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質問

【超流動】はヘリウム粒子群の波動化に起因しているのでしょうか？

回答No.2

uzu_sp · ベストアンサー

私の仮説ですが、超流動はヘリウム粒子群の波動化には起因していないと思います。

量子力学的に超流動を理解すると、ヘリウムの１ｓ電子軌道は２個の電子で埋まっています。
１つの電子軌道には２個しか存在できません。

それは１つの電子軌道に１つの電子だけでいいはずですが、もう１つ電子が電子軌道に入ってくると２つの電子は電界的には反発して１つの電子軌道に２つの電子は存在出来ないはずですが、電子は原子核と核内の素粒子（クォーク）もスピンしている（はず・・）のでその影響でスピン（回転）しています。

電子がスピン（回転）するのは、例えが悪いですが地球のように回転軸に磁極を持った磁石になります。
電子はスピンにより電磁誘導で回転軸に磁極を持った最小の磁石になります。

電界的に反発しても電子のスピンが反対になると磁石のＮ極とＳ極が引き合うように電子は引き合います。電界の反発と磁界の吸引の力が釣合う位置で結び付きます。この状態を電子のもつれ合い状態といい
安定した状態です。

この２つの電子の安定状態に他の電子が電子軌道に入ろうとしてもマイナス電界で電子は入れません。磁界的には２つの電子が磁気的に強く結びついているので、２つ以外の電子は磁気的結合は出来ません。

ヘリウムは１つの電子軌道しかなく、その電子軌道も２つの電子で埋まっているので、ヘリウム原子は電子の磁気的が出来ない。正確には磁気的結合力が非常に小さいので、ヘリウムは常温では分子にはならず原子単独で存在します。

物質はだいたい３状態で存在します。
気体、液体、固体の３状態（ただし、ほかにも気体・液体、気体・固体、液体・固体の混在状態もありますが・・）で存在します。

ヘリウムも常温では気体、絶対零度付近で液体、絶対零度付近で圧力を加えて行くと個体になります。

今問題にされているのは絶対零度付近での液体状態です。

この状態は粘性が非常に小さい超流動状態です。
超流動状態を量子力学的に私の仮説で理解すると、超流動ヘリウム原子同士は外部の熱エネルギー（電磁波エネルギー）が非常に小さくなっています。
ただし、真の絶対零度でも原子核は振動しています。
原子核と電子の運動が最小エネルギー（このエネルギーは＞０）の状態が真の絶対零度です。

超流動状態のヘリウムは原子の運動速度は非常に小さく、電子軌道の２つの電子も、もつれ合い状態で運動エネルギーも真の絶対零度より非常に少し高い程度のエネルギーです。

電子軌道のもつれ合った２つの電子から漏れた磁力線でヘリウム原子群が非常に弱く結合しています。
これが液体ヘリウムで粘性が非常に小さいので超流動です。

この液体ヘリウムはヘリウム同士で結合するより、容器の原子と結び付く力が大きく（容器の原子に各原子軌道の内少なくとも１つ以上は電子１個で存在するため、その電子の磁力はヘリウム原子のもつれた合った電子からもれる磁力より非常に大きい）液体ヘリウムは重力に逆らっても容器との結合力が大きいため液体ヘリウムは容器の壁つたって容易に移動できる。

・・・と私の仮説では結論づけました。

補足

有り難う御座います。

極低温環境の下では、ヘリウム同士での磁気的結合よりも容器からの引力の方が勝っているのですね。

回答No.1

BCS1957

こんにちは。

現在ヘリウム4とヘリウム3が極低温において超流動現象を示しますが、その理論的解明はされていないと記憶しています。
ヘリウム粒子群の波動化については、もともと粒子性と波動性を持っているので、波動化という表現が正しいかどうかはわかりません。
あえて言うならば多数のヘリウムの位相が揃った状態(コヒーレントな状態)になると思います。
超流動現象はBose-Einstein(BE)凝縮が起こった結果、生じています。
ヘリウム4はBose粒子(あるエネルギー準位を複数の粒子が占有することが可能な粒子)で、これがBE凝縮を起こして、一番エネルギーの低い状態(基底状態)に凝縮した結果、超流動現象が起きます。
1個や2個のヘリウム4が基底状態にいたところで、何も起きません。
多数のヘリウム4が基底状態に凝縮されることで超流動が起きます。
Einsteinの理論結果3.1(K)と実験値2.17(K)にはズレがありますが、これは粒子間にはたらく相互作用を考慮していないためですが、BE凝縮することは説明できるようです。

ちなみに、ヘリウム3はFermi粒子(あるエネルギー準位に1個の粒子しか占有できない)であるため、(BCS理論で言うところの)ペアを作ってBose粒子化することで超流動が起こると言われています。
ペアを作るには粒子間に相互作用が必要で、かつ熱などの外乱による揺らぎも小さくなくてはなりません。したがってヘリウム4よりさらに低温にならないと超流動現象は起きません。

超流動や超伝導の理論は非常に難しく、最低でも大学院レベルだと言われています。
私も学生時代に超伝導のBCS理論について勉強しましたが、やはり理解するには至りませんでした。わかったつもり状態です。

上記で回答になっているかわかりませんが、以上になります。
ご参考になれば幸いです。

補足

有り難う御座います。

ヘリウム粒子群の集団が
わざわざ波動化する訳ではないのですね。

良く分かり、非常に助かりました。