Student World

pravidelné páteční „přetištění“ staršího článku

Podivné chování kapalného hélia je oblíbeným námětem vědecko-popularizační literatury už řadu desetiletí.

Vlastnosti hélia za nízkých teplot souvisejí s tím, že atom hélia je boson, pro který neplatí Pauliho vylučovací princip (známý třeba z chemie, kde se za jeho pomoci vysvětluje, jak si elektrony sedají na stále vyšší „oběžné dráhy“). To ovšem vyžaduje trochu vysvětlení. Atom hélia He4 má dva protony, dva elektrony a dva neutrony – všechny tyto částice jsou fermiony (tak jako všechny „hmotě podobné“ částice) řídící se Pauliho principem. Jak ale napadlo už Einsteina a Boseho, prvky se sudým počtem fermionů se za nízkých teplot chovají jako bosony, procházejí „kondenzací“.

Hélium se ovšem chová divně i bez ohledu na kondenzaci – například, ať už je libovolně ochlazováno, nelze převést do pevné fáze. Zajímavé však je, jak se liší vlastnosti „sudého“ hélia He4 od izotopu He3. Pod teplotou 2 K se u hélia4 začínají projevovat supratekuté vlastnosti – efektně demonstrovatelné na jeho schopnosti šplhat po stěnách nádoby. Vložíme-li do nádoby s kapalným héliem kádinku, hélium přešplhá stěny a poteče tak dlouho, dokud se hladiny nevyrovnají. Pokud kádinku nyní zvedneme, hélium zase poteče zpět. Kondenzace atomů hélia do „stejného stavu“ je jediným výkladem pro tento jev, který by bez kvantové fyziky byl nepochopitelný.

Izotop He3 s jediným neutronem v jádru nemůže projít analogickou kondenzací, a proto u něj supratekutost za uvedených podmínek nevzniká. Až přibližně kolem teploty 0,0002 K se mezi dvěma atomy He3 vytvoří vazba, která umožňuje projít z původně „fermionového/lichého“ stavu Boseho kondenzací. Tento párovací mechanismus není jen kuriozitou týkající se jednoho exotického izotopu hélia při extrémně nízkých teplotách, ale je odpovědný i za vznik supravodivosti. D. Lee, D. Osheroff a R. Richardson, tři fyzikové z Cornellovy univerzity, proto za objev tohoto mechanismu získali v roce 1996 Nobelovu cenu.

Zdroj: Tony Hey, Patrick Walters: Nový kvantový vesmír, Argo a Dokořán, Praha, 2005,

autor Pavel Houser