超流形成原理

                                       晏成和

在平常，我们习惯了水往下流。当温度极低时（2K），液氦能从容器壁向上爬出瓶口；能够从玻璃管中向上喷出，形成液氦喷泉,这种现象被称为超流。

[实验]  超流是极低温下物质表现出的有趣现象。随着人们制备低温技术的提高，所能达到的低温接近0 K。在2.19K时，液氦奇特、超常理的现象发生：液氦能沿着容器的壁向上爬，爬出瓶口向外流；在液氦中插一支很细的玻璃管，液氦立即沿着玻璃管向上喷出，形成液氦喷泉。人们把液氦这种异常的流动现象叫做超流。

超流震惊了科学界，“这怎么可能！地球的的引力消失了，”“会不会弄错？”然而可以N次重复的事实摆在那里，实在是叫科学界兴奋，又大伤脑筋。

      超流是怎样形成的？温度在5K以下，所有的物体都是固态，为什么只有氦是液态？这也是当代科学界无人能回答的问题。 

超流给物理学者出了一道难题，水往低处流，是亘古不变的常识，地球的引力从来都是存在的，是向下指向地心的。它怎么能向上流、往上喷？不少的学者为了破解这一难题提出了各种假说，作了非常复杂的计算，但是终难自圆其说。

有的说在极低的温度之下，形成了引力屏蔽，可是刚向上喷出的液氦立即就落了下来。有的说在极低的温度之下，液氦的粘滞力降低（这是实验事实），使得原子之间产生斥力，推着液氦向上爬。可是液氦的粘滞力再低，也仍是存在内聚力的液体，如果原子之间产生斥力那就会形成氦气，向上爬着的液氦，可仍然是液体。还有更多的假说都不成立，就不再列举。

对于超流，有文献解释是：在极低温度条件下，液氮发生了特殊的相变，完全失去粘滞性。在此，不打算批驳特殊相变等离奇的低温理论，深信大自然物质的本源是系统、连贯的，不可能在低温就另外造就特殊机理，也不须建立专门的理论。低温下的氦虽然呈现特殊，其根源仍然是质子、电子，一脉相承，还是遵循自然的提示，以核外电子规律运动的去探讨超流的物理机理。

  超流并不神秘，我们还是以核外电子的运转速率随着温度变化，温度高——核外电子速率高；温度低——核外电子速率降低，来解答超流原理。

超流的本真是核外电子的规律运动，是电子规律运动的自然效应。大自然总是遵循简单原则，超流现象的原理并不复杂，超流其实也是液氦的核外电子的规律运动的结果：

在此，有必要回顾之前文章所讨论的，核外价电子运转所伴生的力与物质相态之间的关系。或请看附后的“参考阅读”。   

氦是惰性元素，常温下两个价电子绕着一个核心呈球状包围，高速旋转，形成稳定的单原子气体。在极低的温度下，核外电子转速降低，线路也由球状包围旋转降低为立交运转，电子运转的价磁力显现出来，使原子相互吸引靠近，形成了液氦。

进一步降低温度，氦的两个价电子的运转速率继续降低，不能满足核心对电子的需求；所覆盖的范围如同原子核心的一条腰带，而原子仅有两个电子，两头的大部分表面得不到电子的覆盖，完全不能满足核心各面对电子的需求。而盛装液氦的容器（玻璃或金属罐）物质的原子的核外电子数较多。于是渴求电子的氦原子就附到容器壁上，让得不到电子的覆盖的表面去靠近那里的运转着的电子，以满足核心各面对电子的需求。

容器表面的核外电子都是有固定的归属的，氦核得不到容器的核外电子，自身的电子又少又慢，于是许多氦原子都只有往容器壁上贴，拥挤着沿着容器壁向上靠，下面挤满了就向上爬附，于是就形成了液氦沿着容器的壁向上爬，爬出瓶口向外流，形成了所谓的超流。

在液氦瓶中插一支很细的玻璃管，许多氦原子都立即往玻璃管壁上靠去，液氦都沿玻璃管向上挤，向上运动的惯性，形成液氦喷泉。

温度进一步降低，液氦核外电子速率更慢，伴生的电磁力更小，液态物质的粘滞力是由内聚力——电磁力所提供的，电磁力小了，液氦的粘滞性就降低。虽然粘滞性小了，但氦核对电子流过身边的需求不减，超流频频发生。

可见超流的形成，不是什么特殊相变，也不是“引力屏蔽”。超流是液氦的核外电子随温度规律运动的又一例证。

一般固体物质的价和电子是围绕两个核心形成椭圆轨道、作长路径平面运转，电磁力稳定，路径内围着较大椭圆面积，而椭圆之间的间距小，低温下能够形成稳定固体。

所有物质在5 K以下都凝结成固体，只有液氦到极冷，接近0 Ｋ还是液态。这是因为：在极低的温度下，惰性元素氦的两个电子由立交运转进入平面运转，如果核外电子运转平面平行，伴生稳定的电磁力相互吸引，氦有可能形成固体，然而氦原子的特殊构成，使其内部电磁力却难以稳定、固体不能建立。

极低的温度下，氦两个电子是绕着单个原子核在平面运转，运转路径短、而且是圆轨道，所围平面小，路径内所围面积与原子高度之比不到一般物质的一半，所以不稳定；温度低价电子转速缓慢，电磁力弱小，所以粘滞性降低；氦原子没有内层电子，两个电子运转在腰部、上下两头没有电子覆盖，原子核易于侧过身，让相邻电子从空着的面的流过，以满足核心各面对电子的需求，经常这样侧转，导致电磁力方向散乱。所以氦原子形成不了电磁力的方向稳定的固体，只能维持氦的液体状态。

以上三条决定了液氦，就算是达到0 Ｋ，氦元素仍然是液态。

2015-4-23

 参考阅读：

 热的本质是什么——热学百年迷茫

http://blog.sina.com.cn/s/blog_5521e73c0102v67k.html

  相变原理

http://blog.sina.com.cn/s/blog_5521e73c0100c8ll.html