звук

ЗВУК в сверхтекучем гелии (⁴Не) - гидродинамич. волны, распространяющиеся в сверхтекучем гелии (Не II). Согласно Ландау теории сверхтекучести (двухкомпонентной модели Не II), гидродинамика сверхтекучей жидкости, в отличие от обычной гидродинамики, характеризуется двумя скоростями движения v_s и v_n, являющимися соответственно скоростями сверхтекучей и нормальной компонент жидкого Не II. Появление дополнит. гидродинамич. переменной (v_s)приводит к увеличению числа степеней свободы системы и возможности возникновения новых, по сравнению с классич. гидродинамич. системами, типов 3. (звуковых мод). Типы возможных звуковых волн и скорости их распространения зависят также от геом. параметров гелиевой системы и кол-ва примеси ³Не. В объёме сверхтекучего ⁴Не могут распространяться волны двух типов - первый звук (ПЗ) и второй звук (ВЗ). Волны первого типа аналогичны гидродинамич. звуку в обычной жидкости и представляют собой в осн. распространяющиеся колебания плотности r и давления р. Специфич. особенностью Не II является существование т. н. ВЗ - тепловых волн: распространяющихся колебаний темп-ры Т и энтропии S (в обычных средах температурные колебания затухают на расстоянии порядка длины волны). Поскольку коэф. теплового расширения (дr/дТ)_р гелия аномально мал, колебания плотности (давления) и темп-ры (энтропии) оказываются практически независимыми. При этом скорость ПЗ u₁ задаётся обычным соотношением: u²₁=(dp/dr)_s, а скорость ВЗ: u²₂= r_sTS²/Cr_n, где r_s, r_n-соответственно плотности сверхтекучей и нормальной компонент, С - теплоёмкость. При низких темп-рах, не слишком близких к темп-ре Т_l исчезновения сверхтекучести гелия, норм. компонента представляет собой газ квазичастиц (элементарных возбуждении системы), а ВЗ - звуковые волны в газе квазичастиц. В чистом ⁴Не это звуковые волны в системе ротонов и фононов. При понижении темп-ры времена свободного пробега t квазичастиц в Не II возрастают. При этом гидродинамич. ПЗ переходит в высокочастотный ПЗ - слабозатухающие волны плотности на частотах w >>1/t. На поверхности сверхтекучего гелия может распространяться поверхностный ВЗ - звуковые колебания в системе поверхностных возбуждений. Для чистого Не II это звук в системе рипплонов (квазичастиц, соответствующих квантованным капиллярным волнам на поверхности Не II). В тонких сверхтекучих гелиевых плёнках распространяется третий звук (ТЗ) - практически изотермич. поверхностные волны в пленке Не II. Распространение ТЗ сопровождается осцилляциями сверхтекучей компоненты параллельно подложке, а нормальная компонента при не очень толстой плёнке тормозится подложкой и в колебаниях не участвует. Существ. особенностью ТЗ является значит. испарение и конденсация гелия при колебаниях, что сглаживает осцилляции темп-ры и приводит к почти изотермич. характеру распространения волны. Скорость изотермич. ТЗ где относит. плотность сверхтекучей компоненты усреднена по толщине плёнки d, Е - потенциал сил ван-дер-ваальсовского притяжения гелиевого атома к подложке (см. Межмолекулярное взаимодействие), L - теплота испарения. Четвёртый звук (ЧЗ) распространяется в Не II, находящемся в узких капиллярах или в мелкопористой среде, когда длина свободного пробега квазичастиц Не II сравнима или заметно превосходит характерный размер в системе. При этом нормальная компонента жидкости неподвижна и для определения скорости ЧЗ в ур-ниях гидродинамики следует положить v_n=0. В результате, если пренебречь коэф. теплового расширения, и²₄= (r_s/r)u²₁+ (r_n/r)u²₂. Как правило, в этом выражении второй член много меньше первого. При низких темп-pax скорость распространения ЧЗ как в чистом ⁴Не, так и в слабых растворах ³Не в Не II близка к скорости ПЗ. Пятый звук представляет собой тепловые (температурные) волны в сверхтекучих гелиевых плёнках в условиях, когда процессы испарения (конденсации) в плёнке подавлены. Волны пятого звука являются адиабатическими и распространяются со скоростью u²₅= (r_n/r)u²₂. При достаточно низких темп-pax примесная система ³Не в растворе ³Не в Не II тоже должна перейти в сверхтекучее состояние. В таком растворе с двумя бозе-конденсатами ³Не и ⁴Не могут распространяться звуковые волны трёх типов: 1) колебания плотности (давления) со скоростью распространения, близкой к скорости ПЗ в чистом Не II; 2) колебания в системе примесных квазичастиц ³Не, распространяющиеся со скоростью, близкой, в меру малой концентрации ³Не, к где vF - фермиевская скорость (см. Ферми-жидкость; )3) температурные колебания со скоростью распространения, экспоненциально убывающей с уменьшением концентрации ³Не. Волны второго и третьего типов соответствуют ПЗ и ВЗ в сверхтекучем ферми-газе примесных квазичастиц ³Не. Лит.: Халатников И. М., Теория сверхтекучести, М., 1971; Паттерман С., Гидродинамика сверхтекучей жидкости, пер. с англ., М., 1978; Atkins К. R., R u d n i с k I., Third sound, в кн.: Progress in low temperature physics, v. 6, Arast.-L., 1970; Edwards D. O., S a a m W. F., The free surface of liquid Helium, там же, v. 7a, Amst., 1978; JelatisG. J., Roth J. A., Maynard J.D., Observation of fifth sound in a planar superfluid "He Film, "Phys. Rev. Lett.", 1979, v. 42: В a s h k i n E. P., Meyerovich A. E., ³He- ⁴He quantum solutions, "Adv. Phys.", 1981, v. 30, .№ 1. A. Э. Мейерович.

   <<      Предметный указатель      >>