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

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
Пример для подражания: Фэб Файв Фредди Пример для подражания: Фэб Файв Фредди

Дикий стиль: пример Фэба Брэтуэйти

GQ
Одержимый царь Одержимый царь

Победа в Полтавской битве стала возможной только благодаря железной воле Петра I

Дилетант
Сколько гаджеты, выпущенные полвека назад, стоили бы сегодня Сколько гаджеты, выпущенные полвека назад, стоили бы сегодня

Кто-то ещё жалуется на то, что смартфоны стоят дороже $1000?

Maxim
Революция сна Революция сна

Как менять свою жизнь ночь за ночью

kiozk originals
LADA Vesta SW Cross с АКП. Жаль, папа не дожил LADA Vesta SW Cross с АКП. Жаль, папа не дожил

LADA Vesta SW Cross с АКП: это вам не советские «жигули»

4x4 Club
Мондриан: как один художник влиял на моду целое столетие и делает это до сих пор Мондриан: как один художник влиял на моду целое столетие и делает это до сих пор

Как получилось, что одно творение абстракционизма изменило модную культуру?

Cosmopolitan
«Я свободолюбивая девушка и сразу обозначаю границы» «Я свободолюбивая девушка и сразу обозначаю границы»

Что есть в жизни теннисистки Анастасии Павлюченковой, кроме спорта

OK!
Пять кошмарных примеров итальянского дизайна Пять кошмарных примеров итальянского дизайна

Порой цвет итальянского автодизайна выплевывал на рынок откровенных крокодилов

Maxim
Почему мы устаем от Zoom? Почему мы устаем от Zoom?

Zoom-усталость: что думают об этом психологи?

Psychologies
Астрономы нашли холодный молекулярный газ в галактическом ветре Млечного Пути Астрономы нашли холодный молекулярный газ в галактическом ветре Млечного Пути

Молекулярный газ исходит из центра Галактики с облаками атомарного водорода

N+1
В поисках драмы: почему нам скучно с хорошим партнером В поисках драмы: почему нам скучно с хорошим партнером

Почему отношения со свободным и адекватным человеком кажутся нам пресными

Psychologies
Правила жизни Дастина Хоффмана Правила жизни Дастина Хоффмана

Правила жизни актера Дастина Хоффмана

Esquire
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
Вопросы пола Вопросы пола

Выбираем экологичное и безопасное напольное покрытие

Лиза
Активные точки на стопе: как с их помощью регулировать эмоции Активные точки на стопе: как с их помощью регулировать эмоции

То, как мы стоим, отражает наши взаимоотношения с миром

Psychologies
Россиянам стало сложнее получить ипотеку: почему банки теперь реже одобряют заявки Россиянам стало сложнее получить ипотеку: почему банки теперь реже одобряют заявки

Снижение стоимости ипотеки подтолкнуло россиян чаще покупать жилье

Forbes
Собака Павлова: 8 мифов о первооткрывателе условного рефлекса Собака Павлова: 8 мифов о первооткрывателе условного рефлекса

«Вокруг света» разобрался, что есть миф об учёном, а что — чистая правда

Вокруг света
Прозрачный солнечный элемент показал эффективность более 10 процентов Прозрачный солнечный элемент показал эффективность более 10 процентов

Пополнение в одной из самых интересных областей современной фотовольтаики

N+1
Меланома кожи: как распознать и лечить рак Меланома кожи: как распознать и лечить рак

Как отличить злокачественную опухоль от безобидного родимого пятна

Cosmopolitan
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

История дружбы двух знаменитых актрис — Дебби Рейнольдс и Элизабет Тейлор

Cosmopolitan
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
В чем причина пульсаций далекого облака газа В чем причина пульсаций далекого облака газа

Почему пульсирует непримечательное облако газа?

Популярная механика
Билет на Пхукет Билет на Пхукет

Таиланд, океан и пляжи уже заждались тех, кому очень нужен отпуск

Cosmopolitan
Безопасное падение: как изобрели тормоза для лифта Безопасное падение: как изобрели тормоза для лифта

Это изобретение Элайши Отиса изменило облик городов

Популярная механика
Правила жизни Сергея Соловьева Правила жизни Сергея Соловьева

Правила жизни режиссера Сергея Соловьева

Esquire
Рафаэль без нас: чем запомнилась выставка «Raffaello 1520-1483» в Риме Рафаэль без нас: чем запомнилась выставка «Raffaello 1520-1483» в Риме

Чем выставка «Raffaello 1520-1483» запомнилась посетителям

Forbes
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
Боновые заграждения проекта The Ocean Cleanup оказались неэффективны против пластика в океане Боновые заграждения проекта The Ocean Cleanup оказались неэффективны против пластика в океане

Такие устройства смогут извлечь не более 5% пластика с поверхности океана

N+1
Открыть в приложении