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

Симпозиум Симпозиум

Эти эссе могут изменить ваше восприятие мира с помощью чувств

Playboy
Дмитрий Крутов: «Никакие инструменты не заставят вас захотеть расти и развиваться» Дмитрий Крутов: «Никакие инструменты не заставят вас захотеть расти и развиваться»

Директор Skillbox — о том, как стимулировать себя на постоянную учебу

РБК
Что говорят о нас отношения с деньгами Что говорят о нас отношения с деньгами

По тому, как человек относится к деньгам, можно определить его образ мышления

Psychologies
Самый лучший друг: может ли собака забыть хозяина? Самый лучший друг: может ли собака забыть хозяина?

Истории про верность собак всегда вызывают восхищение, а иногда даже и слезы

Популярная механика
Дженнифер Лоуренс - 30! Взлеты и падения загадочной блондинки в кино Дженнифер Лоуренс - 30! Взлеты и падения загадочной блондинки в кино

Вспоминаем лучшие и не самые удачные роли Дженнифер Лоуренс

Cosmopolitan
Правила жизни Петра Тодоровского Правила жизни Петра Тодоровского

Правила жизни режиссера Петра Тодоровского

Esquire
Что такое сторителлинг и как большие киностудии манипулируют нашим сознанием: фрагмент книги Уилла Сторра «Внутренний рассказчик» Что такое сторителлинг и как большие киностудии манипулируют нашим сознанием: фрагмент книги Уилла Сторра «Внутренний рассказчик»

Отрывок из книги «Внутренний рассказчик», где автор рассуждает о картинах Pixar

Esquire
Имена игрушек помогли годовалым детям узнать про категории объектов Имена игрушек помогли годовалым детям узнать про категории объектов

Если игрушкам дать имена, то ребенок сможет отличить их среди других похожих

N+1
Как определить размер груди Как определить размер груди

Как узнать ваш размер груди и как пользоваться таблицей размеров

Cosmopolitan
Мудборд: гангстерский стиль на примере культовых ролей Роберта Де Ниро Мудборд: гангстерский стиль на примере культовых ролей Роберта Де Ниро

На примере нарядов героев Роберта Де Ниро можно составить портрет мафиози в кино

Esquire
Верх безвкусицы! 7 сочетаний в одежде, которые испортят любой образ Верх безвкусицы! 7 сочетаний в одежде, которые испортят любой образ

Сочетать несочетаемое получается далеко не всегда

Cosmopolitan
«Моя работа – ждать и быть всегда рядом» «Моя работа – ждать и быть всегда рядом»

Учительница биологии решила сменить профессию и помогать женщинам в родах

Psychologies
Варвары уже здесь. Как Джонни Депп вернулся на большой экран Варвары уже здесь. Как Джонни Депп вернулся на большой экран

Каким получилось возвращение Деппа на экраны в фильме «В ожидании варваров»

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
Пять типов отделки автомобильных интерьеров — от худшего к лучшему Пять типов отделки автомобильных интерьеров — от худшего к лучшему

Все еще без ума от кожи?

Maxim
«Земля диктует свое»: истории четырех женщин, развивающих эко-фермерство в Пуэрто-Рико «Земля диктует свое»: истории четырех женщин, развивающих эко-фермерство в Пуэрто-Рико

Женщины, которые меняют аграрный комплекс в Латинской Америке

Forbes
Мой остров Харлов Мой остров Харлов

Царство птиц — остров Харлов в Баренцевом море

Наука и жизнь
Дневник пропавшего туриста. Мистический случай на Лофотенах Дневник пропавшего туриста. Мистический случай на Лофотенах

Эти события реально произошли в августе 2017 года

4x4 Club
Юлия Доманова: Как маме найти время на себя, если дома грудной ребенок Юлия Доманова: Как маме найти время на себя, если дома грудной ребенок

Как организовать время так, чтобы посвящать себе не менее четырех часов в сутки

СНОБ
Конюшни нефтяника, палаты Грозного: малоизвестные места Москвы, которые стоит увидеть Конюшни нефтяника, палаты Грозного: малоизвестные места Москвы, которые стоит увидеть

Малоизвестные места и здания, которые незаслуженно обходят вниманием туристы

Forbes
Сумчатого волка назвали охотником на мелкую добычу Сумчатого волка назвали охотником на мелкую добычу

На кого охотился сумчатый волк

N+1
Сколько времени холодильник остается холодным после выключения Сколько времени холодильник остается холодным после выключения

Когда начнут таять продукты после отключения электроэнергии

Maxim
Простота, голод, монастырь. Как шли к духовному просветлению Цукерберг, Джобс и другие миллиардеры Простота, голод, монастырь. Как шли к духовному просветлению Цукерберг, Джобс и другие миллиардеры

Чьим советам доверяют Марк Цукерберг, Герман Греф и другие сильные мира?

Forbes
Второй после Роналду: как Месси может заработать $1 млрд ничего не делая Второй после Роналду: как Месси может заработать $1 млрд ничего не делая

Суммарный доход за всю карьеру Лионеля Месси приближается к отметке $1 млрд

Forbes
Литературный переворот: как женщины завоевали книжный мир Японии Литературный переворот: как женщины завоевали книжный мир Японии

Сейчас в Японии разворачивается настоящий ренессанс «женской культуры»

Forbes
Знай наших Знай наших

Уникальные достижения отечественных ученых

Популярная механика
Сезонная аллергия, или поллиноз: симптомы и лечение Сезонная аллергия, или поллиноз: симптомы и лечение

Что делать, если у тебя поллиноз, как облегчить свое состояние и как лечиться

Cosmopolitan
Возраст матери снизил выживаемость потомства у беспозвоночных и млекопитающих Возраст матери снизил выживаемость потомства у беспозвоночных и млекопитающих

Исследования влияния возраста матери на выживаемость и здоровье потомства

N+1
Место на карте: плато Путорана Место на карте: плато Путорана

История загадочного плато Путорана

Культура.РФ
Участники списка Forbes и партнер бизнесменов из «ближнего круга Путина»: кто оказался в утечке Cyprus Papers и чем им это грозит Участники списка Forbes и партнер бизнесменов из «ближнего круга Путина»: кто оказался в утечке Cyprus Papers и чем им это грозит

Какие россияне могут лишиться «золотых паспортов» Кипра и почему

Forbes
Открыть в приложении