物理新视点分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yych66

博文

前沿问题(11)(固体中是否有超流动性?如何解释?)

已有 1308 次阅读 2019-1-14 19:38 |个人分类:物理新视点|系统分类:论文交流

                超流原理

                                                           晏成和

《SCIENCE》杂志,发表了全世界最前沿的125个科学问题 。《科学前沿》在转载时扔下一句话:敢来挑战么?

关于物质物理的的问题有4个,以下按原题号进行阐释、应战。

 

45.固体中是否有超流动性? 如果有,如何解释?

超流动性,就是超流。我们先来谈谈超流。在平常,我们习惯了水往下流。超流却是液体向上流,超流是极低温下物质表现出的有趣现象。确实是自然之谜。

 

【实验】随着制备低温技术的提高,所能达到的低温接近0 K。在2.19K时,液氦奇特、超常理的现象发生:液态氦沿着容器的壁向上爬,爬出瓶口向外流;在液氦中插一支很细的玻璃管,液氦立即沿着玻璃管向上喷出,形成液氦喷泉。人们把液氦这种异常的流动现象叫做超流。


超流震惊了科学界,“这怎么可能!地球的的引力消失了,”“会不会弄错?”然而可以N次重复的事实摆在那里,实在是叫科学界兴奋,又大伤脑筋。

超流是怎样形成的?温度在5K以下,所有的物体都是固态,为什么只有氦是液态?这也是当代科学界无人能回答的问题。

 

超流给物理学者出了一道难题,水往低处流,是亘古不变的常识,地球的引力从来都是存在的,是向下指向地心的。它怎么能向上流、往上喷?不少的学者为了破解这一难题提出了各种假说,作了非常复杂的计算,但是终难自圆其说。

 

有的说在极低的温度之下,形成了引力屏蔽,可是刚向上喷出的液氦立即就落了下来。有的说,在极低的温度之下,液氦的粘滞力降低(这是实验事实),使得原子之间产生斥力,推着液氦向上爬。可是液氦的粘滞力再低,也仍是存在内聚力的液体,如果原子之间产生斥力,那就会形成氦气,可向上爬着的液氦,仍然是液体。

 

还有更多的假说都不成立,在此,不打算批驳特殊相变等离奇的超流理论,深信大自然物质的本源是系统、连贯的。在低温虽然发生了特殊的现象,但是,氦的本质仍然是与其它物质一脉相承,同样是质子、电子构成的原子。我们还是遵循自然的提示,去深入探讨液氦超流的物理机理。


  超流虽然神秘,必须紧扣超流最关键的条件是低温,那么我们就关注低温。在此,有必要回顾之前文章关于温度的重要结论:温度高——核外电子速率高;温度低——核外电子速率降低。 依据核外电子运转速率随温度变化的重要规律、依据温度-核外电子运转速率-物质特性之间的关系,来解答超流原理。结论来源请看附后的“参考阅读”。[1]

 

超流的本真是核外电子的规律运动的自然效应。大自然总是遵循简单原则,超流现象的原理并不复杂,超流其实也是液氦的核外电子的规律运动的结果: 

氦是惰性元素,常温下,两个价电子绕着一个氦核呈球状包围,高速旋转,形成稳定的单原子气体。在极低的温度下,核外电子转速降低,线路也由原来的球状包围降低为立交运转,电子运转的价磁力显现出来,使原子相互吸引靠近,形成了液氦。


进一步降低温度,氦的两个价电子的运转速率继续降低,原子仅有两个电子,对称在一个平面运转,如同原子核心的一条腰带,核心两头的大部分表面得不到电子的覆盖,不能满足核心对电子的需求。而盛装液氦的容器(玻璃或金属罐)物质的原子的核外电子数较多。于是,渴求电子覆盖的氦原子就爬附到容器壁上,让得不到电子的覆盖的表面去靠近那里的运转着的电子,以满足核心各面对电子的需求。


而容器材料的核外电子都是有固定的归属的,氦核得不到容器的核外电子,自身的电子又少又慢,于是氦原子只有往容器壁上贴,拥挤着沿着容器壁向上靠,下面挤满了就向上爬附,于是就形成了液氦沿着容器壁向上爬,爬出瓶口向外流,形成了所谓的超流。

在液氦瓶中插一支很细的玻璃管,许多氦原子都立即往玻璃管壁向上靠去,液氦都沿玻璃管向上挤,向上运动的惯性,形成液氦喷泉。


温度进一步降低,液氦核外电子速率更慢,虽然粘滞性小了,但氦核对电子流过身边的需求不减,超流频频发生。

可见超流的形成,不是什么特殊相变,也不是“引力屏蔽”。超流是液氦的核外电子随温度规律运动的又一例证。超流并不是物质不受阻碍地自由移动,而是发端于核心本性,在本性驱使下靠近电子场——目的性很强的运动。


超流和超导一样,是低温条件下物质核心对核外电子需求的天然表现:超导发生在固体,核心的位置固定,只能让价电子共享;超流时液氦核的粘滞性小、核外电子又少,原子只能自己去攀附容器表面去感受物体的外电子。由此找到了超流、超导的共同原因,逻辑一致,两者形成的原理互洽。

 

所有物质在5 K以下都凝结成固体, 是因为在低温下,物质是的价和电子是围绕两个核心形成椭圆轨道、作长路径平面运转,电磁力指向稳定,低温下能够形成稳定固体。


只有液氦到极冷,接近0 K还是液态。这是因为:

1、在极低的温度下,氦的两个电子由立交运转进入平面运转,如果核外电子运转平面平行,伴生稳定的电磁力相互吸引,氦有可能形成固体。然而氦原子的特殊构成,使其内部电磁力却难以稳定、固体不能建立。

2、极低的温度下,氦两个电子是绕着单个原子核在平面运转,运转路径短、而且是圆轨道,所围平面小,路径内所围面积与原子高度之比不到一般物质的一半,所以不稳定,不能形成固态。

3、温度低,氦的价电子转速缓慢,所产生的电磁力弱小,所以粘滞性降低;氦原子没有内层电子,两个电子运转在腰部、上下两头没有电子覆盖,原子核就吸引相邻原子的电子从空着的面上的流过,以满足核心各面对电子的需求。所有的氦核都是这样相互吸引、相互干扰,导致所有原子的价电子运转不稳,所伴生的电磁力方向散乱。所以氦原子形成不了电磁力的方向稳定的固体,只能维持氦的液体状态。

以上三条决定了液氦,就算是达到0 开,氦元素在自然压力下仍然是液态,有着超流特性。

 

本文的原问题是:固体中是否有超流动性?是因为研究人员把氦-4元素制成了人工的氦固体,并且在实验中发现了超流动性存在的迹象。

 

2004年宾州州立大学的研究团队把氦-4置于低温和很大的压力之下,使得原子没有了移动、转身的空间,价电子之间相对平行稳定,形成了固体氦。

 

他们将固态氦-4样品放入容器中,使容器在极低的温度下以不同速度振荡,并且测定固氦样品的转动惯量。当转速达到 1000r/s,温度低至约 0.2 开时,他们发现固氦的转动惯量突然减小,其中有 1% 样品相对实验室参照系保持静止,而其余 99% 正常转动。

 

于是研究者认为这样品中这1%失去惯性氦具有“固体的超流动性”,可以在固氦中任意穿行。依据人们把液体的“任意流动”叫做超流,研究者把这能够在固体中任意穿行叫做“超固体”。这1%失去惯性氦叫什么不重要,关键是应该找到这惯性失去的原因和机制。

 

该团队的实验确实精细、高明,关键词:氦-4、高压、低温、高转速。

氦-4在高压、低温之下形成固体,在极低温之下氦核外电子速率很低,原子在高压失去本性地成为固体,导致氦核与核外电子的联系很弱。外部1000转/秒的高速转动,惯性力使得一部分氦核与自身的核外电子滑脱、后移,导致固氦的转动惯量突然减小。

 

当然,这与自身的核外电子滑脱、后移的氦核肯定不是百分之一,而是有百分之几十,只是它们在滑脱一小段后又跟上。百分之几十的氦核随机滑脱一小段后又跟上,整体效果上与1% 样品保持相对静止相当。不可能有1% 的氦原子在自己的同类飞转中保持静止。

 

氦-4还有一个特性——能够穿透玻璃杯。这是因为玻璃内部结构空间较大,氧化硅内有大量的价电子。低温氦-4容易与自身的核外电子滑脱,在压力之下,氦核拖着一个电子,鱼贯地钻过玻璃,然后再组合成氦原子、液氦。

2019/1/12





http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1157064.html

上一篇:科学前沿问题(10)(高温超导性之后的成对机制)
下一篇:前沿问题(12)(44.是否存在稳定的高原子量元素?)

3 张明武 宁利中 杨正瓴

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (2 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-4-26 10:22

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部