Supratekutá látka

Hélium II sa vzlína po povrchoch, aby našlo svoju vlastnú hladinu - po krátkej chvíli sa hladiny v dvoch nádobách vyrovnajú. Rollinova vrstva tiež pokryje vnútrajšok väčšej nádoby; ak by nebola zatvorená, hélium II by sa vyplazilo von a uniklo.

Supratekutá látka alebo supratekutina (z lat. supra = nad) je kvapalina s nulovou viskozitou. Supratekutosť bola pozorovaná iba pri dvoch izotopoch hélia (tj.⁴He a ³He) pri teplotách blízkych absolútnej nule. V ich zmesiach, a teoreticky sa predpokladá, že aj tzv. spinovo polarizovaný vodík sa môže stať supratekutým, sú určité indície, že aj neutrónové hviezdy sú tvorené supratekutým kondenzátom.

Supratekutosť objavil roku 1938 Rus Piotr Leonidovič Kapica, a to na ⁴He pri teplotách nižších ako 2,17 K (tzv. lambda bod). Pôvodne túto vlastnosť hélia pomenoval tepelná supravodivosť, kvôli tomu, že v supratekutom héliu je takmer nemožné vytvoriť tepelný gradient. Teóriu supratekutosti vytvoril Lev Davidovič Landau v roku 1941.

Supratekuté hélium ⁴He

Vlastnosti ⁴He nad teplotou 2,17 K (tzv. lambda bod T_λ), kvôli tomu sa aj zaviedol názov He I pre T>T_λ a He II pre T<T_λ. Najmarkantnejšie sa rozdiely vo vlastnostiach He I a He II prejavujú vo viskozite a tepelnej vodivosti. V roku 1938 Kapica meral viskozitu He II. He II pretekalo veľmi úzkou štrbinkou medzi vybrúsenými diskami. Z pokusu vyplynul záver, že ak má He II nejakú konečnú hodnotu viskozity, tak je najmenej miliónkrát nižšia než viskozita He I. Aj ďalšie experimenty preukázali v podstate nulovú viskozitu He II.

Dvojkvapalinový model

Vysvetlenie fyzikálnej podstaty supratekutosti nie je jednoduché. He II v množstve pokusov vykazovalo existenciu viskóznych trecích síl. Z toho plynulo, že He II sa správa ako supratekutá a viskózna látka súčasne. Tento „paradox“ je dôležitou časťou popisu fyzikálnych vlastností He II, ide o tzv. dvojkvapalinový model, ktorým možno vysvetliť veľa vlastností. Prvý pokus o dvojkvapalinový model je z roku 1938 od maďarského fyzika Lászlóa Tiszu (pozri časopis Nature 141 z roku 1938). Podľa jeho modelu sa He II správa ako zmes dvoch zložiek. Normálnej, ktorá ma konečnú viskozitu a supratekutej – bez viskozity. Je však veľmi dôležité si uvedomiť, že nemožno konkrétne atómy hélia priradiť tej-ktorej zložke, pretože ide o bozóny a teda majú celočíselný spin a neriadia sa Pauliho vylučovacím princípom a platí pre ne Boseho-Einsteinove rozdelenie. Teda v totožnom stave (z hľadiska kvantovo-mechanického) môže existovať celý súbor častíc (atómov). Dvojkvapalinový model je čisto fenomenologický. Základným predpokladom je nezávislosť oboch zložiek. Hustota He II daná vzťahom $\varrho =\varrho _{n}+\varrho _{s}$, kde $\varrho _{n}$ je hustotou normálnej a $\varrho _{s}$ hustotou supratekutej zložky. Podobne pre prúdovú hustotu platí: ${\vec {j}}=\varrho _{n}\cdot {\vec {v}}_{n}+\varrho _{s}\cdot {\vec {v}}_{s}$ . Tento vzťah platí dobre pre malé rýchlosti prúdenia, kde možno zanedbať turbulenciu medzi zložkami.

Literatúra

• SKRBEK, Ladislav a kol. Fyzika nízkých teplot. 1. vyd. Praha : Matfyzpress, 2011. ISBN 978-80-7378-168-2. (po česky)
• ŠAFRATA ... [ET AL.], R.S.. Fyzika nízkých teplot. 1. vyd. Praha : Matfyzpress, 1998. Vo formáte PDF, veľkosť 25,5 MB. Dostupné online. ISBN 80-85863-19-7. (po česky)^{[nefunkčný odkaz]}

Externé odkazy

Fyzikálny portál Chemický portál

• Skupina supratekutosti na katedre fyziky nízkych teplôt MFF UK Praha Archivované 2014-10-19 na Wayback Machine