ما هي الميوعة الفائقة ؟ .. وخصائصها .. وأمثلة عليها 

الميوعة الفائقة

الميوعة الفائقة أو السيولة الفائقة هي خاصية كمية لبعض السوائل والغازات التي تصبح سائلة تحت درجة حرارة معينة. ويمكن التعريف الميوعة السيولة الفائقة على أنها التدفق عديم الاحتكاك. وذلك من تأثير ميكانيكا الكم. وهذه واحدة فقط من الخصائص المثيرة والمميزة.

والسيولة الفائقة هي إحدى خصائص بعض السوائل التي تتدفق دون أي لزوجة مع طاقة حركية ثابتة. على سبيل المثال، في حال وضع سائل في دلو وتدوير السائل ببطء إلى مرحلة الميوعة أو السيولة الفائقة فإن السائل الذي يدور في البداية في الدلو سيبدو وكأنه يستقر. [1]

خصائص الميوعة الفائقة

هناك الكثير من الخصائص المميزة والمثيرة للميوعة الفائقة أو السيولة الفائقة للسوائل. تكون كل ذرات هذه السوائل في نفس الحالة الكمومية. وهذا يعني أن ذرات هذه السوائل تمتلك نفس القوة الدافعة. وهذا الأمر هو الذي يسمح للسوائل بالتدفق عديم الاحتكاك.

تشكل السوائل الفائقة المثارة بالفوتونات نافورة بشكل عمودي لأعلى من سطحها. وتتمتع السوائل الفائقة أيضًا بموصلية حرارية عالية بشكل مثير للدهشة. حيث تنتقل الحرارة في السوائل الفائقة بسرعة كبيرة بحيث تصبح الموجات الحرارية ممكنة.

على الرغم من هذه الخصائص الموجية الغريبة يمكن للسوائل الفائقة الميوعة أيضًا نقل موجات الصوت العادي. وفي الحقيقة أن خصائص الميوعة أو السيولة الفائقة للسوائل كانت محط تساؤل من قبل العلماء. لذلك توصلوا إلى نموذج ثنائي الموائع لوصف السوائل الفائقة الميوعة

حيث تتكون السوائل الفائقة من نسبة مئوية من الذرات في نفس الحالة الكمومية وتعمل ككيان واحد، ونسبة مئوية من الذرات في الحالات الكمومية العادية المتغيرة. تنخفض كمية الذرات العادية مع اقتراب الصفر المطلق. هذه النظرية تفسر معظم ظواهر السوائل الفائقة. [2]

امثلة الميوعة الفائقة

من الأمثلة عن السوائل الفائقة الميوعة نظائر الهيليوم وفي الغازات الذرية شديدة البرودة. من المفترض وجود الميوعة أو السيولة الفائقة في أنظمة خارج كوكب الأرض، مثل النجوم النيوترونية، وهناك أدلة ظرفية تدعم وجوده في أنظمة أرضية أخرى، مثل الإيكسيتونات، وهي عبارة عن أزواج من الثقوب الإلكترونية الموجودة في أشباه الموصلات.

وتتضمن الأمثلة للميوعة الفائقة نظائر الهيليوم النظيرين الهيليوم 3 أو ³He والهيليوم 4 أو ⁴He. وأول ما اكتشفت الميوعة أو السيولة الفائقة في الهيليوم السائل في درجات حرارة أقل من 2.17 كلفن. يصبح نظير الهيليوم 4 سائل فائق في درجات حرارة أقل من 2.17 كلفن. ويصبح الهيليوم 3 سائل فائق عند درجات حرارة أقل من 0.0025 كلفن فقط. [3]

دراسة امثلة الميوعة الفائقة

بعض الأشكال الأكثر شيوعًا للسوائل فائقة الميوعة موجودة في الهيليوم السائل. نظير الهيليوم 4 ونظير الهيليوم 3 من السوائل القوية التي لها الكثير من الخصائص المثيرة للاهتمام.

نظير الهيليوم 4
أحد نظائر الهيليوم، ومن الصعب محاكاة خصائص نظير الهيليوم 4 فائقة الميوعة لأنها تحتاج إلى تسخين إلى درجات حرارة أعلى من نظير الهيليوم 3. تتكون جميع ذرات هذا النظير من البوزونات، ولهذا السبب تمتلك جسيمات نظير  الهيليوم 4 دوران صفري.

ومع ذلك، يعتبر نظير الهلييوم 4 أحد أكثر نظائر الهيليوم وفرة في الكون. يستخدم هذا النظير عادة في التحليل الطيفي وهو دراسة التفاعل بين المادة والإشعاع الكهرومغناطيسي. تُستخدم أيضًا في الجيروسكوبات والأقمار الصناعية التي تدرس بيانات الأشعة تحت الحمراء في درجات حرارة منخفضة.

نظير الهيليوم 3
النظير الشقيق لنظير الهيليوم 4. يعتبر نظير الهيليوم 3 النظير الأكثر استقرارًا والأخف وزنًا من نظير الهيليوم 4، ويعتبر نظير بدائي. وهذا يعني أن نظير الهيليوم 3 كان موجود لفترة أطول من الأرض، أو أنه  كان موجود عندما كانت الأرض.  وفي عام 1996، فاز العلماء الذين اكتشفوا نظير الهيليوم 3 بجائزة نوبل في الفيزياء

ويمكن العثور على نظير الهيليوم 3 في أماكن أخرى في النظام الشمسي، مثل سطح القمر والسدم. ويُعتقد أن نظير الهيليوم 3 ظهر لأول مرة عن طريق اصطدام الأشعة الكونية بذرات ومواد موجودة في الأرض. ويمكن أيضًا إطلاق هذا النظير في الغلاف الجوي عن طريق تجارب الأسلحة النووية. [4]

كيف ظهر مصطلح السيولة الفائقة

تم تسييل نظير الهيليوم 4 في عام 1908، ولكن في عامي 1936 و1937 فقط  أدرك العلماء أن نظير الهيليوم تحت درجة حرارة 2.17 كلفن يمتلك خصائص مختلفة عن أي مادة أخرى معروفة في ذلك الوقت. كما أن الموصلية الحرارية لمرحلة درجات الحرارة المنخفضة كبيرة جدًا مما يشير إلى آلية الحمل الحراري، ولكن مع لزوجة منخفضة بشكل غير عادي.

في عام 1938، أجرى بعض العلماء في  نفس الوقت المزيد من الدراسات والأبحاث حول لزوجة الهيليوم الموجود في أنبوب رفيع كدالة لدرجة الحرارة. بينت نتيجة هذه الدراسات والأبحاث انخفاضًا والذي ظهر بشكل متقطع. وعلى أساس التشابه مع الموصلية الفائقة، نتج مصطلح الميوعة أو السيولة الفائقة لهذا السلوك. وهي التدفق دون أي لزوجة مع طاقة حركية ثابتة.

تطبيقات السيولة الفائقة

الاستخدامات المباشرة للهليوم فائق الميوعة قليلة جدًا على أرض الواقع. ولكن يعتبر نظير الهيليوم 4 فائق الميوعة مبرد ممتاز للمغناطيسات عالية المجال وذلك وبسبب الموصلية الحرارية العالية للغاية. كما أن لكل من نظيري الهيليوم 3 و4 بعض التطبيقات ككاشفات للجسيمات الغريبة. في حين أن هناك تطبيقات فريدة أخرى غير مباشرة للميوعة الفائقة، فهي مفيدة للغاية في تطوير النظرية وفهم الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية. [1]

السوائل فائقة الميوعة والفرق بينها وبين السوائل العادية

السوائل فائقة الميوعة هي السوائل التي لا تمتلك أي مقاومة عند التدفق. ولذلك، لا تتأثر السوائل فائقة الميوعة بالاحتكاك بأي شكل من الأشكال. يمكن أن تتدفق السوائل الفائقة الميوعة دون فقدان أي طاقة مع مرور الوقت. وذلك على عكس السوائل العادية التي تمتلك مقاومة عند التدفق وتتأثر بالاحتكاك. وتتدفق مع فقدان للطاقة مع مرور الوقت.

في الحقيقة، توصف السيولة الفائقة بشكل أكثر شيوعًا على أنها سمة من سمات السائل، وليس نوعًا واحدًا من السوائل. السوائل فائقة الميوعة التي تتمتع بهذه الخاصية عادة ما تكون لزوجتها صفر، وتشكل دوامات عندما تضطرب. كما أنها لا تتشكل عادةً في البيئات الطبيعية على الأرض. يتم اكتشافها أو إنشاؤها بشكل شائع في المختبرات، أو على كواكب أخرى، أو في بيئات قاسية أخرى. [4]