように考えるとうまく説明がつく、と理解してほしい。これらの物理的実体が何かという説明には量子力学が必要になってくる。

流体の密度と常流体の密度の和はHe IIの密度に等しい。低温になるほど流体の占める割合が大きく、絶対零度では全て流体となる。流体はエントロピー0である。温度を上げていって、常流体が100%になる温度λ転移の温度である。常流体と流体の二つ流体は互いに妨げられることなく独立に流れる。

上述のHe IIの振る舞いは二流体理論では次のように理解できる。


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最終更新日: 12/11/23 07:08
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