超流现象

自昂尼斯实现氦的液化后，对物质在低温下的物理性质的研究逐步深入，人们相继发现了低温下的超导电性和超流现象。30年代，实验发现，当液氦（指4He）的温度降到2.17K时，液氦从原来的正常流体突然转变为具有一系列极不寻常的性质的“超流体”，这就是超流现象。在2.17K以下，超流的液氦具有以下性质：首先，液氦能沿极细的毛细管（管径约0.1微米）流体而几乎不呈现任何粘滞性。这一现象最先由卡皮查于1937年观察到，称为超流性。其次，如果用一细丝悬挂一薄盘浸于液氦中，让圆盘作扭转振动，则盘的运动将受到阻尼。第三，当液氦由容器 A 中通过多孔塞（或极细的毛细管）流出时，A内的液氦的温度升高（如右图所示）。这一现象好如机械致热效应。其逆过程称为热机械效应，即：当升高A内的温度时，其中液氦的液面将上升，若A本身是一毛细管，则将观察到液氦从上口喷出，故也称喷泉效应。另外，液氦还具有极好的导热性，热导率为室温下铜的800倍。
     以上这些性质都表现为宏观现象，事实上却是超流液氦的量子效应。不同于宏观物体，微观粒子除了坐标空间的动量外，还有一种“内部”角动量——自旋。粗略地说，可以把它看成一个转动的小陀螺，有一个小磁矩。具有半整数自旋的粒子称为费米子，如电子、中子、质子，它们的自旋为1/2。具有整数自旋的粒子叫玻色子，如光子，?−介子，它们的自旋为 1。对于费米子，由于泡利不相容原理的缘故，每个状态只允许填一个粒子。而对于玻色子，粒子在各状态上的填充数不受限制。温度降到一个特定值后，越来越多的玻色子处于能量最低的，也就是动量为零的状态。这个现象叫做玻色—爱因斯坦凝聚。这里所说的凝聚不是通常说的那种气体变液体的凝聚，而是“动量凝聚”。
     也就是说，许多分子都转到动量为零的状态，这就使得它们在坐标空间中还是在容器中的液体，而此时液体的流动性发生了突变。液氦（⁴He）是玻色子，在 2.17K以下的超流转变就是这种“凝聚”。超流是一种宏观范围内的量子效应。由于玻色—爱因斯坦凝聚，氦原子形成一个“抱团很紧”的集体。超流正是这种“抱团”现象的具体表现。