Нейтронография жидкого гелия и тонких гелиевых пленок в пористых средах

• Автор: Калинин, Иван Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Обнинск
• Количество страниц: 101 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО СТРУКТУРНОГО ФАКТОРА ЖИДКОГО ГЕЛИЯ
1.1. ДИНАМИЧЕСКИЙ СТРУКТУРНЫЙ ФАКТОР S(Q, (О) ЖИДКОГО ГЕЛИЯ
1.1.1. Сверхтекучая фаза гелия
1.1.2. Температурная зависимость S(Q,co)
1.1.3. Результаты экспериментов по рассеянию нейтронов пленками гелия на различных подложках
1.2. Теоретические модели S(Q,®) жидкого 4Не
1.2.1 Модель спектра элементарных возбуждений Ландау
1.2.2 Спектр возбуждений слабо неидеального бозе-газа
1.2.3 Теория Фейнмана и Фейнмана-Коэна
1.2.4 Природа спектра возбуждений сверхтекучего гелия с точки зрения квантово-полевой теории
1.3. Выводы
ГЛАВА 2. СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ
2.1. Сверхтекучий гелий
2.1.1. Макроскопические свойства
2.1.2. Микроскопические свойства
2.2, ПОРИСТЫЕ СРЕДЫ
2.2.1. Сверхтекучесть гелия в пористых средах
2.2.2. Выводы
ГЛАВА 3. ФОРМАЛИЗМ РАССЕЯНИЯ НЕЙТРОНОВ
3.1. Кинематика рассеяния нейтронов
3.2.Модель затухающего гармонического осциллятора
ГЛАВА 4. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
4.1. Спектрометр прямой геометрии по времени пролета IN6
4.2. Функция разрешение спектрометра 1N6
4.3. Криостат Max Orange
4.3.1. Контейнер образца
ГЛАВА 5. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
5.!. Исследование структурного динамического фактора жидкого гелия
5.1.1. Анализ экспериментальных данных
5.1.2. Модель затухающего гармонического осциллятора для описания
5.1.3. Параметры пика однофононного рассеяния
5.1.4. Анализ температурной зависимости S(Q,u>) после вычитания вкладов однофононного и многофононного рассеяний
5.1.5. Выводы по исследованию S(Q, ш) жидкого гелия
5.2. Исследование структурного динамического фактора жидкого гелия, находящегося в условиях ограниченной геометрии

5.2.1 Изотерма адсорбции кремниевого аэрогеля и определение толщины создаваемой
пленки
5 2 2. SfQ, со) пленки гелия на подложке из аэрогеля
5.2.3 Зависимость интенсивности поверхностных возбуждений от температуры и
толщины пленки
5.2.4. Выводы по изучению 5(С), ш) жидкого гелия в аэрогеле
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение
С точки зрения классической физики жидкость - это совокупность большого числа взаимодействующих друг с другом атомов (молекул), имеющих ближний порядок и движущихся в пространстве по определенным траекториям. Такая картина жидкости не соответствует действительности в тех случаях, когда существенную роль играют законы квантовой механики, согласно которым атом наряду с корпускулярными обладает и волновыми свойствами. Жидкость считается квантовой, когда длинна волны Де Бройля приблизительно равняется расстоянию между атомов. Связь длины волны Де Бройля Ав с импульсом атомара дается соотношением:
Ао=Ь/ра, (1)
где И постоянная Планка.
Значение температуры квантового перехода для жидкости можно получить из [1]:
Т = /Г п „ 2/3/кбта. (2)
В области температур ниже, чем температура квантового перехода тепловая энергия уже не обеспечивает относительно большой разброс атомов по энергиям. В итоге, при таких температурах, число возможных квантовых состояний в некотором объеме фазового пространства становится соизмеримым с числом атомов находящихся в нём. Квантовые состояния заполняются частицами поразному, в зависимости от их спина. По значению квантового числа 5, частицы делят на: фермионы и бозоны. Частицы с целым или равным нулю значением спина являются бозонами, а частицы с полуцелым значением спинового числа 5 являются фермионами.
В соответствии с принципом Паули, два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это приводит к тому, что при Т—>0 фермионы заполняют все свободные уровни энергии, начиная с минимального и в плоть до максимального Е/, называемого фермиевским, значение которого определяется числом фермионов в системе. Соответствующий граничной энергией Е/ импульс /у называется импульсом Ферми. Таким образом, в импульсном пространстве фермионы заполняют сферу радиуса Р/ гак, что число разрешенных состояний в сфере равняется числу частиц в системе. Эта сфера называется сферой Ферми.
Бозоны в отличие от фермионов - «коллективисты». Они стараются попасть именно в те состояния, которые уже заняты. В итоге, при Г—>0 все бозоны стремятся попасть в состояние с минимальным значением энергии. Это явление называется бозе-эинштейновской конденсацией. При этом частицы, находящиеся на низшем энергетическом уровне, образуют

2.17 з Т (К}

Т (К)

Рисунок 2.3. Фазовые диаграммы (а) 4Не и (б) 3Не [58].
2.1.2. Микроскопические свойства
В идеальном бозе-газе (ИБГ) фазовый переход, известный как бозе-эйнштейновская Конденсация (БЭК), происходит при «конденсации» частиц в нижнее энергетическое состояние. Переход происходит когда длина волны Де Бройля Яг = к(ЪтквТ)~'12 отдельного атома становится сопоставима с расстоянием между частицами. При абсолютном нуле все атомы занимают нижний энергетический уровень. Температура БЭК для ИБГ равна [1]:
где N/7 — плотность бозе-частиц, т - масса частицы. При понижении температуры до точки БЭК перехода атомы начинают конденсироваться в нижнее энергетическое состояние, пока при нуле температуры они все не перейдут в состояние с р = 0.
Для определения термодинамических свойств ИБГ ниже Тбэк можно использовать стандартный квантово механический подход [1]. Параметр, который характеризует величину БЭК в системе, плотность сверхтекучей компоненты определяется как п (2.1)