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

Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки

Удается ли вам спать достаточное количество часов?

Psychologies
Доказано: мозг слепых и зрячих одинаково реагирует на лица Доказано: мозг слепых и зрячих одинаково реагирует на лица

Что первично при дифференциации мозга: жизненный опыт или встроенная структура?

Популярная механика
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
Бардак на столе — бардак в голове… Или нет? Бардак на столе — бардак в голове… Или нет?

Говорят, что лишние вещи мешают думать, но многие великие творили посреди хаоса

Psychologies
На дне морском На дне морском

Хвалынск — маленький город на великой реке

Огонёк
5 причин, почему не нужно рожать еще одного ребенка: исповедь психолога 5 причин, почему не нужно рожать еще одного ребенка: исповедь психолога

Хотите большую семью и много детей? А вы уверены, что вам нужно именно это?

Psychologies
Как нас обманывали родители: 11 забавных историй Как нас обманывали родители: 11 забавных историй

«Детей находят в капусте». «Не будешь вести себя хорошо — придет барабашка»

Psychologies
Косточка на ноге: почему не помогли биркенштоки? Косточка на ноге: почему не помогли биркенштоки?

Проблема вальгусной деформации стопы встречается с завидным постоянством

РБК
С новым лордом! С новым лордом!

Что стоит за званием пожизненного лорда

Огонёк
Счастье из Счастье из

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

Cosmopolitan
Место на карте: Девственные леса Коми Место на карте: Девственные леса Коми

Девственные леса Коми — самый большой в Европе массив северных лесов

Культура.РФ
Вредные советы для тех, кому изменил партнер Вредные советы для тех, кому изменил партнер

Почему рекомендации окружающих по поводу неверности не всегда работают

Psychologies
Петр, первый Петр, первый

Кайтсерфер Петр Тюшкевич в двадцать стал чемпионом мира

Собака.ru
Человек — единое целое: как наше настроение ведет к физическим травмам Человек — единое целое: как наше настроение ведет к физическим травмам

Как эмоциональное состояние проявляется в теле и чем может помочь остеопатия

Psychologies
Автомат без магазина: почему Лукашенко будет защищать свой режим до последней капли крови белорусов Автомат без магазина: почему Лукашенко будет защищать свой режим до последней капли крови белорусов

Диктаторы типа Чаушеску защищают даже не свой режим, а просто самих себя

Forbes
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
Что скрывается за конфликтом Трампа и TikTok Что скрывается за конфликтом Трампа и TikTok

Пока Белый дом занимается тиктоком, серьезные проблемы уходят на второй план

GQ
Позовите Виктора Цоя. Эссе дочери Джоанны Стингрей Мэдисон — о музыке «Кино» и о лучшем друге своей матери Позовите Виктора Цоя. Эссе дочери Джоанны Стингрей Мэдисон — о музыке «Кино» и о лучшем друге своей матери

Эссе о лидере "Кино" и о том, какое значение его песни имеют в 2020 году

Esquire
Вред и польза пальмового масла. Исследования Вред и польза пальмового масла. Исследования

Выясняем правду о пальмовом масле на основании научных данных

РБК
На что зомби могли бы заменить человеческие мозги в своём рационе: отвечают учёные На что зомби могли бы заменить человеческие мозги в своём рационе: отвечают учёные

Сравни со своим завтраком и задумайся: «А не зомби ли я?»

Maxim
Невидимый абьюз: когда старые люди терпят суровое обращение Невидимый абьюз: когда старые люди терпят суровое обращение

Как старение пожилых родителей часто в корне меняют жизнь взрослых детей

Psychologies
Великая страна от Бреста до Чукотки? Хотят ли белорусы объединяться с Россией Великая страна от Бреста до Чукотки? Хотят ли белорусы объединяться с Россией

Что люди думают о возможности и целесообразности объединения России и Белоруссии

Forbes
10 романов Стивена Кинга — от лучшего к худшему 10 романов Стивена Кинга — от лучшего к худшему

Анастасия Завозова расставляет приоритеты в творчестве Короля ужасов

Esquire
5 одиозных дизайнеров, зарабатывающих миллионы, несмотря на армию хейтеров 5 одиозных дизайнеров, зарабатывающих миллионы, несмотря на армию хейтеров

Дизайнеры, для которых плохая репутация не стала препятствием на пути к успеху

Cosmopolitan
Цветочки или клетка? Как выбрать принт одежды по типу внешности: советы стилиста Цветочки или клетка? Как выбрать принт одежды по типу внешности: советы стилиста

Почему одни принты тебя красят, а другие "простят"?

Cosmopolitan
Опционы, вестинг и наручники у батареи: как удержать ключевых сотрудников Опционы, вестинг и наручники у батареи: как удержать ключевых сотрудников

Как удерживать и мотивировать фаундеров и ключевых сотрудников стартапа?

Inc.
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
Что говорить, если вас попросили произнести тост? Что говорить, если вас попросили произнести тост?

Тост — простой жест, но даже в нём есть определенный протокол

Psychologies
«Он как Хабиб, но для другой аудитории»: как парень из сибирской деревни стал чемпионом UFC и заработал $1 млн «Он как Хабиб, но для другой аудитории»: как парень из сибирской деревни стал чемпионом UFC и заработал $1 млн

Кто сделал Петра Яна боксером, и зачем он ушел в смешанные единоборства?

Forbes
«Неизвестная Астрид Линдгрен»: как «редактор на полставки» привела издательство-банкрот к  процветанию «Неизвестная Астрид Линдгрен»: как «редактор на полставки» привела издательство-банкрот к  процветанию

Почти никто не знает Астрид Линдгрен как редактора и успешного предпринимателя

Forbes
Открыть в приложении