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

Поднять всех наверх: грандиозные клады ХХI века Поднять всех наверх: грандиозные клады ХХI века

Далеко не все некогда потерянные или спрятанные богатства были обнаружены

Популярная механика
Охлаждение фотокатода из монокристалла меди сделало его излучение вчетверо ярче Охлаждение фотокатода из монокристалла меди сделало его излучение вчетверо ярче

Физики из США создали фотокатод из монокристалла меди

N+1
Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
Считай онлайн Считай онлайн

Прежде чем взять кредит в банке, взвесь свои возможности

Лиза
«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
Зажигает не по-детски Зажигает не по-детски

Lidus: я люблю быть не такой, как все

OK!
Бежать нельзя остановиться. Почему спорт — это не панацея в борьбе со стрессом Бежать нельзя остановиться. Почему спорт — это не панацея в борьбе со стрессом

Почему спорт может стать не спасением, а источником стресса

Forbes
Как произвести хорошее впечатление на отца своей девушки? 7 главных правил Как произвести хорошее впечатление на отца своей девушки? 7 главных правил

Как произвести приятное впечатление на «главного мужчину» в жизни твоей девушки

Playboy
10 «хороших русских» в голливудском кино 10 «хороших русских» в голливудском кино

Русские персонажи в западных кинолентах

РБК
Кэтрин Лэнгфорд: «Меня много раз отвергали» Кэтрин Лэнгфорд: «Меня много раз отвергали»

Звезда сериала «13 причин почему» о сильных женщинах и любви к русской классике

Cosmopolitan
«Tesla из Китая»: что известно о производителе «умных» машин Xpeng, который использует патенты американского конкурента «Tesla из Китая»: что известно о производителе «умных» машин Xpeng, который использует патенты американского конкурента

Китайский стартап считается конкурентом Tesla. За кем из них будущее?

VC.RU
«А вдруг мама умрет?»: что делать с подростковой тревогой «А вдруг мама умрет?»: что делать с подростковой тревогой

Тревога подростков нестерпима, а признаться в ней — стыдно

Psychologies
Скандальные кампании и возрождение Gucci: что нужно знать о дизайнере Томе Форде Скандальные кампании и возрождение Gucci: что нужно знать о дизайнере Томе Форде

Как Том Форд привнес провокацию в мир модной рекламы и одевал Джеймса Бонда

Esquire
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
Секреты счастливых пар Секреты счастливых пар

Совместная жизнь – причудливый танец. Как танцевать его долго?

Psychologies
Место на карте: долина реки Бикин Место на карте: долина реки Бикин

Долина реки Бикин — место, где сохранились леса доледникового периода

Культура.РФ
За красотой - в продуктовый! 10 средств для домашнего ухода за кожей и волосами За красотой - в продуктовый! 10 средств для домашнего ухода за кожей и волосами

Натуральные средства для ухода за кожей ожидают нас в продуктовых магазинах

Cosmopolitan
Как правильно целоваться? Подробное руководство по незабываемым поцелуям Как правильно целоваться? Подробное руководство по незабываемым поцелуям

Поцелуй – это простой способ получить море удовольствия

Cosmopolitan
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
5 вещей в анкете в Тиндере, которые отпугивают девушек 5 вещей в анкете в Тиндере, которые отпугивают девушек

Пять вещей в анкете на сайте знакомств, которые отпугивают девушку

Maxim
Третья дверь Третья дверь

Секретный код успеха богатейших людей мира

kiozk originals
Уроки пандемии. Как компании и их сотрудники будут привыкать к новым реалиям бизнеса Уроки пандемии. Как компании и их сотрудники будут привыкать к новым реалиям бизнеса

Предприниматели пытаются приспособиться к новым реалиям ведения бизнеса

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
Почему мы всегда выбираем одинаковых мужчин: рассуждает Алина Фаркаш Почему мы всегда выбираем одинаковых мужчин: рассуждает Алина Фаркаш

Какие обратные стороны мужских достоинств нам кажутся милыми

Cosmopolitan
Прочность костей динозавров списали на губчатое вещество Прочность костей динозавров списали на губчатое вещество

У исследователей новое заключение относительно динозавров

N+1
Эмоции — проявления пяти элементов Эмоции — проявления пяти элементов

Как наши эмоции связаны со здоровьем с точки зрения дао

Psychologies
Две тысячи новых миров: что открыла космическая обсерватория TESS Две тысячи новых миров: что открыла космическая обсерватория TESS

Сколько планет обнаружил TESS, и могут ли среди них быть обитаемые?

Forbes
Напугать до смерти! Самый отвратительный аттракцион в мире Напугать до смерти! Самый отвратительный аттракцион в мире

«Мак-Кейми Менор» — аттракцион, который считается одним из самых страшных в мире

Cosmopolitan
Образцово-показательная бойня. Почему в Беларуси больше нет законной власти Образцово-показательная бойня. Почему в Беларуси больше нет законной власти

Последствия протестов в Белоруссии могут оказаться катастрофическими

Forbes
С места – в карьеру: какие отрасли и профессии будут востребованы через 10–20 лет С места – в карьеру: какие отрасли и профессии будут востребованы через 10–20 лет

Перспективные отрасли, которые будут развиваться и нуждаться в новых кадрах

РБК
Открыть в приложении