Supratekutost je stav, kdy látka vykazuje nulovou viskozitu. Kapalina se pak chová jinak, než bychom očekávali, teče bez měřitelného odporu, dokáže vytékat z otevřené nádoby i proti gravitaci. Poprvé byl tento jev pozorován u kapalného helia, dnes ho známe i v astrofyzice – neutronová kapalina v jádrech neutronových hvězd. V supratekutém stavu jsou částice ve stavu tzv. Bose-Einsteinova kondenzátu.
Supratekutost poprvé pozoroval rus Pjotr Kapitsa a zároveň J.F. Allen a Don Misener v roce 1937. Helium se stává supratekutým při takzvané lambda-teplotě, tj. 2,17 K.
Helium je v přírodě tvořeno dvěma izotopy – 3He a 4He. Tyto izotopy se liší teplotou varu, 3He vaří při 3,19 K a 4He při 4,21 K. Stejně tak se liší i jejich teplota přechodu do supratekutého stavu. Dalším ochlazování nezískáme pevné helium, k tomu je potřeba použít poměrně velké tlaky, nad 2,5 MPa.
4He
Obsahuje dva protony a dva neutrony v jádře a dva elektrony v atomovém obalu, má tedy sudý počet částic a jeho spin je vždy celočíselný. Jedná se tedy o boson, tzn. že pro něj neplatí Pauliho vylučovací princip. Pokud jej ochladíme pod lambda-teplotu dojde ke vzniku Bose-Einsteinova kondenzátu, kdy má silně odlišné vlastnosti od helia při vyšší teplotě. Proto označujeme helium s teplotou nad lambda bodem jako HeI a helium s teplotou nižší než je lambda-teplota jako HeII. Teploty lambda lze celkem snadno dosáhnout snížením tlaku nad hladinou kapalného helia, nejprve pozorujeme var helia, jakmile se teplota dostane pod teplotu lambda (HeI přejde na HeII), ustane var, přestanou unikat bublinky a hladina se zklidní. To je způsobeno tím, že HeII je velmi dobrý vodič tepla, takže zaniknou teplotní gradienty v objemu kapaliny.
Chování HeII je velmi neobvyklé a dlouho vzdorovalo popisu. Pokud se pokusíme měřit jeho viskozitu, např. pomocí sledování průtoku trubicemi dostaneme se k velmi nízkým hodnotám, ale při experimentech, kdy se těleso pohybuje kapalinou, zjistíme, že HeII klade odpor pohybu tohoto tělesa. Tzn. že se dokáže chovat zároveň jako supratekutá kapalina a zároveň jako kapalina s viskozitou. To se vysvětluje pomocí dvoukapalinového modelu.
Předpokládá se, že se HeII chová jako směs dvou různých kapalin: normální, která má viskozitu a supratekuté. Tyto složky jsou na sobě nezávislé a nelze určit, který atom patří které složce.
HeII chová jako směs dvou různých kapalin: normální, která má viskozitu a supratekuté. Tyto složky jsou na sobě nezávislé a nelze určit, který atom patří které složce.
Zajímavým jevem je i chování povrchového filmu. Kapaliny běžně zanechávají na povrchu pevných těles tenký film, pokud se o to pokusíme s HeII, zjistíme, že film je nečekaně silný, až 30 nm. Tento film je odpovědný i za další neobvyklý jev: pokud do HeII ponoříme zčásti nádobu, po nějakém čase se naplní heliem tak, že budou hladiny v nádobě a mimo nádobu vyrovnané. Hnací síla je stejná jako u nádob se spojeným dnem – rozdíl v gravitačním potenciálu, film na povrchu nádoby zprostředkovává spojení mezi oběma prostory.
3He
Situace u izotopu 3He je poněkud složitější. Jádro se skládá ze dvou protonů, ale pouze jednoho neutronu. To znamená, že atomy 3He jsou fermiony. Při ochlazení pod 1 K se chová jako Fermiho kapalina. Pokud teplotu snížíme až na milikelviny dojde ke vzniku Cooperových párů, tzn. že se stanou bosony a může dojít k jejich kondenzaci.[4,5]
Literatura
- ŠAFRATA, R.S.. Fyzika nízkých teplot. 1. vyd. Praha : Matfyzpress, 1998. 218 s. Dostupné online. ISBN 80-85863-19-7. Kapitola Supratekutost, s. 89-90.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Superfluid
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/lhel.html
- Proč je supratekuté helium-3 jako vakuum?
- Why there is no speed limit in the superfluid universe
- Kapalné helium, Lambda Point Experiment a STS-52