مائع فائق
المائع الفائق Superfluid سائل ينساب ويتدفق بحرية. ينساب السائل العادي بمقاومة ميكانيكية داخلية تسمى اللزوجة. إذا المثال المعروف للسائل ذواللزوجة العالية والمقاومة الداخلية الكبيرة هودبس السكر. وللماء لزوجة منخفضة، وليس للمائع الفائق لزوجة البتة. ولم يجد الفهماء سوى مادتين فقط يمكن حتى تكونا مائعًا فائقًا بتبريدهما عند درجة حرارة منخفضة جدًا. وكلا المادتين من نظائر الهيليوم.
اكتشف الفيزيائي السوفييتي پيوتر كاپيتسا الميوعة الفائقة عام 1937م. وقد حاز جائزة نوبل في الفيزياء عام 1978م لأ بحاثه في فيزياء الحرارة المنخفضة.
تتميز السوائل والموائع بمقاومتها للجريان أوالسيلان التي يعبر عنها بمعامل اللزوجة. غير حتى دراسة الهليوم السائل عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، أظهرت سلوكاً غريباً لهذا السائل إذ يتصف بمقاومة جريان أولزوجة معدومة. وقد أطلق على هذه الظاهرة اسم السيولة الفائقة superfluidity.
وبجانب اللزوجة الصفرية، فإن للمائع الفائق خصائص أخرى فريدة. عملى سبيل المثال، ينتج من دوران أسطوانة المائع الفائق دوامات مجهرية تسمى الدردورات أوالدوامات في المائع الفائق. وتستمر الدوامة في الدوران طالما بقي السائل فائق الميوعة. ينساب المائع الفائق من خلال المسحوق المعبأ بصورة صافية نقية، كما أنه موصل جيد للحرارة بمعدل كبير. والنظيران اللذان يمكن حتى يصيرا مائعًا فائقًا هما الهيليوم ثلاثة والهيليوم 4. ويختلف النظيران في هجريب النواة. فنواة الهيليوم ثلاثة تحتوي على بروتونين ونيوترون واحد، بينما نواة الهيليوم أربعة تحتوي بروتونين ونيوترونين. وعند الضغط الجوي يصير الهيليوم ثلاثة مائعًا فائقًا عندما يبرد عند درجة 0,0009 درجة مئوية فوق الصفر المطلق (-273,15°م). ويصير الهيليوم أربعة مائعًا فائقًا عند الضغط الجوي عندما يبرد إلى أقل من 2,17°م فوق الصفر المطلق.
ويعد التفاعل بين ذرات الهليوم أضعف التفاعلات، فهوأول الغازات الخاملة في الجدول الدوري للعناصر، لذا فإن درجة حرارة تميعه أخفضها قاطبة، فهويتميع عند درجة الحرارة 4.2 مطلقة (كلفن) تحت الضغط الجوي النظامي، ولا يصبح صلباً تحت هذا الضغط مهما تقلصت درجة الحرارة عملياً. وللمقارنة يتميع الهدروجين قرب الدرجة 20 مطلقة.
تمكّن ك. أونس Kamerlingh Onnes عام 1908 من تمييع الهليوم ، وهوالنظير الأكثر وفرة في الطبيعة مقارنة بنظيره الخفيف الهليوم . لكن ظاهرة السيولة الفائقة لم تكتشف إلا عام 1937 على يد العالم الروسي ب.كابتزا Peter Kapitza، وتلاه في العام التالي العالم البريطاني ج.ف. ألن John Frank Allen. فقد اكتشفا انخفاضاً واضحاً في تيارات الحمل الحرارية وناقلية حرارية عالية جداً، وجرياناً فائقاً عبر أنابيب شعرية بما يعهد باسم النافورة، وسلوكاً غريباً للأغشية عند جدران الأوعية الحاوية للهليوم السائل، عند درجة حرارة محددة 2.17 مطلقة، وما دونها. فنطقا بوجود طور مميز للهليوم يتصف بلزوجة معدومة،يرمز له بالهليوم II تمييزاً له من الهليوم العادي ذي اللزوجة المحدودة، الذي يرمز له بالهليوم I. حصل الفهماء بعدئذ على ما يكفي من الهليوم ، فحاولوا تقصي مثل هذا السلوك فيه دون جدوى حتى حلول عام 1972 حين حدد ظهور الطور الفائق له عند درجة تقارب 2.7 ميلي درجة مطلقة، مع حتى درجة حرارة تميعه قرابة 3.2 درجة مطلقة. تتغير الحرارة النوعية للهليوم بتغير درجة الحرارة عند الانتنطق الطوري فتأخذ شكلاً يشبه شكل الحرف اليوناني λ لذلك تدعى نقطة الانتنطق النقطة لمدا، وقد لاحظ العالم الأمريكي (من أصل ألماني) ف.لندن Fritz London تشابه التغير مع نتائج حسابات إحصائية معتمدة على ميكانيك الكم لنوع من الجسيمات تدعى البوزونات عندما تتكاثف عند درجة حرارة محددة، فبين حتى هذه الظاهرة ذات أصل كمومي.
تقسم الجسيمات وفق ميكانيك الكم نوعين، الأول الجسيمات التي تملك سبيناً ذا عدد سليم من h وهي البوزونات، والنوع الآخر التي تملك جسيماته سبيناً ذا عدد نصف سليم من h هي الفرميونات، ولكل من النوعين إحصاء مختلف عن الآخر. يكمن الاختلاف بينهما في حتى النوع الأخير يستبعد مشاركة الجسيم أي جسيم آخر لحالته الكمومية، في حين يسمح النوع الآخر بالمشاركة، ويظهر الفرق في السلوك واضحاً حين تحسب الطاقة الدنيا لكل من النوعين. فبالنسبة للبوزونات يمكن حتى تكون جميعها في الحالة الدنيا نفسها، وهذا ما يدعى تكثف بوز ـ أينشتاين. وتؤكد جميع الخواص التجريبية التي ظهرت فيما بعد هذه النظرة، وعلى رأسها السلوك المختلف ما بين نظيري الهليوم، فأحد النظيرين يقابل بوزونات، أما الآخر فيقابل فرميونات مثل الإلكترونات. كما تبين حتى الفرميونات لا تصبح فائقة السيولة إلا بعد حتى تتزاوج بآلية مناسبة لتصبح جسيمات بوزونية.
تكمن أهمية دراسة السيولة الفائقة إضافة إلى أهميتها النظرية في دراسة السوائل المثالية وسلوكها في درجات الحرارة المنخفضة خاصة، في وجود مشابهات لها في فروع أخرى مثل الناقلية الكهربائية الفائقة التي تحدث في درجات حرارة أعلى مما ذكر بكثير، فقد وجدت، على سبيل المثال، نواقل فائقة من النوع الثاني يمكن معالجتها نظرياً مثل معالجة الهليوم السائل كخليط من سائلين أحدهما عادي والآخر فائق السيولة.
المصادر
الموسوعة المعهدية الكاملة
انظر أيضا
- Superdiamagnetism
- مكثف بور-أينشتاين
- موصلية فائقة
- Quantum vortex
- صلب فائق
- Superfluid film
- دوگلاس د. اوشروف
- خط زمني لتكنولوجيا الحرارة المنخفضة
- Second sound
- Quantum acoustics
- Quantum gyroscope
- Quantum hydrodynamics
- عزم لندن
- المائع الفائق للپولاريتون
الهامش
- ^ فوزي عوض. "السيولة الفائقة". الموسوعة العربية.
المراجع
- London, F. Superfluids (Wiley, New York, 1950)
- D.R. Tilley and J. Tilley, ``Superfluidity and Superconductivity, (IOP Publishing Ltd., Bristol, 1990)
- Hagen Kleinert, Gauge Fields in Condensed Matter, Vol. I, "SUPERFLOW AND VORTEX LINES", pp. 1–742, World Scientific (Singapore, 1989); Paperback ISBN 9971-5-0210-0 (also available online here)
وصلات خارجية
- Video including superfluid helium's strange behavior
- Superfluid phases of helium
- Lancaster University, Ultra Low Temperature Physics - Superfluid helium-3 research group.
- http://www.aip.org/png/html/helium3.htm
- http://www.aip.org/pt/vol-54/iss-2/p31.html
- http://web.mit.edu/newsoffice/2005/matter.html
- http://physicsweb.org/articles/world/11/6/3/1
