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

Анастасия Заворотнюк: блестящий успех и череда несчастий «прекрасной няни» Анастасия Заворотнюк: блестящий успех и череда несчастий «прекрасной няни»

Как «прекрасная няня» покорила зрителей, и чего ей это стоило

Cosmopolitan
Как реклама сделала из «стыдного» товара новую индустрию: Scott Paper Company и продвижение туалетной бумаги Как реклама сделала из «стыдного» товара новую индустрию: Scott Paper Company и продвижение туалетной бумаги

Заставить мир и платить за туалетную бумагу было сложно

VC.RU
Так думают женщины о... Так думают женщины о...

Очередная попытка выяснить, чего хочет женщиина

Playboy
Принадлежит истребитель Су-57 к пятому поколению или нет Принадлежит истребитель Су-57 к пятому поколению или нет

Су-57 — вершина отечественного авиастроения?

Популярная механика
Почему в мире так мало левшей: кто виноват и что делать Почему в мире так мало левшей: кто виноват и что делать

Почему человек изначально рождается правшой или левшой?

Популярная механика
Глава Роскультцентра Марина Абрамова об экономике будущего и о том, как привить ее в России Глава Роскультцентра Марина Абрамова об экономике будущего и о том, как привить ее в России

Как в стране вышек и труб привить любовь к экономике будущего?

СНОБ
Ида Галич в проекте #CosmoПротивБуллинга Ида Галич в проекте #CosmoПротивБуллинга

Ида Галич рассказывает, как справиться с хейтом в интернете

Cosmopolitan
Почему ты не можешь получить работу своей мечты? 6 возможных причин Почему ты не можешь получить работу своей мечты? 6 возможных причин

Найти новое место работы иногда бывает непросто

Playboy
Почему мы устаем от Zoom? Почему мы устаем от Zoom?

Zoom-усталость: что думают об этом психологи?

Psychologies
Когда достроят дом родной? Когда достроят дом родной?

Прошел год, другой, пятый… Строительство заглохло, застройщик под следствием

Огонёк
Минимум во всём Минимум во всём

Минимализм и функциональность для молодой заказчицы от Юлии Гладковой

SALON-Interior
Солнце над столицей Солнце над столицей

73-метровое колесо обозрения, возведенное к 850-летию Москвы, долго не простояло

Популярная механика
Почему «Писсуар» Дюшана — это «Джоконда» Леонардо да Винчи нашего времени Почему «Писсуар» Дюшана — это «Джоконда» Леонардо да Винчи нашего времени

Фрагмент книги арт-критика Витторио Згарби «Леонардо. Гений несовершенства»

Forbes
Совершенно секретно: звезды, скрывавшие свою личность, – Бэнкси, Sia и другие Совершенно секретно: звезды, скрывавшие свою личность, – Бэнкси, Sia и другие

Знаменитости, скрывавшие свою личность, чтобы привлечь внимание к творчеству

Cosmopolitan
Как лечить ссадины: первая помощь, обработка, заживление Как лечить ссадины: первая помощь, обработка, заживление

Как оказать первую помощь при ссадинах, и что может ускорить заживление ссадин

Cosmopolitan
У вас было трудное детство? Вопрос дня У вас было трудное детство? Вопрос дня

Влияет ли трудное детство руководителя на взаимоотношения в коллективе?

СНОБ
Отрывок из книги Юрия Вагина «Доктор, все идет из детства?» Отрывок из книги Юрия Вагина «Доктор, все идет из детства?»

Какие ошибки допускают родители при воспитании ребенка?

СНОБ
Вопросы пола Вопросы пола

Выбираем экологичное и безопасное напольное покрытие

Лиза
@V0Vo4ka, к доске! @V0Vo4ka, к доске!

Человечество убедилось, что очень многим совершенно незачем выходить из дома

Maxim
Спасём мир от нечисти: лучшие игры про зомби на ПК Спасём мир от нечисти: лучшие игры про зомби на ПК

Лучшие игры про нежить последних лет

CHIP
Любовные треугольники звезд: самые скандальные истории – чем все закончилось Любовные треугольники звезд: самые скандальные истории – чем все закончилось

Звездные истории любви, в которых было больше двух действующих лиц

Cosmopolitan
Правило нужных вещей: как наводить и поддерживать порядок Правило нужных вещей: как наводить и поддерживать порядок

Как избавиться от беспорядка раз и навсегда

Psychologies
Максимум менеджер: как стереотипы мешают женщинам начинать карьеру в IT Максимум менеджер: как стереотипы мешают женщинам начинать карьеру в IT

К чему приводят стереотипы о том, что женщины работают в IT хуже мужчин?

Forbes
Как оттянуть «финиш»? 6 здоровых и бесплатных способов Как оттянуть «финиш»? 6 здоровых и бесплатных способов

Да, на скорость оргазма вполне реально влиять

Playboy
Семена империй: как мускатный орех и гвоздика заманили Колумба в путешествие Семена империй: как мускатный орех и гвоздика заманили Колумба в путешествие

Отрывок из книги «​​​​​​​Съедобная история человечества» Тома Стендейджа

Forbes
Екатерина Манжула Екатерина Манжула

Урбанистика нового типа пришла в Ленинградскую область

Собака.ru
Дары модернизации Дары модернизации

Анна Толстова о российском молодом искусстве и его перспективах

Weekend
Суперген сделал белошейных зонотрихий агрессивнее Суперген сделал белошейных зонотрихий агрессивнее

Как две морфы белошейных зонотрихий могут отличаться по уровню агрессии

N+1
Сексуальное выражение. Как мужчины говорят о любви Сексуальное выражение. Как мужчины говорят о любви

Она мечтает о любви, ему нужен секс — они хотят одного и того же или разного?

СНОБ
Как онлайн-ретейлеры делают шопинг более персонализированным Как онлайн-ретейлеры делают шопинг более персонализированным

Как онлайн-коммерция становится все ближе к клиентам

GQ
Открыть в приложении