الميوعة الفائقة

ما هي الميوعة (السيولة) الفائقة ؟

المائع الفائق Superfluid: هو عبارة عن سائل ينساب ويتدفق بحرية. وينساب السائل العادي بمقاومة ميكانيكية داخلية تسمى اللزوجة. إن المثال المعروف للسائل ذو اللزوجة العالية والمقاومة الداخلية الكبيرة هو دبس السكر. وللماء H₂o لزوجة منخفضة، وليس للمائع الفائق لزوجة البتة. ولم يجد العلماء سوى مادتين فقط يمكن أن تكونا مائعًا فائقًا بتبريدهما عند درجة حرارة منخفضة جدًا. وكلا المادتين من نظائر الهيليوم. والميوعة الفائقة هي حالة من الخامسة حالات المادة تأخذ فيها بعض السوائل خواصاً غريبة عن المألوف, أول ما اكتشفت ظاهرة الميوعة الفائقة كانت عند عنصر الهيليوم  Heالسائل وعند درجة حرارة -2,17 كلفن, وهي تبلورت في النظرين (هيليوم-4,وهيليوم-3) وقد عُرفَ هذين النظرين بخاصية أختفاء الأحتكاك الداخلي لهما كلياً عندما تهبط درجة حرارتها مقتربة من الصفر المطلق, حيث تصل لزوجة السائلين إلى الدرجة الصفرية تقريباً, وقد اكتشف تلك الظاهرة العالم بيوتر كابيتسا، وجون آلان، ودون ميسينر عام1937م .

أهمية دراسة الميوعة الفائقة

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 الهيليوم السائل كخليط من سائلين أحدهما عادي والآخر فائق السيولة.

الجسم البارد والساخن

في الفيزياء الفرق بين الجسم البارد والساخن هي أن سرعة حركة ذرات الجسم البارد بطيئة وسرعة حركة ذرات الجسم الساخن سريعة وعشوائية, ولذلك لعتماد حركة الذرات ومن ثم الجزيئات على ارتفاع درجة الحرارة. فكلما هبطت درجة حرارة الجسم أصبحت سرعة حركة ذراته أقل. وحينما تستمر بالهبوط فأنها تقترب من الصفر المطلق -273,15 درجة مئوية, وهي الدرجة التي يتجمد فيها الماء وتصبح سرعة حركة الذرات مساوية للصفر.

 وقد بينت الدراسات أن الباحثين تمكنوا من الوصل إلى درجة قريبة منها, وتعرف بالنانوكلفن وهي تساوي واحد من مليار من الدرجة فوق الصفر المطلق. وعند هذه الدرجة تنشأ ما يعرف بتكاثف بوز – أنشتاين.

وصف الميوعة الفائقة:

 ينتقل عنصر الهيليوم He إلى حالة الميوعة الفائقة حينما تهبط درجة حرارته  عن درجة الحرارة الحرجة للميوعة الفائقة لنظيري الهيليوم ( هيليوم4و هيليوم3) وكذلك مع الليثيوم-6. وتبلغ درجة الحرارة الحرجة للهيليوم- 2,174  كلفن، من الجدير بالذكر أن الحصول على الهيليوم -3 حالة النادر جداً ولايمكن الحصول عليه ا لا عند تهبط درجة الحرارة إلى 0,0026 كلفن مقتربة من الصفر المطلق, وهي درجة حرارة قليلة جداً, وعند ذاك يسمى الهيليوم-4 عندما يصل إلى حالة الميوعة الفائقة Helium-II ، ويسمى في حالة السيولة المعتادة Helium-I.

 تتميز السوائل والموائع بمقاومتها للجريان أو السيلان التي يعبر عنها بمعامل اللزوجة. غير أن دراسة الهيليوم السائل عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، أظهرت سلوكاً غريباً لهذا السائل إذ أنه يتصف بمقاومة جريان أو لزوجة معدومة. وقد أطلق على هذه الظاهرة اسم السيولة الفائقة superfluidity. وبجانب اللزوجة الصفرية، فإن للمائع الفائق خصائص أخرى فريدة.

خواص الموائع الفائقة

أولاً- درجة اللزوجة صفرية.

ثانياً-  الخاصة الشعرية تكون خالية تماماً من الاحتكاك وحتي في أضيق الانابيب.

ثالثاً- التوصيل الحراري يصل إلى حالة مثالية.

رابعاً-  لا يدور السائل عند تدوير الوعاء ويبقى ثابتاً.

خامساً- ظهور موجات منتظمة في شكل سداسي وعند تدوير الوعاء بسرعة كبيرة.

سادساً- ينتج من دوران أسطوانة المائع الفائق دوامات مجهرية تسمى الدردورات أو الدوامات في المائع الفائق, وتستمر الدوامة في الدوران طالما بقي السائل فائق الميوعة.

سابعاً- ينساب المائع الفائق من خلال المسحوق المعبأ بصورة صافية نقية.

والنظيران اللذان يمكن أن يصيرا مائعًا فائقًا هما (الهيليوم3 He³)[1] فيرمونات و(الهيليوم4He⁴ ( بوزونات. ويختلف النظيران في تركيب النواة. فنواة الهيليوم3 تحتوي على بروتونين ونيوترون واحد، بينما نواة الهيليوم 4 تحتوي بروتونين ونيوترونين.

 وعند الضغط الجوي يصير الهيليوم3  مائعًا فائقًا عندما يبرد عند درجة 0,0009 درجة مئوية فوق الصفر المطلق (-273,15°م). ويصير الهيليوم 4 مائعًا فائقًا عند الضغط الجوي عندما يبرد إلى أقل من 2,17°م فوق الصفر المطلق. ويعد التفاعل بين ذرات الهيليوم He أضعف التفاعلات، فهو أول الغازات الخاملة في الجدول الدوري للعناصر، لذا فإن درجة حرارة تميعة أخفضها قاطبة، فهو يتميع عند درجة الحرارة 4,2 مطلقة (كلفن) تحت الضغط الجوي النظامي، ولا يصبح  صلباً تحت هذا الضغط مهما انخفضت درجة الحرارة عملياً. وللمقارنة يتميع الهيدروجين H قرب الدرجة 20 مطلقة.

---

[1] هيليوم-3 (3He) عبارة عن نظير غير مشع للهيليوم، له نواة تتألف من بروتونين اثنين ونيوترون واحد. تدعى نواة النظير هيليوم-3 باسم هيليون.