Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Решение нашел американский физик Кеннет Роберт Аткинс и описал его в своей статье в 1959 году. Согласно его теории, наличие иона He⁺ создает возмущение в окружающих атомах гелия. Этот положительный ион притягивает к себе их электроны и в то же время отталкивает их ядра (это явление называется поляризацией атомов). Из-за небольшого различия в расстояниях притяжение превалирует над отталкиванием, поэтому атомы приближаются к иону He⁺: их концентрация по мере приближения к иону He⁺ увеличивается, давление вокруг него возрастает. Как уже упоминалось, при низких температурах и давлении в 25 атмосфер[31] гелий затвердевает. Расчет показывает, что такое давление достигается на расстоянии r₀ = 0,7 нм от иона He⁺ (илл. 2) (чтобы иметь представление о масштабах: радиус атома гелия составляет 0,13 нм). Таким образом, вокруг иона вырастает своеобразный снежок – шар твердого гелия с ионом в центре! Когда в жидкости создается разность потенциалов, этот снежок, имея заряд в центре, начинает двигаться по направлению электрического поля. В своем движении он не одинок: он увлекает за собой «свиту» поляризованных атомов жидкого гелия.

3. Из-за законов квантового мира электрон не может слишком близко подходить к атомам гелия. Поэтому вокруг себя он их «разгоняет»

Эта модель сумела хорошо объяснить имевшиеся экспериментальные результаты, в том числе и превышающую в десятки раз массу носителя положительного заряда по сравнению с массой иона He⁺. Согласно Аткинсу, эта масса, помимо массы самого снежка твердого гелия, включает в себя еще два дополнительных слагаемых. Во-первых, к массе снежка следует прибавить также и массу «свиты» – жидкости, увлекаемой им в движение. Расчет показывает, что последняя составляет 28m₀, где m₀ = 6,7·10^–27 кг – масса атома He⁴. Во-вторых, при движении в жидкости тело раздвигает слои жидкости вокруг себя, что требует энергии. Поэтому для придания телу определенного ускорения при его движении в жидкости требуется некоторая дополнительная сила по сравнению с той, которая была бы необходима при его ускорении в вакууме. Таким образом, объект в жидкости ведет себя так, как если бы он имел массу m + δm, превышающую его фактическую массу m. Избыток δm – это та «присоединенная масса», о которой мы говорили еще в главе 15 («Движение пузырьков и турбулентность»), обсуждая движение пузырьков в воде. Для нашего снежка, перемещающегося в гелии, соответствующая поправка оказывается равной 15m₀. Наконец, масса самого снежка является произведением его объема на плотность твердого гелия[32], что дает 32m₀.

Таким образом, суммируя все три слагаемых, находим, что масса положительного заряда, движущегося в жидком гелии, составляет 75m₀ – значение, примерно равное величине, найденной при анализе экспериментов.

В приведенном выше рассуждении мы использовали концепции классической физики, которые без труда описывают движение положительных зарядов. Однако для отрицательных зарядов все оказывается гораздо сложнее…

А как устроен носитель отрицательного заряда?

Мы уже говорили, что жидкий гелий в равновесном состоянии не содержит свободных зарядов. Если ввести в него электрон принудительно, то последний станет причиной локальных потрясений. Чтобы рассказать об этом, сделаем отступление и поговорим об электронной структуре атомов. В квантовом мире существует важный закон: это принцип запрета Паули, который не позволяет находиться в одном и том же квантовом состоянии сразу двум электронам (см. главу 24, «Изотопический эффект и роль кристаллической решетки»). Например, у атома гелия имеются два различных состояния с одной и той же минимальной энергией, которые заняты двумя электронами. Имеются и другие энергетические состояния для электронов, но им соответствуют гораздо более высокие энергии (минимум 20 эВ), и они остаются незаполненными. Таким образом, создать ион He^–, добавив в атом гелия третий электрон, оказывается делом невозможным. И все же, будучи разогнанными до сравнительно скромных энергий в 0,5 эВ, электроны проникают в толщу жидкого гелия!

Трое итальянских физиков, Дж. Карери, У. Фазоли и Ф. С. Гаэта, предположили, что при проникновении электрона в объем жидкого гелия последний вовсе не пытается «пристроиться» на свободный энергетический уровень в одном из атомов, «заплатив» за это 20 эВ. Нет, он просто остается самим собой, а окружающие атомы гелия раздвигает, создавая для себя полость и потратив на это всего лишь 0,5 эВ (илл. 3). Образовавшийся «пузырек» и является носителем отрицательного заряда.