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

Градостроительство экспромтом Градостроительство экспромтом

Реновация пятиэтажек превратилась в проект тотального уплотнения города

Эксперт
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
Берут – беги Берут – беги

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

Esquire
Береза/Bétula Береза/Bétula

О местах, где вы сможете прочувствовать духовность русского края

Elle
Отпусти меня Отпусти меня

Трудно сказать, у кого период адаптации к детскому саду и школе проходит сложнее

Cosmopolitan
На дне морском На дне морском

Хвалынск — маленький город на великой реке

Огонёк
Скорость таяния Гренландского ледяного щита обогнала скорость прироста массы Скорость таяния Гренландского ледяного щита обогнала скорость прироста массы

Гренландский ледяной щит стал в среднем терять массу быстрее, чем наращивать ее

N+1
Как Китай догоняет США в деле вооружения авианосцев Как Китай догоняет США в деле вооружения авианосцев

В Китае вовсю идет работа над самыми важными самолетами для плавучих аэродромов

Популярная механика
Кубик Осипова Кубик Осипова

Самая ожидаемая и самая крутая головоломка десятилетия

Популярная механика
Биологи опровергли моторную модель медленной адаптации волосковых клеток Биологи опровергли моторную модель медленной адаптации волосковых клеток

Видимо, за адаптацию и наклон волосков отвечают разные типы миозина

N+1
Прибавление в пиратском семействе морских котиков Прибавление в пиратском семействе морских котиков

Рождение морского котика в зоопарке — очень радостное и редкое событие

National Geographic
Порча во благо: почему спойлеры и антикрылья нужны автомобилям Порча во благо: почему спойлеры и антикрылья нужны автомобилям

Спойлеры и антикрылья несут огромную функциональную нагрузку

Популярная механика
Чего я не знал, начиная бизнес: Андрей Лобанов, «Алгоритмика» Чего я не знал, начиная бизнес: Андрей Лобанов, «Алгоритмика»

Андрей Лобанов знает о «болезнях роста» не понаслышке

Inc.
Сферы для массажа — тренд 2020 года: лучшая альтернатива роллерам и гуаша? Сферы для массажа — тренд 2020 года: лучшая альтернатива роллерам и гуаша?

Как пользоваться Ice Globes и какая от них польза?

Cosmopolitan
Три лучших способа сделать непромокаемые спички своими руками Три лучших способа сделать непромокаемые спички своими руками

Что может быть романтичнее, чем развести костёр на дне Марианской впадины

Maxim
Дядя Ваня Дядя Ваня

Иван Краско: «Я оптимист. Просыпаюсь утром и радуюсь жизни»

Караван историй
Как и почему состоятельные женщины попадают в сексуальные ловушки? Как и почему состоятельные женщины попадают в сексуальные ловушки?

Умные, взрослые, обеспеченные и... одинокие. Они становятся легкой добычей

Psychologies
9 отличных фильмов о тюрьме и заключенных, которые ты, скорее всего, не видел 9 отличных фильмов о тюрьме и заключенных, которые ты, скорее всего, не видел

9 разных по стилистике и тематике, но отличных фильмов о тюрьмах и заключенных!

Maxim
«Как можно не знать Дудя? Я понял, что они явно не из России»: партнер «Додо Пиццы», которого держали в заложниках в Латвии, рассказал о похищении «Как можно не знать Дудя? Я понял, что они явно не из России»: партнер «Додо Пиццы», которого держали в заложниках в Латвии, рассказал о похищении

Владимир Горецкий сообщил подробности своего похищения

Esquire
Торговля людьми, отмывание денег и связи с ОПГ: в чем Сенат заподозрил «российских» партнеров Дональда Трампа Торговля людьми, отмывание денег и связи с ОПГ: в чем Сенат заподозрил «российских» партнеров Дональда Трампа

Сенаторы собрали новое досье на деловых партнеров президента США Дональда Трампа

Forbes
22 незаметные роли в популярных российских фильмах, которые исполнили сами режиссеры 22 незаметные роли в популярных российских фильмах, которые исполнили сами режиссеры

Камео в самых знаковых произведениях отечественного кинопрома

Maxim
Юбка в клетку: как выбрать и с чем носить трендовую вещь Юбка в клетку: как выбрать и с чем носить трендовую вещь

Учимся носить юбки в клетку, чтобы быть в центре внимания

Cosmopolitan
Есть ли место для it bags в мужской моде Есть ли место для it bags в мужской моде

Попытки сделать it-сумки снова великими – мощный тренд нашего времени

GQ
50 оттенков проблемы: как окрашивание тканей вредит экологии и какие есть альтернативные решения 50 оттенков проблемы: как окрашивание тканей вредит экологии и какие есть альтернативные решения

Современные процессы окрашивания текстиля стали большой экологической проблемой

Esquire
Aurus, Lada, Mercedes и другие: на каких машинах Путин ездил за рулем Aurus, Lada, Mercedes и другие: на каких машинах Путин ездил за рулем

Вспоминаем все знаковые поездки Путина

РБК
Надежда Ангарская: «Я против бодипозитива, который оправдывает лень и безответственность» Надежда Ангарская: «Я против бодипозитива, который оправдывает лень и безответственность»

Обычно героини этой рубрики рассказывают о том, что похудели, чтобы быть в форме

Худеем правильно
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
7 распространенных приемов манипуляторов. Как их распознать 7 распространенных приемов манипуляторов. Как их распознать

Что делают манипуляторы, чтобы добиться своего, и как им противостоять

РБК
Китайский рецепт ускорения: почему в России не растут инвестиции и что с этим делать Китайский рецепт ускорения: почему в России не растут инвестиции и что с этим делать

Россия и Китай: оценка экономических подходов

Forbes
Почему белорусский режим не пал под напором толпы Почему белорусский режим не пал под напором толпы

Больше двух недель белорусы выходят на массовые акции протеста

СНОБ
Открыть в приложении