гелий твёрдый

ГЕЛИЙ ТВЁРДЫЙ - гелий в кристаллич. состоянии, существует только при достаточно высоких давлениях. Известны три устойчивые кристаллич. модификации ⁴He: гексагональная плотноупакованная при давлениях выше 25 атм (2,5 МПа); кубическая объёмноцентрированная в узкой области диаграммы состояния ⁴He, примыкающей к кривой плавления в интервале темп-р 1,46-1,77 (см. рис. 1 к ст. Гелий жидкий); кубическая гранецентрированная при темп-pax Т>14,9 К и давлениях > 105 МПа (1050 атм). Для Г. т. характерны низкая плотность (до 0,19 г/см³) и высокая сжимаемость (до 3,5*10^-8 Па^-1). При исследовании механич. свойств Г. т. обнаруживает высокую пластичность ,предел текучести при сдвиговых деформациях порядка 10³ Па. По оптич. свойствам Г. т., как и жидкий гелий,- прозрачная бесцветная среда, показатель преломления к-рой близок к 1 (1,038 при 2,5 МПа), гексагональная плотноупакованная фаза обладает слабым двойным лучепреломлением (n_i-n₀=+2,8*10^-6). Г. т.- диэлектрик, электрич. прочность его достигает 10⁷ В/см. К особенностям Г. т. следует отнести низкие значения Дебая температуры, (до =25 К) и сравнительно большую роль энгармонизма тепловых колебаний (см. Динамика кристаллической решетки). Кроме того, в Г. т., как и в жидком, практически нерастворимы примеси, за исключением лёгкого изотопа гелия ³He.

Большая амплитуда колебаний атомов Г. т. при T=0 К (нулевых колебаний) приводит к неустойчивости его кристаллич. состояния при давлениях ниже 2,5 МПа. Это обусловливает и др. необычные свойства Г. т., что заставляет отнести его к особому классу твёрдых тел - к т. н. квантовым кристаллам, к-рые отличаются прежде всего необычным характером движения точечных дефектов (напр., вакансий). В обычных классич. кристаллах при достаточно низких темп-pax такие дефекты оказываются "замороженными" в определ. положениях в кристаллич. решётке. В Г. т. из-за большой амплитуды нулевых колебаний атомов отлична от 0 вероятность квантового туннелирования дефекта, напр., из одного узла решётки в соседний узел. Если эта вероятность достаточно велика (как это имеет место в случае вакансий и примесных атомов ³He), то дефект делокализуется, т. е. движется как квазичастица, обладающая определ. энергией и квазиимпульсом (см. Вакансион, Дефектон). Процессы диффузии таких дефектов подчиняются другим закономерностям, чем обычная классическая диффузия (см. Квантовая диффузия).

Квантовые эффекты существ. образом влияют также на поверхностные процессы в кристаллах Не. В частности, при Т<1 К движение межфазной границы между жидким и твёрдым гелием (т. е. рост и плавление кристалла) может происходить практически бездиссипативным образом. Это обеспечивает возможность существования слабо затухающих колебаний поверхности Г. т., обусловленных периодич. плавлением и кристаллизацией. Эти т. н. кристаллизационные волны ,во многом аналогичны капиллярным волнам на поверхности жидкости.

Твёрдый ³He также известен в трёх кристаллич. модификациях: объёмноцентрированной кубической при давлениях 2,9-13,5 МПа и темп-pax Т<3,1 К, гексагональной плотноупакованной при более высоких давлениях и темп-pax и гранецентрированной кубической при давлении выше 161 МПа и T18 К. Физ. свойства твёрдого ³He аналогичны свойствам твёрдого ⁴He. Отличия обусловлены гл. обр. наличием спина I=¹/₂ у ядра ³He. При не слишком низких темп-pax твёрдый ³He - ядерный парамагнетик с восприимчивостью, подчиняющейся Кюри - Вейса закону (см. Ядерный парамагнетизм ).При Т<1 мК твёрдый ³He - антиферромагнетик. Антиферромагнетизм ³He обусловлен обменным взаимодействием между ядерными спинами (значительно более слабым по сравнению с взаимодействием в жидком ³He). Энтропия твёрдого ³He при Т>1 мК практически постоянна и равна: RIn 2 (где R - газовая постоянная). Это приводит к наличию глубокого минимума на кривой плавления при T=0,32 К. Поэтому кристаллизация ³He при Т<0,32 К в условиях, близких к адиабатическим, вызывает понижение темп-ры (Померанчука эффект ).Эффект Померанчука лежит в основе одного из наиб. эффективных методов получения темп-р порядка 1 мК (см. Низкие температуры).

Лит.: Андреев А. Ф., Диффузия в квантовых кристаллах, "УФН", 1976, т. 118, с. 251; Лоунасмаа О. В., Принципы и методы получения температуры ниже 1 К, пер. с англ., M., 1977; Квантовые жидкости и кристаллы, [Сб. ст.], пер. с англ., M., 1979; Кешишев К. О., Паршин А. Я., Бабкин А. В., Кристаллизационные волны в Не⁴, "ЖЭТФ", 1981, т. 80, с. 716; Wilks J., The properties of liquid and solid helium, Oxf., 1967. А. Я. Паршин.

   <<      Предметный указатель      >>