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为什么有的液体能沿着容器壁向上爬?

常言道“人往高处走,水往低处流”。由于地球引力的作用,液体一般都会往更低的地方流动,比如千万条江河都是发源于地势高的山峦,最终流向地势低的大海。

但是有一种液体例外,它可以沿着光滑的墙壁从低处流向高处,它就是“超流体”。与一般液体不同,超流体内部几乎完全没有“黏性”。黏性大小和液体里面的分子相互之间吸引力有关,黏性越大代表吸引力越大。水的黏性较小,油的黏性大于水,胶水的黏性大于油。超流体黏性近似为零。

人类最早发现的超流体是接近绝对零度的液氦。当液氦的温度低于-271℃,液氦中氦原子间的相互吸引力就会小到可以忽略,液氦就完全失去了黏性,变成超流体。虽然氦原子间的吸引力消失了,但是氦原子容器壁之间的吸附力还存在,这个力可以克服氦原子受到的重力。于是一个有趣的现象发生了,液氦沿着光滑的容器壁慢慢向上爬,直到爬出容器,然后再沿着容器壁的外表面缓缓流下。黏性大的液体由于内部较大分子吸引力会凝聚成一团,它与容器壁的吸附力远远不够克服这一团分子的重力,因此不会有液体沿着容器向上爬的现象。

在一个U形容器内的超流体都会沿着容器壁向外爬,同时容器外的超流体沿着容器壁向内爬。但是由于容器外的超流体重力势能更高,爬进容器需要的时间更短。因此我们就会看到有更多的超流体从高液面的容器外,慢慢爬到低液面的容器内,于是形成了不需要管子的虹吸现象。

在一个半球形的玻璃容器中装入-271℃的液氦液氦沿着容器壁慢慢爬出容器,再从容器外表面慢慢流到容器的底部,变成液滴,然后像眼泪一样一滴一滴地落下。在实验中还可以观察到有趣的“超流喷泉”现象。如在容器内部置一小电炉对液氦超流体稍微加热,超流体会形成一柱异常光滑美丽的小喷泉,这种美景只能在超流体这种无黏性液体上看到。

【知识点】为什么液氦会出现超流而水不会

原子是惰性气体原子。惰性气体原子的特点是电子占满了该原子能提供的位置,因此化学性质极不活泼,很难形成分子原子间的相互作用也很弱。因此由原子(或分子)间相互作用导致的黏性比一般的液体要小,这样才可以在接近绝对零度的温度下形成超流体。水分子本身有电极性,分子间的吸引相互作用很强,导致水的黏性很大。而且在0℃以下,水分子会因相互作用变成固态(结冰),更无法实现超流。