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

10 фишек Windows 95, которые мы используем до сих пор 10 фишек Windows 95, которые мы используем до сих пор

Многие решения из Windows 95 стали стандартными для всех последующих ОС

Популярная механика
«В Европе рассрочку не просят»: что российский создатель вертикальных ферм iFarm за год узнал о рынке и клиентах «В Европе рассрочку не просят»: что российский создатель вертикальных ферм iFarm за год узнал о рынке и клиентах

Как iFarm работает с клиентами и учит нейросеть ухаживать за растениями

VC.RU
Грехи Грехи

Мужчины, которые обеспечили себе место в аду, зарабатывая состояние и признание

Esquire
5 модных трендов, которые родились в СССР и разошлись по миру 5 модных трендов, которые родились в СССР и разошлись по миру

Трудно назвать законодателем мод страну, где нейлоновые чулки были дефицитом

Maxim
«У нас страна все-таки патриархальная». Юлия Снигирь о новом сериале Богомолова, работе с Соррентино и «классовом подходе» на съемках «У нас страна все-таки патриархальная». Юлия Снигирь о новом сериале Богомолова, работе с Соррентино и «классовом подходе» на съемках

Юлия Снигирь — о разнице в работе киноактера в России и на Западе

Forbes
Рак, смерть брата, мерзкий характер: трагическая история актера Вэла Килмера Рак, смерть брата, мерзкий характер: трагическая история актера Вэла Килмера

С Вэлом Килмером просто невозможно работать... и вот почему

Cosmopolitan
Кто такие гидроцефалы: жидкий мозг и современная медицина Кто такие гидроцефалы: жидкий мозг и современная медицина

Исследования, с помощью которых можно проследить возникновение гидроцефалии

Популярная механика
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
У ВИЧ-инфицированной пациентки заподозрили естественное избавление от вируса У ВИЧ-инфицированной пациентки заподозрили естественное избавление от вируса

Как организм некоторых пациентов удерживает под контролем ВИЧ-инфекцию

N+1
Немного Лавкрафта, биохакеры и детектив о маньяке: какие сериалы стоит смотреть в августе Немного Лавкрафта, биохакеры и детектив о маньяке: какие сериалы стоит смотреть в августе

Все лучшее от Netflix, HBO, Start.ru и «Амедиатеки»

Forbes
Мухи почувствовали себя безопаснее в компании слепых сородичей и магнитов Мухи почувствовали себя безопаснее в компании слепых сородичей и магнитов

В группах дрозофилы реагируют на опасность слабее

N+1
Новый императив для бизнеса. Как инклюзия помогает компаниям эффективнее работать и менять социум Новый императив для бизнеса. Как инклюзия помогает компаниям эффективнее работать и менять социум

Почему бизнес становится инклюзивным и как можно ускорить этот процесс

Forbes
«Я не предсказываю в своих книгах, я принимаю некие волны». Владимиру Сорокину — 65 лет «Я не предсказываю в своих книгах, я принимаю некие волны». Владимиру Сорокину — 65 лет

Фрагмент повести Владимира Сорокина «День опричника» 2006 года

Forbes
Дикий секс: как это делают дикобразы, ленивцы, осьминоги и другие Дикий секс: как это делают дикобразы, ленивцы, осьминоги и другие

Шесть странных секс-ритуалов из мира животных

Популярная механика
Слишком хорошо, чтобы быть правдой: почему вам стоит больше узнать о бренде Toogood Слишком хорошо, чтобы быть правдой: почему вам стоит больше узнать о бренде Toogood

Бренд Toogood, в рамках которого примиряются домашний и формальный стили

GQ
Трава незабвения Трава незабвения

Как маленькое село в Тульской области сделало своим брендом крапиву

Огонёк
Как пожаловаться в ресторане, не устраивая сцену: 4 главных правила Как пожаловаться в ресторане, не устраивая сцену: 4 главных правила

Как с достоинством сообщить персоналу ресторана, что тебя что-то не устраивает?

Playboy
Усы, бандана, «халкамания»: как Халк Хоган стал самым популярным рестлером и (своеобразной) иконой стиля Усы, бандана, «халкамания»: как Халк Хоган стал самым популярным рестлером и (своеобразной) иконой стиля

Некоторые виды спорта подразумевают особую зрелищность, и рестлинг — один из них

Esquire
Примеры обмана: как битые машины продают под видом «идеальных» Примеры обмана: как битые машины продают под видом «идеальных»

Как вычислить мошенников на вторичном рынке?

РБК
Как отрастить волосы после стрижки в домашних условиях Как отрастить волосы после стрижки в домашних условиях

Ваша переменчивая натура после короткой стрижки требует длинные волосы?

Cosmopolitan
Бывает ли плацебо по-настоящему эффективным: сила внушения Бывает ли плацебо по-настоящему эффективным: сила внушения

Плацебо все еще может быть эффективным без всякого обмана

Популярная механика
Колыбельная для андроидов Колыбельная для андроидов

Искусственному интеллекту вредна бессонница

Огонёк
Ботаники Ботаники

Юрий Фоменко и Дмитрий Голубев — главные по ландшафтному дизайну в Петербурге

Собака.ru
Смерть в Неаполе Смерть в Неаполе

Василий Степанов о новом — и очень хорошем — «Мартине Идене»

Weekend
Физики избавились от объектива в камере светового поля Физики избавились от объектива в камере светового поля

Ученые сформировали изображения светового поля без использования объектива

N+1
ВПЧ: важные факты о вакцинации ВПЧ: важные факты о вакцинации

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

Лиза
Как правильно сочетать цвета в одежде: 8 идеальных вариантов-2020 Как правильно сочетать цвета в одежде: 8 идеальных вариантов-2020

Как сочетать одежду по цветам?

Cosmopolitan
Стесняюсь спросить: 12 важных вопросов про ботокс Стесняюсь спросить: 12 важных вопросов про ботокс

О чем нужно знать, прежде, чем подтвердить запись к косметологу на первый ботокс

Esquire
Инцест сделал из полосатых мангустов плохих нянек Инцест сделал из полосатых мангустов плохих нянек

Как живут инбредные особи полосатых мангустов

N+1
Эпоха «Второго храма» Эпоха «Второго храма»

Индия перестает быть светской страной?

Огонёк
Открыть в приложении