Юный техник 1968-06, страница 25

жил, что гелий II чрезвычайно легко протекает через очень узкие зазоры

Попытаемся как-то объяснить, истолковать столь необычные свойства гелия II. Оказывается, при низких температурах, когда скорости частиц предельно малы, их движение можно достаточно верно описать с помощью квантовой механики. (Этим обстоятельством и объясняется название «квантовая жидкость».) Теорию квантовых жидкостей, объясняющую их необычные свойства, построил академик Л. Д. Ландау.

Быть может, это кажется парадоксальным — теорию необычной жидкости построить проще, чем теорию обычной. Обычная жидкость — это чрезвычайно сложный объект для детального изучения. Молекулы обычной жидкости располагаются и движутся хаотически, они очень сильно при этом взаимодействуют, сталкиваясь друг с другом. Разобраться в подобной толчее довольно трудно.

Куда проще обстоит дело в газах! Хотя молекулы газа также двигаются хаотически, они почти не взаимодействуют друг с другом. Их столкновения относительно редки и происходят как правило, «один на один».

Другой пример — твердое кристаллическое тело. Здесь взаимодействие атомов или молекул исключительно сильно — оно выстраивает атомы в правильные структуры. Но именно эта правильность, регулярность в расположении атомов и помогает при расчетах свойств твердых тел, Теория кристаллического состояния вещества разработана почти так же хорошо, как и теория газов Оказывается даже, что теорию твердых тел можно построить наподобие теории газа, устроенного из совершенно диковинных «молекул» — порций звука!

Посмотрим, откуда берутся такие «молекулы». В твердых телах атомы не покоятся в определенных и регулярных позициях. Они постоянно вибрируют около положений равновесия, причем тем сильнее, чем выше температура (недаром такое колебательное движение атомов называют тепловым). Колебания совокупности атомов удобно представлять как наложение (суперпозицию) простейших возможных движений атомов в твердом теле — волн, подобных обычным звуковым волнам. Понять, что такое продольная волна сжатия в кристалле, можно с помощью рисунка. В кристаллах также существуют волны сдвига, когда атомы колеблются поперек направления движения волны. Любое самое сложное тепловое движение отдельных атомов можно представить как движение множества волн, снующих туда-сюда по кристаллу, взаимодействующих друг с другом, подобно беспорядочно летящим и сталкивающимся молекулам гаьа.

Размах (амплитуда) каждой такой волны, как учит квантовая механика, может принимать лишь ряд определенных значений.

Получается, что любая волна как бы устроена из нескольких одинаковых порций (квантов) колебательных движений. Это и есть наши «молекулы звука». Для этих довольно необычных частиц придумано специальное название — фононы (от греческого «фонос» — «звук»).

Но что же выиграли мы, перейдя от обычных атомов к фоконам? Ведь очень уж необычная и запутанная картина у нас получилась. Оказывается, выигрыш есть. Ведь мы получили газ из фононов, именно газ, потому что фононы взаимодействуют друг с другом очень ела бо — отдельные колебания происходят почти независимо от других. А газ — любимая игрушка физиков: они научились легко рассчитывать его свойства. Можно легко рассчитать и свойства газов фононов — теплоемкость, теплопроводность и т. д., иными словами — теплоемкость и теплопроводность соответствующего кристалла.

23