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

Когда ядро Земли начало остывать: древняя загадка Когда ядро Земли начало остывать: древняя загадка

Загадочная аномалия железного ядра нашей планеты

Популярная механика
Зачем 65 лет назад из Москвы в Дрезден отправили «Сикстинскую мадонну» Рафаэля и другие сокровища саксонских курфюрстов Зачем 65 лет назад из Москвы в Дрезден отправили «Сикстинскую мадонну» Рафаэля и другие сокровища саксонских курфюрстов

История обнаружения сокровищ Дрезденской галереи в мае 1945 года

Forbes
Минный пол Минный пол

20 вещей, которых мы боимся в женщинах

Maxim
Исторический рейтинг Исторический рейтинг

Tripadvisor XIX века от Императорского Русского географического общества

Вокруг света
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
Скалолазание — особенный спорт для особенных детей Скалолазание — особенный спорт для особенных детей

О плюсах скалолазания для особенных детей

Psychologies
Келломяки Келломяки

Доброе старое Комарово — новый центр светского притяжения

Собака.ru
Виктор Проскурин. Несогласный Виктор Проскурин. Несогласный

Виктора Проскурина еще долго будут помнить за его талант и характер

Караван историй
Принцип пирамиды Минто Принцип пирамиды Минто

Золотые правила мышления, делового письма и устных выступлений

kiozk originals
«Олег Куваев: повесть о нерегламентированном человеке» «Олег Куваев: повесть о нерегламентированном человеке»

Полная биография известного путешественника, полярника, геофизика Олега Куваева

N+1
Грудь вперед и замуж шутки ради: 10 любопытных фактов о Кире Найтли Грудь вперед и замуж шутки ради: 10 любопытных фактов о Кире Найтли

Несколько фактов о Кире Найтли, которые вы, возможно, не слышали раньше

Cosmopolitan
Дорожная карта Дорожная карта

Отличный способ сменить обстановку, отдохнуть и набраться сил

Лиза
Угоны в России: машины увозят прямо из автосервисов Угоны в России: машины увозят прямо из автосервисов

Как пропадают автомобили и как их защитить

РБК
У каких стран на вооружении стоят русские и советские танки У каких стран на вооружении стоят русские и советские танки

Т-90 и Т-55 — самые главные путешественники!

Maxim
Семь жизней Караваджо Семь жизней Караваджо

Удивительная жизнь художника Микеланджело Меризи из Караваджо

Караван историй
Модные лайфхаки: топ-10 модных правил для девушек с большой грудью Модные лайфхаки: топ-10 модных правил для девушек с большой грудью

Каждая девушка с большой грудью неизбежно сталкивалась с проблемой выбора одежды

Cosmopolitan
7 вопросов об эндометриозе 7 вопросов об эндометриозе

Об этом заболевании должна знать каждая женщина

Лиза
Наш Матроскин Наш Матроскин

Вспоминаем самые интересные факты из биографии Олега Табакова

Лиза
10 легких фильмов о первой любви 10 легких фильмов о первой любви

Вспоминаем самые романтичные фильмы о первой любви и подростковых переживаниях

Esquire
На все случаи: 5 лайфхаков, которые помогут вам в походе На все случаи: 5 лайфхаков, которые помогут вам в походе

Эти хитрости помогут провести кемпинг с комфортом

Esquire
Каких чудовищ вы встретите в новом сериале «Страна Лавкрафта» Каких чудовищ вы встретите в новом сериале «Страна Лавкрафта»

Людоеды, маньяки и полтергейсты – ничто, по сравнению с расистами

GQ
«Скоро прилетят трафмольгорцы и заберут меня с собой»: Евгений Чичваркин и его «боевая подруга» о совместном бизнесе, эмиграции и самоизоляции «Скоро прилетят трафмольгорцы и заберут меня с собой»: Евгений Чичваркин и его «боевая подруга» о совместном бизнесе, эмиграции и самоизоляции

Евгений Чичваркин и Татьяна Фокина о ресторанном бизнес в Лондоне

Forbes
Формула любви Формула любви

Денис и Ирина Клявер о том, возможен ли крепкий семейный союз в шоу-бизнесе

OK!
Как приучить себя к чистоте, если ты ненавидишь уборку: полезные лайфхаки Как приучить себя к чистоте, если ты ненавидишь уборку: полезные лайфхаки

В доме всегда должно быть чисто

Playboy
Почему отравление Навального воспринимается обществом как должное Почему отравление Навального воспринимается обществом как должное

Алексей Навальный продолжает лежать в коме после загадочного отравления

СНОБ
Редкий распад К-мезона ограничил Новую физику Редкий распад К-мезона ограничил Новую физику

Физикам удалось зарегистрировать 17 редких распадов каона на пион

N+1
6 моделей брюк, которые визуально укорачивают и полнят ноги — говорим им 6 моделей брюк, которые визуально укорачивают и полнят ноги — говорим им

Неправильные брюки могут сделать твои ноги визуально более короткими и крупными

Cosmopolitan
«Не следуйте глупым правилам»: Илон Маск назвал 7 главных способов повысить продуктивность «Не следуйте глупым правилам»: Илон Маск назвал 7 главных способов повысить продуктивность

Наконец-то мы дождались советов от старины Маска

Playboy
Древние бобры начали строить плотины из-за холода Древние бобры начали строить плотины из-за холода

Бобры начали валить деревья не для постройки плотин, а ради питания

N+1
Сила света: почему защита от солнца нужна круглый год Сила света: почему защита от солнца нужна круглый год

Оберегать кожу от ультрафиолета нужно и летом, и зимой

Psychologies
Открыть в приложении