История изучения гелия и его необычные свойства

N+1Наука

«Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий»

Книга физиков Андрея Варламова, Аттилио Ригамонти и Жака Виллена «Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий» («Альпина нон-фикшн»), переведенная на русский язык Марией Прилуцкой, адресована тем, кто хочет понять удивительные природные явления, окружающие человека. Авторы рассматривают естественные проявления физики, с которыми мы сталкиваемся ежедневно, принципы работы некоторых изобретений и отвечают на вопросы, связанные с гастрономией. Наконец, в заключительной части книги говорится о том, как квантовая механика меняет привычный взгляд на природу. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с фрагментом, в котором рассказывается об истории изучения и необычных свойствах гелия.

Снежки из гелия

Второй элемент периодической таблицы Менделеева, гелий, пожалуй, больше всего интересует исследователей благодаря своим необычным свойствам. И хотя он принес ученым бессонницу и головную боль, они были вознаграждены красотой механизмов, объясняющих его особенности.

Сжижение гелия

Внимательный читатель уже знает из предыдущих глав, что гелий становится жидким только при очень низкой температуре и при атмосферном давлении не затвердевает (см. с. 244). Вместо этого он, при еще более низкой температуре, становится сверхтекучим, то есть лишенным вязкости (см. с. 261). Гелий был впервые сжижен Камерлинг-Оннесом в его Лейденской лаборатории 10 июля 1908 года (илл. 1). В течение нескольких месяцев продолжалось соревнование с другими исследователями, тщетно пытающимися превратить этот газ в жидкость. Гелий, единственный из всех элементов, упорно оставался газообразным… Камерлинг-Оннес был уверен, что он не только сжижил гелий, но и получил его в твердой фазе еще в марте 1907 года. Действительно, сразу после быстрого снижения давления он наблюдал образование беловатого облака в газообразном гелии и, не особо задумываясь, счел его твердым. В полном восторге он телеграфировал своему коллеге сэру Джеймсу (шотландский физик и химик Джеймс Дьюар (1842–1923), первым сжиживший водород): «Получил твердый гелий». Международная пресса широко отметила это достижение. Увы, белесое облако оказалось состоящим из капель водорода, которые предательски проникли в гелий! Бедняга Камерлинг-Оннес был осмеян соотечественниками: они с иронией указывали, что вместо твердого гелия он обнаружил только halfium (слово half в переводе с нидерландского означает «половина», тогда как heel означает «целое»). Мораль: 1) великие люди ошибаются; 2) великие ученые делают преждевременные выводы, и не стоит им подражать! Однако полученная 10 июля 1908 года жидкость действительно была гелием.

1. Камерлинг-Оннес в Лейденской лаборатории, где он и его сотрудники первыми в мире получили жидкий гелий. В 1913 году ученый получил Нобелевскую премию по физике за изучение свойств вещества при низких температурах.

Благодаря этому крупному технологическому достижению перед исследователями открылись совершенно новые возможности для экспериментов. Охлаждая приборы жидким гелием, они наконец обрели возможность проводить эксперименты при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. В частности, Камерлинг-Оннес при температуре ниже 4 K обнаружил явление сверхпроводимости ртути (см. главу 24, с. 255). А сейчас мы расскажем куда менее известную историю — о необычных механизмах переноса в жидком гелии электрических зарядов.

Электрические заряды в жидком гелии

В известных нам жидкостях всегда присутствуют электрические заряды, и они относительно подвижны. Так, в воде при комнатной температуре значительный процент молекул H2O диссоциирует на ионы OH и H+ (на практике последний соединяется с молекулой воды с образованием иона H3O+). В жидком гелии подобная диссоциация полностью отсутствует и «свободных» электрических зарядов нет. С очень высокой вероятностью все атомы находятся в их наинизшем энергетическом квантовом состоянии (см. с. 238). Для того чтобы атом гелия перешел из основного состояния в возбужденное, необходимо затратить энергию E примерно в 20 эВ (1 эВ = 1,6∙10–19 Джоулей). Согласно формуле Гиббса — Больцмана, вероятность того, что атом при температуре T находится в возбужденном состоянии с энергией E, равна exp [–E / (kБT)], где kБ — постоянная Больцмана (см. с. 83). Однако жидкий гелий существует при нормальном давлении при температурах ниже 4,2 К. При такой температуре E / (kБT) = 58 000, поэтому вероятность обнаружения возбужденного атома гелия составляет e–58 000, что практически равно 0. Даже при комнатной температуре, как легко может убедиться читатель, вероятность нахождения возбужденного атома гелия ничтожна. Вероятность встречи с ионом (например, He+) тем более пренебрежимо мала.

Но при этом в жидкий гелий можно искусственно ввести с целью измерения очень низких токов различные носители заряда. Например, ядра гелия He

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Мой хороший Мой хороший

Как разглядеть в толпе обыкновенного хорошего парня?

Cosmopolitan
Полимерная оболочка помогла вытянуть волокна из металлического стекла Полимерная оболочка помогла вытянуть волокна из металлического стекла

Швейцарские ученые создали волокна из аморфных металлов длинной в десятки метров

N+1
Берут – беги Берут – беги

Теневая экономика России настолько велика, что называть ее теневой даже неловко

Esquire
Все машины Штирлица. Раскрываем тайны фильма «Семнадцать мгновений весны» Все машины Штирлица. Раскрываем тайны фильма «Семнадцать мгновений весны»

На чем ездил Штирлиц?

РБК
Что такое кроссфит? Полный гайд для новичков Что такое кроссфит? Полный гайд для новичков

Что такое кроссфит, как выглядят тренировки, и что необходимо для занятий?

Playboy
Александр Сокуров Александр Сокуров

Правила жизни Александра Сокурова

Esquire
ВПЧ: важные факты о вакцинации ВПЧ: важные факты о вакцинации

В чем только не обвиняют вакцину от ВПЧ. Где правда?

Лиза
Как начать инвестировать, если у вас только 1000 рублей Как начать инвестировать, если у вас только 1000 рублей

Инвестиции сегодня — это модно или необходимо?

Psychologies
Форт-Нокс — самое недоступное хранилище на Земле Форт-Нокс — самое недоступное хранилище на Земле

Где находится неприкосновенный американский золотой запас

Maxim
Все будет ровно: как выбрать лазерный нивелир Все будет ровно: как выбрать лазерный нивелир

Лазерные уровни нужны не только при ремонте. Разбираемся

CHIP
Российские биологи разобрались в работе прокариотических белков-аргонавтов Российские биологи разобрались в работе прокариотических белков-аргонавтов

Молекулярные биологи раскрыли роль прокариотических белков-аргонавтов

N+1
Рестилинг, синхронные роды, русский жених: всё о близнецах Никки и Бри Белла Рестилинг, синхронные роды, русский жених: всё о близнецах Никки и Бри Белла

Никки и Бри Белла - суперуспешные американские рестлеры-близнецы

Cosmopolitan
Меняем картридж: какая продукция ударит по карману Меняем картридж: какая продукция ударит по карману

На чем не стоит экономить при обслуживании оргтехники дома и в офисе

Популярная механика
«Наконец-то я седею!» и другие приятные возрастные изменения «Наконец-то я седею!» и другие приятные возрастные изменения

Может ли старение приносить удовольствие?

Psychologies
Нити коги — работает ли популярная лифтинг-процедура? Нити коги — работает ли популярная лифтинг-процедура?

Как делают подтяжку нитями и какие и противопоказания есть у процедуры

Cosmopolitan
18 плюс 18 плюс

Днем овощи, вечером мясо — таковы принципы диеты VB6

Добрые советы
Алексей Маслов: Конфуций. Беседы с одиноким мудрецом Алексей Маслов: Конфуций. Беседы с одиноким мудрецом

Отрывок из новой книги Алексея Маслова о великом китайском мыслители Конфуции

СНОБ
Вертолет, Ferrari и подъемный кран: самые необычные транспортные средства чиновников и депутатов Вертолет, Ferrari и подъемный кран: самые необычные транспортные средства чиновников и депутатов

В декларациях богатейших чиновников и депутатов есть даже подъемный кран

Forbes
7 стратегий против любовной тоски 7 стратегий против любовной тоски

Советы для тех, кто болезненно расстался с партнером или пережил предательство

Psychologies
Способность мозга определять границы событий изменилась с возрастом Способность мозга определять границы событий изменилась с возрастом

Ученые выяснили, что за определение границ событий в памяти отвечает гиппокамп

N+1
Как быстро избавиться от икоты: 20 способов Как быстро избавиться от икоты: 20 способов

Предательская икота иногда застаёт так не вовремя и никак не хочет проходить

Cosmopolitan
Киберстарость: как приучить пожилых людей к новым технологиям Киберстарость: как приучить пожилых людей к новым технологиям

Психолог объясняет, как помочь пожилым родственникам освоить современные гаджеты

Psychologies
КПП “Мерседеса” сорвала план солдата из США по угону немецкого такси КПП “Мерседеса” сорвала план солдата из США по угону немецкого такси

Военный из США попытался угнать “Мерседес” таксиста, но не справился с его КПП

Популярная механика
Режим энергосбережения: как позволить себе расслабиться без чувства вины Режим энергосбережения: как позволить себе расслабиться без чувства вины

Советы психолога по практике ничегонеделания

Psychologies
Как компактно собрать чемодан: 17 лучших советов для путешественников Как компактно собрать чемодан: 17 лучших советов для путешественников

Лайфхак: как правильно упаковать чемодан и сэкономить место в багаже

Playboy
Идеальное сочетание: какие тени подходят для карих глаз Идеальное сочетание: какие тени подходят для карих глаз

Какие выбрать тени под карие глаза, чтобы выглядеть ярко и нескучно

Cosmopolitan
24 часа с Сати Казановой 24 часа с Сати Казановой

Cosmo провел день с певицей Сати Казановой

Cosmopolitan
Как правильно фотографироваться в спортзале Как правильно фотографироваться в спортзале

Не для лайков в «Инстаграм», а для твоей же безопасности!

Maxim
Путешествие длиной в жизнь Путешествие длиной в жизнь

Уроки, которые я выучил за 15 лет руководства компанией Walt Disney Company

kiozk originals
Точка сборки Точка сборки

Прокрастинация — это не банальная лень

Добрые советы
Открыть в приложении