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

Недопустимый TON Недопустимый TON

Криптовалютный проект Павла Дурова был высоко оценен инвесторами

Forbes
На что не надо тратить жизнь На что не надо тратить жизнь

Нам только кажется, что жизнь бесконечна

Psychologies
100 самых сексуальных женщин страны 100 самых сексуальных женщин страны

100 самых сексуальных женщин страны

Maxim
Издалека Издалека

Фантастическая повесть

Наука и жизнь
ЛО ЛО

Где в окрестностях Петербурга лучшие калитки и колбаски из судака?

Собака.ru
Почему все без ума от архивных коллекций Почему все без ума от архивных коллекций

Разбираемся в причинах любви селебрити к винтажной одежде

GQ
Дождались! Звезды, которых настигла поздняя слава – в чем секрет их успеха Дождались! Звезды, которых настигла поздняя слава – в чем секрет их успеха

Они преодолевали путь к славе не спеша, но все-таки достигли цели

Cosmopolitan
«Как называются женщины» «Как называются женщины»

Обозначения женщин в русском языке сегодня обсуждают наиболее эмоционально

N+1
Книги про первоклассников Книги про первоклассников

Первоклассникам помогут герои книг, в жизни которых происходят похожие перемены

Домашний Очаг
Потратили $310 тысяч на домен, который не пригодился: история неудачного ребрендинга американской компании ConvertKit Потратили $310 тысяч на домен, который не пригодился: история неудачного ребрендинга американской компании ConvertKit

Как неосторожно выбранное для компании имя может повлечь горы проблем

VC.RU
​​​​​​​Радуга на тарелке ​​​​​​​Радуга на тарелке

Почему нужно есть овощи и фрукты всех цветов радуги?

Здоровье
Как перестать «кусочничать»? Как перестать «кусочничать»?

Почему возникает кусочничество и как избежать соблазнов

Худеем правильно
Как новые законы повлияют на развитие блокчейн-технологий и бизнес криптокомпаний в России Как новые законы повлияют на развитие блокчейн-технологий и бизнес криптокомпаний в России

Почему сегодня выгодно выбирать российскую юрисдикцию для запуска стартапов

СНОБ
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
Пять скрытых возможностей ключа-зажигания, о которых не рассказывают в автошколе Пять скрытых возможностей ключа-зажигания, о которых не рассказывают в автошколе

Знаешь ли ты обо всех секретах, которые старательно ключ зажигания?

Maxim
«Я за вкусное здоровье» «Я за вкусное здоровье»

Новый тренд – растительная кухня

Худеем правильно
На Большом адронном коллайдере увидели редкий распад бозона Хиггса на два мюона На Большом адронном коллайдере увидели редкий распад бозона Хиггса на два мюона

Полученные данные совпали с предсказаниями Стандартной модели

N+1
«Ну я же любя!»: как незаметно разрушить брак «Ну я же любя!»: как незаметно разрушить брак

Не нужно совершать что-то ужасное, чтобы партнер решил прекратить отношения

Psychologies
Забытое старое Забытое старое

В доме XIX века воссоздали атмосферу традиционного итальянского интерьера

SALON-Interior
Индустрия в авангарде Индустрия в авангарде

Как «белая металлургия» на Урале побеждала черную

N+1
Секрет Netflix: как управление контекстом превратило стартап по рассылке DVD в компанию стоимостью $220 млрд Секрет Netflix: как управление контекстом превратило стартап по рассылке DVD в компанию стоимостью $220 млрд

Отрывок из книги о самом успешном современном стриминговом сервисе

Forbes
Что такое IQ-тесты и насколько они достоверны: измеряем интеллект Что такое IQ-тесты и насколько они достоверны: измеряем интеллект

Как именно можно измерить интеллект человека с помощью математики

Популярная механика
Судьба антидота Судьба антидота

Редкие люди невосприимчивы к змеиному яду. Как это возможно?

Вокруг света
Ловушка для строителей: почему переход на эскроу-счета привел к снижению ввода жилья Ловушка для строителей: почему переход на эскроу-счета привел к снижению ввода жилья

Какие меры необходимо принять для отладки системы эскроу-счетов

Forbes
Гид по родинкам: что это такое, как они появляются и стоит ли их удалять Гид по родинкам: что это такое, как они появляются и стоит ли их удалять

Выясняем, что означают родинки и почему они появляются

Cosmopolitan
Богемные выходные: Променад по подмосковным усадьбам Богемные выходные: Променад по подмосковным усадьбам

Чтобы насладиться спокойствием и историей, необязательно уезжать далеко

Seasons of life
Теория невероятности: как выиграть автомобиль Теория невероятности: как выиграть автомобиль

Теория вероятностей работает безотказно. И вот почему

Популярная механика
Средний класс Средний класс

Младшая школа уже позади. В средней школе меняется буквально все

Лиза
Рассказы и романы Рэя Брэдбери — в порядке возрастания восторга: рейтинг Esquire Рассказы и романы Рэя Брэдбери — в порядке возрастания восторга: рейтинг Esquire

Девять книг Рэя Брэдбери, которые открывают разные грани таланта писателя

Esquire
Тихие убийцы любви, или Мысли, которые отравляют отношения Тихие убийцы любви, или Мысли, которые отравляют отношения

За обидными словами, брошенными сгоряча, стоят токсичные мысли

Psychologies
Открыть в приложении