液態氦

　　氦(He)是在常壓下，在沸點以下直至絕對零度仍保持液態的唯一的物質。He原子是球形對稱的，原子間的相互作用(範德瓦耳斯力)比任何其他物質都小。氦原子的品質甚輕，因而具有很高的零點能。上述二特性使氦難於液化，更難凝固。大氣壓下⁴He的沸點是4.215K，³He的沸點是3.191K（³He和⁴He是氦的兩種穩定的同位素）。⁴He的相圖上沒有三相點，在沸點以下直至絕對零度一直保持液態，除非施加25個大氣壓以上的壓力才能凝成固態。⁴He的臨界點是5.20K，臨界壓力是2.26個大氣壓。液態氦首先由H.開默林－昂內斯在1908年制得。

　　液⁴He　相圖　液 ⁴He 具有性質完全不同的兩個液態相──HeⅠ和HeⅡ。兩相間的轉變溫度稱為 λ點。在飽和蒸氣壓下λ點為2.172K。對應不同的壓力，λ點的數值不同（λ線，圖1）。當液氦溫度降低至λ點時，沸騰突然停止，液面完全平靜。在λ點，比熱容值不連續，但潛熱為零，所以λ轉變是二級相變。液⁴He 的密度在λ點有極大值， 在λ點以下隨著溫度的降低略有減小，趨於常數。介電常數在λ點也不連續。λ點以下，傳熱本領特強。

　　HeⅡ 的基本特性　HeⅠ 具有普通粘滯流體的性質。HeⅡ 則具有許多非常奇異的性質。最引人註目的是它可以完全無阻地流經極細的管道或狹縫而不損耗其動能，這種性質稱為超流動性。HeⅡ的超流動性是∏.Л.卡皮察在1938年發現的。他發現當 HeⅡ流經間隙小於 10^-4cm的狹縫時，粘滯性小於 10^-11泊。HeⅡ的另一個奇異性質是噴泉效應。當一開口容器填以極細的金剛砂細粉，置於HeⅡ 池中，通過加熱器使容器中的溫度略高於外液池溫度，這時液He即由氦池進入容器，使內液面升高，若容器另一端開有細嘴，則流體會從上端噴出，猶如噴泉(圖2)。此效應亦稱熱機械效應。它的逆效應是機械熱效應。氦膜流動是 HeⅡ超流動性的又一表現。覆蓋於與液氦相接觸的物體表面的一層極薄的膜稱為氦膜（約為50～100個原子厚度）。氦膜可以完全無阻地沿器壁流動。當一容器浸入 HeⅡ液池中，如果一開始液面低於外液池液面，則液體通過氦膜沿器壁流入容器，直到內外液面相平。反之亦然，如果將容器提出液面，則液體沿氦膜流出，直到流盡為止。氦膜的流速幾乎與壓力差和膜的長度無關。

　　理論　在⁴He 的理論方面，早期F.倫敦和L.蒂薩提出玻色-愛因斯坦凝聚理論。⁴He 原子是玻色子，遵從玻色-愛因斯坦統計（見量子統計法），因此倫敦認為，λ轉變是理想玻色氣體在低溫下的凝聚。由這一理論得到轉變溫度為3.1K。HeⅡ的唯象理論是Л.Д.朗道提出的二流體模型。這一模型將HeⅡ看做是由相互獨立而又互相滲透的兩部分流體組成的。一部分為正常流體，熵不為零和有粘滯性，性質與普通粘滯流體相同；另一部分為超流體，熵為零，無粘滯性。兩部分流體密度之和等於整個流體密度ρ。即

，式中 ρ _n為正常部分密度， ρ _s為超流部分密度，超流部分處於基態，正常部分處於激發態。在絕對零度，整個體系處於基態， ρ _n＝0，隨著溫度的增加， ρ _n逐漸增加。至 λ點，整個流體變為正常流體， ρ _s=0，兩部分流體的動量之和為整個流體的動量。即 。由此出發得到HeⅡ的一系列流體力學性質，成功地解釋瞭HeⅡ中的奇特現象。

　　HeⅡ 整個體系的狀態可用元激發組成的理想氣體的運動來描述，元激發譜由動量能量關系給出。低能元激發為聲子，其能量ε與動量p成正比，系數即為聲速，即ε＝cp。較高能量的元激發稱為旋子，其能量動量關系為

μ為有效質量。在動量 p0處能量有一極小值 Δ（圖3）。在極低溫度時，聲子是主要的；在1K以上的溫度，旋子是主要的。這一套元激發遵從玻色-愛因斯坦統計，由統計力學可以得到體系的寵觀熱力學性質，同時也可得到正常流體密度 ρ _n的定量表達式。這一模型給出的結果與實驗符合得很好。HeⅡ 能譜也為以後的慢中子非彈性散射實驗所證實。

　　HeⅡ中的聲傳播　在HeⅡ中傳播的聲波，除去普通的密度波（稱為第一聲）外，還有第二聲（B.丕希科夫，1944），即流體總密度不變，但正常流體和超流體相對運動，是一種溫度波或稱為熵波。第三聲是氦膜中的表面波。在器壁表面，由於粘滯性的存在，正常流體部分是靜止的；沒有粘滯性的超流部分的振動引起超流密度在各點的變化，從而形成各點溫度的波動。第四聲存在於極細的填以多孔介質的超流管道中，也是正常部分靜止，但由於沒有自由表面，所以同時也伴隨總密度的波動。

　　HeⅡ 中的渦旋態　HeⅡ 完全無摩擦的持續流動隻在速度很小時存在，當速度大於某一臨界速度時，超流部分的運動也不再是完全無耗散的。這時，HeⅡ 出現渦旋態。渦旋線中心有一個超流部分為零的芯子，超流部分環繞芯子的速度隨著離芯子距離的增加而反比地減小。速度的環流強度是量子化的，R.P.費因曼從他假定的HeⅡ 的量子波函數出發推斷出渦旋運動的存在和環流強度量子化。HeⅡ中宏觀數目的原子處於同一量子態上，這就導致瞭宏觀物理量的量子化效應，稱為“宏觀量子效應”。渦旋態時超流部分與正常部分之間的相互作用稱為“內相互摩擦”。

　　液³He　³He是⁴He 的同位素，在絕對零度要施加34個大氣壓才能固化。³He原子核的自旋為半整數，是費密子，遵從費密-狄喇克統計。在0.1K以下，正常液體³He 的性質可以用朗道的費密液體理論來很好地描述:液體³He可以看成是一些³He 準粒子的集合，準粒子之間的相互作用可用推廣的分子場來表示，當溫度降低時，準粒子的平均自由程按1/T²增加，費密液體理論預言，即使在一個周期之內，準粒子之間沒有任何碰撞，內部分子場的存在，仍然可以傳播疏密波，但其衰減常數不同於普通的聲波(第一聲)，不是正比於1/T²，而是正比於T²，稱為零聲波，這已為實驗所證實。

　　1972年D.D.奧舍羅夫等人在 2mK的低溫下發現瞭兩個新的³He相，即³He-A相和³He－B相，均為超流相。在超流相中，³He原子結成相對角動量量子數l＝1總自旋量子數S=1的P波對，一共有三個超流相：溫度較高時先出現的A相，A相中有自旋都向上或都向下的兩種對：在磁場中A相分裂成A₁相及A相，A₁相隻有一種自旋方向的對；溫度較低時，A相相變到B相，B相中有P波對中所有可能的三種對。這些超流相有許多不尋常的性質。

　　稀釋致冷機　實驗發現，當溫度高於0.87K時，³He和⁴He 是完全互溶的溶液；當溫度低於0.87K時，溶液則分離成兩相：即稀³He相（稀釋相）和濃³He相(濃縮相)。兩相分離後，³He 原子從濃縮相進入稀釋相是一個熵增加的過程，會產生致冷效果。利用這一原理制做的稀釋致冷機，是獲得極低溫的重要手段（見超低溫技術）。³He-⁴He混合液在物理上也是個很有趣的體系，如稀³He溶液中³He原子在施加磁場時較易於極化，混合液中³He原子在溫度降低時也可能有配對的相變發生等等。

　　

參考書目

　F.London， Superfluids，Vo1.2，John Wiley & Sons，New York， 1954.

　K.R.Atkins，Liquid Helium，Cambridge Univ. Press，London， 1959.

　I.M.Khalatnikov，Introduction to the Theory ofSuperfluidity，Benjamin， New York， 1965.

　W. E. Keller， Hellium-3 and Hellium-4， Plenum Press，New York， 1969.