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

5 причин, почему ты толстеешь, не связанных с едой 5 причин, почему ты толстеешь, не связанных с едой

Набор веса принято связывать с пищевыми привычками, но чаще все куда сложнее

Maxim
Как возраст влияет на нашу способность работать без сна Как возраст влияет на нашу способность работать без сна

Связан ли возраст с субъективными и объективными показателями сонливости?

Популярная механика
Минный пол Минный пол

20 вещей, которых мы боимся в женщинах

Maxim
Они могли умереть! Звезды, поборовшие наркозависимость – Джоли, Эминем и другие Они могли умереть! Звезды, поборовшие наркозависимость – Джоли, Эминем и другие

Звезды, успешно преодолевшие страсть к наркотикам

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
Рождение, удивительные приключения и смерть кнопки Caps Lock Рождение, удивительные приключения и смерть кнопки Caps Lock

Самая эмоциональная кнопка может скоро отправиться на покой. НА ПОКОЙ!

Maxim
ВПЧ: важные факты о вакцинации ВПЧ: важные факты о вакцинации

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

Лиза
Иконоборцы: страх перед искусством Иконоборцы: страх перед искусством

Cуть иконоборческого спора только кажется простой

Weekend
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
С какого возраста начинать читать ребенку книги? С какого возраста начинать читать ребенку книги?

С чего начинать читать ребенку и как эффективнее взаимодействовать в процессе?

Psychologies
“Стресс может сделать нас моложе” “Стресс может сделать нас моложе”

Почему некоторые люди восстанавливаются после испытаний лучше, чем другие?

Psychologies
Как готовить к школе особенного ребенка Как готовить к школе особенного ребенка

Как и чем лучше заниматься с особенным дошкольником

Psychologies
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
Вместо оленей основой рациона кистеухой белки-«вампира» оказались семена Вместо оленей основой рациона кистеухой белки-«вампира» оказались семена

Белка-«вампир» с острова Борнео питается определенными семенами, а не мясом

N+1
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
Вторая Х-хромосома смягчила болезнь Альцгеймера у мышей Вторая Х-хромосома смягчила болезнь Альцгеймера у мышей

Ученые выяснили, почему женщины переносят болезнь Альцгеймера мягкой форме

N+1
Счастье из Счастье из

Что мы видим, когда поутру заглядываем в "Инстаграм"?

Cosmopolitan
Дело техники: как лечится одна из самых опасных болезней современности Дело техники: как лечится одна из самых опасных болезней современности

Как всего за два десятилетия изменилось лечение фибрилляции предсердий

Популярная механика
Ошибки эволюции: неразумный дизайн Ошибки эволюции: неразумный дизайн

Эволюция — это случайные ошибки или все же рациональный дизайн?

Популярная механика
4 из 5 предпринимателей в России заметили, что эффективность их команд упала на удаленке. Почему так вышло — и что с этим делать 4 из 5 предпринимателей в России заметили, что эффективность их команд упала на удаленке. Почему так вышло — и что с этим делать

Почему сотрудники, перешедшие на удаленку, значительно потеряли в продуктивности

Inc.
Почему выражение «цветные люди» должно исчезнуть Почему выражение «цветные люди» должно исчезнуть

Почему такие термины, как «цветные люди» на самом деле оскорбительные

GQ
Тайна твоего рождения: узнай свой характер с помощью нумерологии Тайна твоего рождения: узнай свой характер с помощью нумерологии

Нумерология - прекрасный инструмент для выявления своих сильных сторон

Cosmopolitan
Самый вредный сосед, или Кто такой кверулянт Самый вредный сосед, или Кто такой кверулянт

Люди, которые получают удовольствие от написания жалоб

Psychologies
Пять признаков того, что вы в плохих отношениях с собой Пять признаков того, что вы в плохих отношениях с собой

Психолог помогает выяснить, как вы относитесь к себе и как это исправить

Psychologies
5 необычных применений виртуальной реальности: от свадьбы до встречи с покойными родственниками (видео прилагаются) 5 необычных применений виртуальной реальности: от свадьбы до встречи с покойными родственниками (видео прилагаются)

В 21 веке выражение «снять розовые очки» приобретает новый смысл

Maxim
Правила жизни Дэвида Финчера Правила жизни Дэвида Финчера

Правила жизни режиссера Дэвида Финчера

Esquire
Толкование снов: загляни в своё подсознательное! Толкование снов: загляни в своё подсознательное!

Толкования самых популярных снов

Cosmopolitan
Королева перевоплощения: Леди Гага примерила шесть ярких образов за один вечер Королева перевоплощения: Леди Гага примерила шесть ярких образов за один вечер

Образы Леди Гаги на церемонии MTV Video Music Awards-2020

Cosmopolitan
«Ира постоянно ждала»: солист Little Big Илья Прусикин объявил о разводе с женой «Ира постоянно ждала»: солист Little Big Илья Прусикин объявил о разводе с женой

«Как в любовь-то теперь верить?» — пишут поклонники артистов. Что случилось?

Cosmopolitan
Игра Carrion заставит вас симпатизировать червю и пожирать людей без капли сожаления Игра Carrion заставит вас симпатизировать червю и пожирать людей без капли сожаления

Carrion – головоломка-хоррор

GQ
Открыть в приложении