Superšķidrums (superplūstība): definīcija, īpašības un pielietojumi
Superšķidrums: definīcija, unikālas īpašības un pārsteidzoši pielietojumi — no nulles viskozitātes līdz gaismas lēnināšanai un kosmiskajiem pētījumiem.
Superšķidrums (superplūstība) ir vielas stāvoklis, kad šķidrums izrāda īpašas, netipiskas uzvedības formas, kas atšķiras no parastiem šķidrumiem. Šo parādību visbiežāk novēro pie ļoti zemām temperatūrām.
Galvenās īpašības
- Nulles viskozitāte: superšķidrumi var plūst praktiski bez iekšējās berzes. To plūstamību parasti raksturo viskozitāte, un superšķidrumiem tā ir tik maza, ka šķidrums var izplūst no trauka pat tad, ja trauks nav nolocīts.
- Rollina plēve un kāpšana pa sieniņām: daži superšķidrumi veido ļoti plānu plēvi (Rollina plēvi), kas var izplūst pāri malu un "kāpt" pa trauka sieniņām.
- Kvantēti virpuļi: plūsma superšķidrumā var veidot tikai noteikta lieluma (kvantētas) virpuļus — tas atšķiras no parastiem turbulences modeļiem.
- Divu komponentu (divu šķidrumu) modelis: superšķidrumu var aprakstīt kā kombināciju no normālā (ar parastu viskozitāti) un superšķidrā komponenta; šo modeli izmanto, lai izskaidrotu siltuma un plūsmas uzvedību.
- Otrā skaņa: superšķidrumos var izplatīties siltuma viļņi kā blīvuma/temperatūras svārstības, ko sauc par "otro skaņu".
Kā rodas superplūstība?
Superšķidruma stāvoklis parasti rodas, kad materiāls tiek atdzesēts līdz ļoti zemu temperatūru robežām, tuvu absolūtajam nulles punktam. Piemēram, šķidrais hēlijs kļūst par superšķidrumu pie dažām kelvina desmitdaļām (helium‑4 lambda punkts ~2.17 K). Lai izveidotos superplūstība, nepieciešama koherentā kvantu stāvokļa veidošanās — bieži to saista ar Bose–Einšteina kondensāciju vai ar fermionu pāru veidošanos atkarībā no vielas veida.
Pielietojumi un eksperimenti
Praktiskie pielietojumi un zinātniskie eksperimenti, kuros izmanto superšķidrumus vai līdzīgas kvantu kondensētas vielas, ietver:
- Kosmosa infrasarkanā novērošana: lai iegūtu datus par infrasarkanajiem viļņiem kosmosā, 1983. gadā īpašā tālvadības ierīce tika dzesēta ar superšķidru hēliju ar temperatūru -271,4 grādi pēc Celsija (−456,2 grādi pēc Fārenheita).
- Precīzie žiroskopi un mērījumi: superšķidrumi var tikt izmantoti žiroskopos un citos ļoti jutīgos instrumentus, lai reģistrētu smalkas kustības vai gravitācijas ietekmi, kur parastie instrumenti nav pietiekami precīzi (gravitācijas mērījumi).
- Gaismas palēnināšana izmantojot kvantu kondensātus: eksperimentos ar Bose–Einšteina kondensātu (kuru var uzskatīt par superšķidrumam radniecīgu stāvokli) gaismas impulsi tika ļoti strauji palēnināti. Viens no šādiem rezultātiem bija gaismas kūļa pazemināšana no tā parastā ātruma (tās parastā ātruma) līdz aptuveni 38,03 mph (62,2 km/h), tas ir miljoniem reižu lēnāk nekā vakuumā jeb zīmīgi mazāk nekā gaismas ātrums tukšumā.
Jāatzīmē, ka praktiskie pielietojumi ierobežojas ar to, cik zemu temperatūru var uzturēt un cik sarežģīta un dārga ir nepieciešamā aprīkojuma uzturēšana. Tomēr superšķidrumi ir nozīmīgi gan pamatzinātnē (kvantu fenomenu pētīšanai), gan tehniskās lietojumprogrammās, kur nepieciešama augsta jutība vai īpašas termodinamiskas īpašības.
Atšķirība no supersolīdiem
Pastāv arī cits vielas stāvoklis, ko sauc par supersolidiem, taču tā rašanās mehānisms un īpašības ir sarežģītākas un joprojām tiek pētītas. Supersolīdos kombinējas kristāliska (cieta) struktūra ar superplūstības elementiem — to eksistence un interpretācija ir bijusi priekšmets intensīviem eksperimentiem un diskusijām.
Kopsavilkums
Superšķidrums ir kvantu mehānisks vielas stāvoklis ar unikālām īpašībām: praktiski nulle viskozitātes, spēja veidot Rollina plēvi, kvantēti virpuļi un citi fenomeni. To galvenokārt iegūst pie ļoti zemām temperatūrām, un tas ir nozīmīgs gan pamatfizikā, gan specifiskos tehniskos pielietojumos.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir supertecība?
A: Supertecība ir vielas stāvoklis, kad šķidrums var plūst ārkārtīgi viegli ar nulles viskozitāti.
J: Kā superplūsma uzvedas traukā?
A: Supertecība var izplūst no konteinera, pat ja tas nav apgāzts. Kad konteiners tiek griezts, tas paliek nekustīgs, nevis sāk virpuļot, izņemot gadījumus, kad tas tiek griezts ar noteiktu ātrumu un virs tā.
J: Kas nepieciešams, lai radītu supertecību?
A: Zinātnieki ir spējuši radīt supertekūdeņus tikai ļoti zemās temperatūrās.
J: Kādi ir supertecējumu izmantošanas veidi zinātnē?
A.: Supertekūdeņiem ir dažādi pielietojumi zinātnē, piemēram, tos izmanto īpašā satelītā, lai iegūtu informāciju par infrasarkanajiem viļņiem kosmosā, izmanto žiroskopos, lai palīdzētu mašīnām paredzēt informāciju par gravitācijas kustību, un izmanto, lai aizturētu un palēninātu gaismas staru kūli.
J: Kas ir supersolidā viela?
A.: Supertieviela ir vēl viens vielas stāvoklis, bet tās veidošanās process ir sarežģītāks.
J: Kas ir viskozitāte?
A: Ar viskozitāti mēra, cik viegli šķidrums var plūst. Jo lielāka viskozitāte, jo šķidrums ir izturīgāks pret tecēšanu.
J: Vai virsplūsma var rasties istabas temperatūrā?
A: Nē, pašlaik zinātnieki ir spējuši radīt supertecību tikai ļoti zemā temperatūrā.
Meklēt