Водяной гель - новая форма воды, конденсированной в жидком ⁴He

Abstract

Полупрозрачный слой (облако)примесного конденсата, который формируется на границе раздела сверхтекучий He II -пар при конденсации газообразного ⁴He с примесью паров воды в ячейке, заполненной сверхтекучим гелием при температуре T ≤ 1,5 К, трансформируется со временем в овальный айсберг средним диаметром ~9мм, подвешенный на стенках стеклянной ячейки под поверхностью жидкости. Внутри жидкого гелия айсберги могут существовать и при температурах выше Tl. При давлении паров P над поверхностью нормальной жидкости He I равном 150 Торр температура Td, при которой наблюдается интенсивный распад айсбергов, составляет 2,5 К. С повышением давления до 760 Торр температура Td возрастает до 4 К.В атмосфере газообразного ⁴He извлеченные из He II при T ~ 1,4 К "сухие" айсберги распадаются при нагреве выше 1,8К. Распад айсбергов сопровождается образованием на дне ячейки мелкодисперсного порошка (повидимому, аморфного льда),объем которого почти на два порядка меньше объема исходных айсбергов, т.е.полное содержание воды в айсберге ≤10²⁰ молекул/см³. Эта оценка согласуется с оценкой разности плотности айсберга и окружающей жидкости ρL (отношение Δρ/ρL <0,1) по результатам наблюдений осцилляций образца при возникновении термоакустических колебаний в ячейке, заполненной жидким He I. При обсуждении структуры айсбергов можно предположить, что в гелиевом паре над поверхностью He II примесные молекулы H₂O слипаются в кластеры,так что остов примесь-гелиевого водяного конденсата в He II (дисперсионная система геля)образован водяными нанокластерами, окруженными одним-двумя слоями отвердевшего гелия, а заполняющий поры между частицами сверхтекучий He II служит дисперсионной средой водяного геля.

The semitransparent layer (cloud) of impurity condensate formed on the interface between superfluid He II and the vapor during condensation of gaseous ⁴He containing impurity water vapor in a cell filled with superfluid helium at a temperature T⩽1.5 K is transformed over time into an oval iceberg with an average diameter of ∼9 mm, suspended on the walls of the glass cell under the surface of the liquid. Within the liquid helium, icebergs can exist at temperatures above Tλ as well. At a vapor pressure P=150 torr over the surface of normal liquid He I the temperature Td at which intense decomposition of the icebergs occurs is 2.5 K. When the pressure is increased to 760 torr the temperature Td increases to 4 K. In an atmosphere of gaseous ⁴He the “dry” icebergs extracted from He II at T∼1.4 K decompose on heating above 1.8 K. The decomposition of the icebergs is accompanied by the formation of a fine powder (apparently amorphous ice) on the bottom of the cell; the volume of this powder is nearly two orders of magnitude less than the volume of the initial icebergs, i.e., the total water content in an iceberg is ⩽10²⁰ molecules/cm³. This estimate agrees with an estimate of the difference of the density of an iceberg and the density of the surrounding liquid ρL (the ratio Δρ/ρL<0.1) from the results of observations of oscillations of the sample when thermoacoustic vibrations arise in a cell filled with liquid He I. In considering the structure of the icebergs it can be assumed that in helium vapor over the surface of He II the H₂O impurity molecules agglomerate into clusters, so that the core of the impurity–helium water condensate in He II (a gel dispersion system) is formed by water nanoclusters surrounded by one or two layers of solidified helium, and the superfluid He II filling the pores between particles serves as the dispersion medium of the watergel.