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

Сколько Россия заплатила за дружбу с Лукашенко за последние 10 лет Сколько Россия заплатила за дружбу с Лукашенко за последние 10 лет

Как складывается и на чем держится «российско-белорусская дружба»?

Forbes
Массаж лица в домашних условиях: простые и эффективные методики Массаж лица в домашних условиях: простые и эффективные методики

О принципах ухода за лицом рассказывает эксперт в области красоты Юлия Энхель

Psychologies
Дома без папы Дома без папы

Дарья Мельникова самоизолировалась на страницах MAXIM без масок и одежды

Maxim
Шесть вещей, которые реально бесят в современных автомобилях Шесть вещей, которые реально бесят в современных автомобилях

Зачем было исправлять то, что не ломалось?

Maxim
Лазер сгенерировал неповторимые морщинки Лазер сгенерировал неповторимые морщинки

Ученые сгенерировали микроморщинки, которые невозможно воспроизвести

N+1
Самые красивые иранские звезды: 10 восточных красавиц, о которых ты не знала Самые красивые иранские звезды: 10 восточных красавиц, о которых ты не знала

Самые обворожительные актрисы Ирана

Cosmopolitan
«Тайны усыновления у нас в стране нет»: приемная мать двоих детей честно рассказывает свою историю «Тайны усыновления у нас в стране нет»: приемная мать двоих детей честно рассказывает свою историю

Генетик, блогер, приемная мама двоих детей подробно описывает свое родительство

Forbes
На что зомби могли бы заменить человеческие мозги в своём рационе: отвечают учёные На что зомби могли бы заменить человеческие мозги в своём рационе: отвечают учёные

Сравни со своим завтраком и задумайся: «А не зомби ли я?»

Maxim
Дивный водный мир Дивный водный мир

Водный Петербург — это внутренняя империя со своими правителями и активистами

Собака.ru
Путешествие длиной в жизнь Путешествие длиной в жизнь

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

kiozk originals
Что было до Neuralink: импланты и стимуляторы мозга, которые хочет заменить проект Илона Маска Что было до Neuralink: импланты и стимуляторы мозга, которые хочет заменить проект Илона Маска

Как работают уже существующие способы терапии с помощью имплантов для мозга

VC.RU
Зачем нужен излом на крыле самолета Зачем нужен излом на крыле самолета

Кто и зачем придумал крыло типа gull wing

Популярная механика
Неукротимые: знаки зодиака, которые никто не сможет приручить Неукротимые: знаки зодиака, которые никто не сможет приручить

Кто из знаков зодиака – милый домашний котик, а кто – шерстяной волчара?

Cosmopolitan
Пора взрослеть: как мы меняем свою жизнь Пора взрослеть: как мы меняем свою жизнь

Этапы взросления описывает концепция четырех миров

Psychologies
Катя катит кругосветку Катя катит кругосветку

Путешественники незаслуженно обделяют вниманием Центральную Америку

Мото
Новое устройство сделает МРТ молочных желез более эффективным Новое устройство сделает МРТ молочных желез более эффективным

Устройство, которое позволяет проводить МРТ-исследования молочных желез

Популярная механика
Между Facebook и Telegram: выпускники Y Combinator из России сделали мессенджер Openland и рассказали, зачем он нужен Между Facebook и Telegram: выпускники Y Combinator из России сделали мессенджер Openland и рассказали, зачем он нужен

Как Openland хотят выиграть у Slack, Discord и Telegram

VC.RU
Volkswagen Multivan T6.1. Песня про сосиску Volkswagen Multivan T6.1. Песня про сосиску

Микроавтобусы Volkswagen: не зря же их так любили хиппи

4x4 Club
Фильм «Билл и Тед снова в деле» – фан-сервис и аттракцион ностальгии по ушедшей юности Фильм «Билл и Тед снова в деле» – фан-сервис и аттракцион ностальгии по ушедшей юности

Новая часть истории про музыкантов-раздолбаев с Киану Ривзом

GQ
Напугать до смерти! Самый отвратительный аттракцион в мире Напугать до смерти! Самый отвратительный аттракцион в мире

«Мак-Кейми Менор» — аттракцион, который считается одним из самых страшных в мире

Cosmopolitan

История дружбы двух знаменитых актрис — Дебби Рейнольдс и Элизабет Тейлор

Cosmopolitan
«Дед говорил, что был во всех тюрьмах Москвы и Ленинграда» «Дед говорил, что был во всех тюрьмах Москвы и Ленинграда»

О писателе-натуралисте, который стал любимым для многих поколений детей

Огонёк
Что такое IQ-тесты и насколько они достоверны: измеряем интеллект Что такое IQ-тесты и насколько они достоверны: измеряем интеллект

Как именно можно измерить интеллект человека с помощью математики

Популярная механика
Сочтите за труд! 5 ловушек для фрилансера Сочтите за труд! 5 ловушек для фрилансера

Ты сделала работу, но тебе за нее не заплатили. Это еще почему?

Cosmopolitan
Косточка на ноге: почему не помогли биркенштоки? Косточка на ноге: почему не помогли биркенштоки?

Проблема вальгусной деформации стопы встречается с завидным постоянством

РБК
Суперген сделал белошейных зонотрихий агрессивнее Суперген сделал белошейных зонотрихий агрессивнее

Как две морфы белошейных зонотрихий могут отличаться по уровню агрессии

N+1
Правила жизни Майкла Джексона Правила жизни Майкла Джексона

Музыкант, скончался 25 июня 2009 года в возрасте 50 лет в Лос-Анджелесе

Esquire
5 лучших фантастических сериалов 2020 года 5 лучших фантастических сериалов 2020 года

Подборка самых интересных сай-фай сериалов, которые вышли в последние месяцы

Популярная механика
Страсть ушла, пришла зрелость: как с возрастом меняется любовь Страсть ушла, пришла зрелость: как с возрастом меняется любовь

Как выглядит зрелая любовь и что с ней делать?

VOICE
7 продуктов, которые нельзя давать собаке (они для нее опасны) 7 продуктов, которые нельзя давать собаке (они для нее опасны)

Не балуй любимца этими угощениями

Playboy
Открыть в приложении