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He IIは、容器 ようき の壁 かべ を「よじ登 のぼ る」ことで内側 うちがわ の容器 ようき の中外 ちゅうがい における水平面 すいへいめん の高 たか さを共通 きょうつう に保 たも とうとする。しばらく経 た つと内側 うちがわ の容器 ようき における水面 すいめん は外側 そとがわ の容器 ようき における水面 すいめん と等 ひと しい高 たか さになる。このときローリン膜 まく (en:Rollin film ) が外側 そとがわ の容器 ようき の内壁 ないへき を覆 おお っている。外側 そとがわ の容器 ようき が密封 みっぷう されていないとHe IIは外 そと に漏 も れてしまう。
超 ちょう 流動 りゅうどう (ちょうりゅうどう、英 えい : superfluidity )とは、極 ごく 低温 ていおん において液体 えきたい ヘリウム の流動 りゅうどう 性 せい が高 たか まり、容器 ようき の壁面 へきめん をつたって外 そと へ溢 あふ れ出 で たり、原子 げんし 一 いち 個 こ が通 とお れる程度 ていど の隙間 すきま に浸透 しんとう したりする現象 げんしょう 。量子 りょうし 効果 こうか が巨視的 きょしてき に現 あらわ れたものである。1937年 ねん 、ヘリウム4 が超 ちょう 流動 りゅうどう 性 せい を示 しめ すことをピョートル・カピッツァ が発見 はっけん した。また、ボース=アインシュタイン凝縮 ぎょうしゅく の時 とき にも起 お こる。
液体 えきたい ヘリウム4の超 ちょう 流動 りゅうどう [ 編集 へんしゅう ]
ヘリウム4は、零 れい 点 てん 振動 しんどう の効果 こうか により低温 ていおん で液化 えきか しても、絶対 ぜったい 零 れい 度 ど に到 いた るまで液体 えきたい のままで存在 そんざい する。つまり、固体 こたい にはならない。そして、 2.17 K で比熱 ひねつ の跳 と びがあり、二 に 次 じ の相 あい 転移 てんい を起 お こし超 ちょう 流動 りゅうどう の状態 じょうたい となる。この転移 てんい 温度 おんど のことを比熱 ひねつ の跳 と びの形 かたち からλ らむだ 点 てん という。
超 ちょう 流動 りゅうどう 状態 じょうたい では、ヘリウム4は粘性 ねんせい が0の状態 じょうたい (He II相 しょう )になっており、壁 かべ を登 のぼ っていったり、原子 げんし 一 いち 個 こ が通 とお れる隙間 すきま さえあればそこから漏 も れ出 だ す。ただ、有限 ゆうげん 温度 おんど の領域 りょういき では常 つね 流体 りゅうたい (普通 ふつう の液体 えきたい としての性質 せいしつ を示 しめ す:He I相 しょう )と超 ちょう 流体 りゅうたい (粘性 ねんせい ゼロ:He II相 しょう )が共存 きょうぞん している(→二 に 流体 りゅうたい 理論 りろん )。超 ちょう 流体 りゅうたい の状態 じょうたい では、ボース粒子 りゅうし であるヘリウム4がボース凝縮 ぎょうしゅく している。
超 ちょう 流体 りゅうたい 部分 ぶぶん がボース凝縮 ぎょうしゅく しているのではないかということは、1938年 ねん 、フリッツ・ロンドン によって最初 さいしょ に指摘 してき された。ロンドンは、ヘリウム4原子 げんし を理想 りそう ボース気体 きたい とみなして、超 ちょう 流動 りゅうどう の転移 てんい 温度 おんど をボース凝縮 ぎょうしゅく 温度 おんど とし、その理論 りろん 値 ち 3.13Kを導 みちび いた。この値 ね は実験 じっけん 観測 かんそく 値 ち 2.17Kに近 ちか い値 ね と言 い える。値 ね のずれは、超 ちょう 流動 りゅうどう 状態 じょうたい にあるヘリウム4は液体 えきたい 状態 じょうたい であり、理想 りそう ボース気体 きたい とは異 こと なる状態 じょうたい であること、ヘリウム 原子 げんし 間 あいだ の相互 そうご 作用 さよう 、原子 げんし 同士 どうし が接近 せっきん したときに働 はたら く強 つよ い斥力 せきりょく の影響 えいきょう などによる。理想 りそう ボース気体 きたい では、粒子 りゅうし 間 あいだ の相互 そうご 作用 さよう を考慮 こうりょ していないが、その後 ご 、相互 そうご 作用 さよう のある場合 ばあい への理論 りろん 的 てき な拡張 かくちょう が行 おこな われている。ただ、理想 りそう ボース気体 きたい でのボース凝縮 ぎょうしゅく 状態 じょうたい への相 あい 転移 てんい は三 さん 次 じ の相 あい 転移 てんい であるが、ヘリウム4(ヘリウム3も同様 どうよう )の超 ちょう 流動 りゅうどう への転移 てんい は二 に 次 じ の相 あい 転移 てんい である。この部分 ぶぶん に対 たい する理論 りろん 面 めん からの解釈 かいしゃく はまだ十分 じゅうぶん なされていない。
また、超 ちょう 流動 りゅうどう 状態 じょうたい では非常 ひじょう に高 たか い熱 ねつ の伝導 でんどう 性 せい を示 しめ す。これは、熱源 ねつげん に対 たい してヘリウム4のうちの超 ちょう 流動 りゅうどう 成分 せいぶん が近 ちか づくように、常 つね 流動 りゅうどう 成分 せいぶん が遠 とお ざかるように運動 うんどう するためである(一種 いっしゅ の対流 たいりゅう であると言 い える)。この高 たか い熱 ねつ 伝導 でんどう 性 せい により、超 ちょう 流動 りゅうどう ヘリウムは全体 ぜんたい が熱 ねつ 的 てき に非常 ひじょう に均一 きんいつ になっている。
液体 えきたい ヘリウム3の超 ちょう 流動 りゅうどう [ 編集 へんしゅう ]
ヘリウム3は、ヘリウム4と異 こと なりフェルミ粒子 りゅうし である(1/2の核 かく スピン を持 も つ)ので、1972年 ねん 、オシェロフ、リチャードソン、リー等 ひとし が発見 はっけん するまで超 ちょう 流動 りゅうどう 現象 げんしょう は観測 かんそく されなかった。
ヘリウム3での超 ちょう 流動 りゅうどう へ転移 てんい する温度 おんど は、34気圧 きあつ で2.6mK(ミリケルビン)、0気圧 きあつ でおよそ1mKと、ヘリウム4と比 くら べて非常 ひじょう に低 ひく い。これは、ヘリウム3がフェルミ粒子 りゅうし で、そのままでは凝縮 ぎょうしゅく 状態 じょうたい とならないためである。ヘリウム3が超 ちょう 流動 りゅうどう になるためには、超 ちょう 伝導 でんどう の場合 ばあい と同様 どうよう に2個 こ のヘリウム3が対 たい (ペア:この場合 ばあい もクーパーペア(クーパー対 たい )ということがある)を成 な して対 たい 凝縮 ぎょうしゅく する必要 ひつよう がある。ただ超 ちょう 伝導 でんどう の場合 ばあい と異 こと なるのは、通常 つうじょう のBCS理論 りろん の枠 わく 内 ない の超 ちょう 伝導 でんどう では、電子 でんし 対 たい がs波 なみ 一 いち 重 じゅう 項 こう (L=0, S=0) なのに対 たい し、ヘリウム3の対 たい はp波 なみ 三 さん 重 じゅう 項 こう (L=1, S=1) となっている。ヘリウム3の対 たい を形成 けいせい する駆動 くどう 力 りょく (従来 じゅうらい 型 がた の超 ちょう 伝導 でんどう におけるフォノンに相当 そうとう )は、スピンのゆらぎ と思 おも われている。
なお、ヘリウム3の超 ちょう 流動 りゅうどう 機構 きこう は、超 ちょう 伝導 でんどう (BCS理論 りろん )ほどには理論 りろん 面 めん での詳細 しょうさい な解明 かいめい がなされていない。
ヘリウム4の粘性 ねんせい が極 ごく 低温 ていおん で消失 しょうしつ することは1937年 ねん にカピッツァ[1] および独立 どくりつ に John F. Allen & Don Misener [2] によって実験 じっけん 的 てき に確認 かくにん された。その後 ご すぐにフリッツ・ロンドン はこの現象 げんしょう がボース=アインシュタイン凝縮 ぎょうしゅく の現 あらわ れであると指摘 してき した[4] 。1941年 ねん にレフ・ランダウ は流体 りゅうたい の素 す 励起 れいき のスペクトルに基 もと づいて超 ちょう 流動 りゅうどう の理論 りろん を構築 こうちく し[5] [6] 、1940年 ねん にLászló Tisza によって提案 ていあん された[7] 超 ちょう 流動 りゅうどう の二 に 流体 りゅうたい モデル の理論 りろん 的 てき 基礎 きそ を与 あた えた。ニコライ・ボゴリューボフ は1947年 ねん に相互 そうご 作用 さよう のあるボース気体 きたい について論 ろん じている[8] 。オリバー・ペンローズ は非 ひ 対 たい 角 かく 長距離 ちょうきょり 秩序 ちつじょ という概念 がいねん を1951年 ねん に導入 どうにゅう した[9] [10] 。
^ Kapitza, P. (1938). “Viscosity of Liquid Helium below the λ らむだ -Point”. Nature 141 (3558): 74–74. doi :10.1038/141074a0 . ISSN 0028-0836 .
^ Allen, J. F.; Misener, A. D. (1938). “Flow of Liquid Helium II”. Nature 141 (3558): 75–75. doi :10.1038/141075a0 . ISSN 0028-0836 .
^ London, F. (1938). “The λ らむだ -Phenomenon of Liquid Helium and the Bose-Einstein Degeneracy”. Nature 141 (3571): 643–644. doi :10.1038/141643a0 . ISSN 0028-0836 .
^ Landau, L. D.. J. Phys. USSR 5 : 71.
^ Landau, L. (1941). “Theory of the Superfluidity of Helium II”. Physical Review 60 (4): 356–358. doi :10.1103/PhysRev.60.356 . ISSN 0031-899X .
^ Tisza, L. (1940). “Sur la théorie des liquides quantiques. Application à l'hélium liquide. II”. Journal de Physique et le Radium 1 (8): 350–358. doi :10.1051/jphysrad:0194000108035000 . ISSN 0368-3842 .
^ Bogoliubov, N. N. (1947). 11 . p. 23.
^ Penrose, O. (1951). “CXXXVI. On the quantum mechanics of helium II”. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 42 (335): 1373–1377. doi :10.1080/14786445108560954 . ISSN 1941-5982 .
^ Penrose, Oliver; Onsager, Lars (1956). “Bose-Einstein Condensation and Liquid Helium”. Physical Review 104 (3): 576–584. doi :10.1103/PhysRev.104.576 . ISSN 0031-899X .
物質 ぶっしつ の状態 じょうたい 低温 ていおん 高 こう エネルギーその他 た 転移 てんい 量 りょう 概念 がいねん