百科首頁(yè) > 正文

超流體（完全缺乏黏性的物質(zhì)狀態(tài)）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-20

來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )整理

精選百科

本文由作者推薦

超流體

完全缺乏黏性的物質(zhì)狀態(tài)

超流體是一種物質(zhì)狀態(tài)，特點(diǎn)是完全缺乏黏性。如果將超流體放置于環(huán)狀的容器中，由于沒(méi)有摩擦力，它可以永無(wú)止盡地流動(dòng)。例如液態(tài)氦在2.17 K以下時(shí)，內摩擦系數變?yōu)榱悖簯B(tài)氦可以流過(guò)半徑為十的負五次方厘米的小孔或毛細管，這種現象叫做超流現象(Superfluidity)，這種液體叫做超流體(Superfluid)。

基本信息

中文名	超流體
外文名	Superfluid
類(lèi)型	物質(zhì)狀態(tài)
特點(diǎn)	完全缺乏黏性
狀態(tài)	物態(tài)

簡(jiǎn)介

超流體

超流體是一種物態(tài)，特點(diǎn)是完全缺乏黏性。如果將超流體放置于環(huán)狀的容器中，由于沒(méi)有摩擦力，它可以永無(wú)止盡地流動(dòng)。它能以零阻力通過(guò)微管，甚至能從碗中向上“滴”出而逃逸。

液態(tài)氦在2.17 K以下時(shí)，它的內摩擦系數變?yōu)榱悖@時(shí)液態(tài)氦可以流過(guò)半徑為十的負五次方厘米的小孔或毛細管，這種現象叫做超流現象(Superfluidity)，這種液體叫做超流體(Superfluid)。

起源

超流體是超低溫下具有奇特性質(zhì)的理想流體，即流體內部完全沒(méi)有粘滯。超流體所需溫度比超導體還低，它們都是超低溫現象。氦有兩種同位素，即由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成的氦4和由2個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子組成的氦3。液態(tài)氦-4在冷卻到2.17 K以下時(shí)，開(kāi)始出現超流體特征， 20世紀30年代末，蘇聯(lián)科學(xué)家彼得·卡皮察首先觀(guān)測到液態(tài)氦4的超流體特性。他因此獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎。這一現象很快被蘇聯(lián)科學(xué)家列夫·郎道用凝聚態(tài)理論成功解釋。不過(guò)，科學(xué)家直到20世紀70年代末才觀(guān)測到氦3的超流體現象，因為使氦3出現超流體現象的溫度只有氦4的千分之一。

超臨界的特殊流動(dòng)性

超流體的應用目前尚在研究之中。不過(guò)，這一領(lǐng)域已經(jīng)曙光初現。2002年，德國科學(xué)家實(shí)現銣原子氣體超流體態(tài)與絕緣態(tài)可逆轉換。世界科技界認為該成果將在量子計算機研究方面帶來(lái)重大突破。這一成果被中國兩院院士評為2002年世界十大科技進(jìn)展之一。

原理

實(shí)驗發(fā)現，液氦能沿極細的毛細管流動(dòng)而幾乎不呈現任何粘滯性，這一現象首先由卡皮查于1937年觀(guān)察到的，稱(chēng)之為超流性，實(shí)驗還發(fā)現，存在一個(gè)臨界速度v，在v以上，超流流動(dòng)被破壞。氦由正常流體和超流體兩部分組成，其中超流部分沒(méi)有粘滯性，熵也為零，而正常流體部分的性質(zhì)與普通的經(jīng)典流體一樣，具有粘滯性和熵，朗道認為超流成分則是在理想背景流體上的一些元激發(fā)。

碳納米管膜可以形成超流體

于量子液體低于某臨界轉變溫度會(huì )形成超流態(tài)。比如氦最豐富的同位素，氦-4，在低于 2.17 K(?270.98°C) 時(shí)便會(huì )變成超流體。氦-4形成超流態(tài)的相變稱(chēng)為Lambda相變(Lambda transition)，因它的比熱容對溫度曲線(xiàn)形狀如同希臘字母“λ”一樣。凝聚態(tài)物理學(xué)中一些相近的相變亦因而叫作Lambda相變。氦較貧乏的另一種同位素，氦-3，在更低的 2.6 mK 成為超流體。這個(gè)溫度只是比絕對零度高幾個(gè)毫開(kāi)爾文。

雖然這兩個(gè)系統的超流體表征很相似，但其本質(zhì)卻是南轅北轍。氦-4是玻色子，其超流性質(zhì)可以用玻色-愛(ài)因斯坦統計解釋。可是，氦-3是費米子，其超流性必須用到描述超導體的BCS理論之推廣才可了解。其中，原子代替了電子形成庫柏對(Cooper pair)，而它們的吸引作用力調控機制由自旋波動(dòng) (Spin fluctuation) 代替了聲子。詳情請參看費米子凝聚態(tài)。超流體和超導體的統一理論可以以規范對稱(chēng)破缺(Gauge symmetry breaking) 表達。

超流體，如超冷凍的氦-4，有很多稀奇的性質(zhì)。它就像一般液體加上超流體的特有的性質(zhì)，如全無(wú)粘性、零熵度，和無(wú)限大的熱傳導率。(故此在超流體中出現溫差是不可能的，就如超導體內沒(méi)有電勢差一樣。)其中最令人嘆為觀(guān)止的是“熱機效應”(Thermomechanical effect)，或稱(chēng)“噴泉效應”(Fountain effect)。如一纖細管放在一池超流氦之中，而纖細管被加熱 (如對它照光)，氦便會(huì )爬上管頂。這是克勞修斯-克拉佩龍方程的結果。另一樣奇特現象是超流氦可以在任何放置它的容器表面上形成一層單原子厚度的液體薄膜。

一個(gè)比零粘性更為基本的性質(zhì)是超流體在旋轉的容器中會(huì )有量子化的渦度，而不會(huì )隨容器均勻轉動(dòng)。奇怪的是這個(gè)旋轉體會(huì )相對與恒星保持穩定。

應用

超流體其中一個(gè)重要的應用是稀釋制冷機 (Dilution refrigerator)。

超流氦-4已成功用作化學(xué)領(lǐng)域光譜分析技術(shù)的量子溶劑。在超流氦滴光譜分析 (SHeDS) 中，單個(gè)分子溶于超流介質(zhì)之中，使之有有效的旋轉自由度，如同在氣態(tài)之中。這引起了對氣體分子研究的極大興趣。

超流體亦用于高精度儀器，如陀螺儀。它可以量度一些理論預測的引力效應。詳情可參看-引力探測器b。

更多的發(fā)現

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家在劍橋發(fā)現一種新物質(zhì)態(tài)：超流氣體。這種物質(zhì)是 50 nK 的鋰-6。

此外，于 2004 年賓州州立大學(xué)的物理學(xué)家亦發(fā)現了超固體。當氦-4在高壓冷凍到 2 K 以下，超流體便相變成超固體。它亦可以零粘度流動(dòng)。

雙原子分子氫 (H2) 亦有超固態(tài)。

超流體相關(guān)的文章

侯賽因·伊本·塔拉勒（約旦哈希姆王國第三代國王）

侯賽因·伊本·塔拉勒（Hussein Ibn Talal 1935年-1999年），約旦哈希姆王國第三代國王、陸海空三軍最高統帥。

正統（明英宗朱祁鎮第一個(gè)年號）

正統為中國明朝第六位皇帝明英宗朱祁鎮第一個(gè)年號（1436年-1449年），始于1436年（正統元年），至1449年（正統十四年），共十四年。

兩伊戰爭（伊拉克和伊朗之間的邊境戰爭）

兩伊戰爭是在帝國主義挑動(dòng)下，伊朗和伊拉克在1980年9月22日到1988年8月20日期間進(jìn)行的一場(chǎng)邊境戰爭。兩伊戰爭爆發(fā)在冷戰時(shí)期、持續8年之久。是“二戰”以來(lái)傷亡人數最多、損失最大的一場(chǎng)局部戰爭。對交戰雙方、中東地區乃至全球的國際政治格局都產(chǎn)生了巨大的影響。兩伊交戰的原因相當復雜，涉及到領(lǐng)土糾紛、

布拉格（捷克共和國的首都）

布拉格是捷克共和國的首都和最大的城市，位于該國的中波希米亞州、伏爾塔瓦河流域。該市地處歐洲大陸的中心，在交通上一向擁有重要地位，與周邊國家的聯(lián)系也相當密切。布拉格的面積為496平方公里，截至2022年1月，人口約為127.5萬(wàn)。布拉格是一座歐洲歷史名城，城堡始建于公元9世紀。1345—1378年，在