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

6 популярных приложений, которые лишают денег и отбирают жизни 6 популярных приложений, которые лишают денег и отбирают жизни

Список из 6 мобильных приложений, которые стоит использовать с осторожностью

Популярная механика
Редкий распад К-мезона ограничил Новую физику Редкий распад К-мезона ограничил Новую физику

Физикам удалось зарегистрировать 17 редких распадов каона на пион

N+1
Люди на пределе Люди на пределе

Возможности нашего собственного, среднестатистического тела

Вокруг света
Любовь и деньги Любовь и деньги

Семья и бюджет – вещи очень важные, но, увы, не всегда уживаются друг с другом

Лиза
Верните женщинам право на «нет»: почему нам надо научиться отказывать Верните женщинам право на «нет»: почему нам надо научиться отказывать

Почему женщинам так сложно говорить «нет» и зачем нам надо научиться это делать

Cosmopolitan
Кошка, змея и птица рассказали о судьбе египетских мумий Кошка, змея и птица рассказали о судьбе египетских мумий

Животным, как и людям, египтяне после смерти проводили «отверзение уст»

N+1
Я у себя не лучшая: 3 главных врага высокой самооценки Я у себя не лучшая: 3 главных врага высокой самооценки

Любить себя ни за что — цель, к которой должна стремиться каждая

Cosmopolitan
Хотел опередить Waymo и Uber, но амбиции привели к проблемам с партнёрами: история беспилотного стартапа May Mobility Хотел опередить Waymo и Uber, но амбиции привели к проблемам с партнёрами: история беспилотного стартапа May Mobility

Как May Mobility стремилась заменить общественный транспорт

VC.RU
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
Новый алгоритм помог найти многокомпонентные сверхтвердые вещества Новый алгоритм помог найти многокомпонентные сверхтвердые вещества

Ученые обнаружили ряд новых соединений

N+1
Отрывок из новой книги Димы Зицера о воспитании ребенка Отрывок из новой книги Димы Зицера о воспитании ребенка

Одна из глав новой книги Димы Зицера «Обязанности. Кто кому должен?»

СНОБ
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
Школа далеко, школа рядом Школа далеко, школа рядом

Что приобрести к 1 сентября, набор тетрадей или качественный планшет?

Psychologies
Подруги и услуги Подруги и услуги

Некоторые считают, что по дружбе им должны и прическу делать, и ремонт

Лиза
Своих детей мы не бросаем Своих детей мы не бросаем

Константин Хабенский: «Нет ничего прекраснее, чем побыть балбесом»

Домашний Очаг
6 самых частых травм, которые подстерегают бегунов (если стараться, их можно избежать) 6 самых частых травм, которые подстерегают бегунов (если стараться, их можно избежать)

Какие травмы можно получить, занимаясь бегом?

Playboy
«Академия Амбрелла»: как второй сезон самого популярного в России супергеройского сериала Netflix отвечает на вопросы первого «Академия Амбрелла»: как второй сезон самого популярного в России супергеройского сериала Netflix отвечает на вопросы первого

Почему вселенная сериала «Академия Амбрелла» гораздо более ладная, чем кажется

Esquire
Низко упали: кто придумал джинсы с низкой посадкой Низко упали: кто придумал джинсы с низкой посадкой

Джинсы с низкой посадкой – один из самых спорных предметов гардероба

Cosmopolitan
Рассмеши меня: зачем мы шутим и можно ли этому научиться Рассмеши меня: зачем мы шутим и можно ли этому научиться

Зачем природа подарила нам чувство юмора?

Psychologies
Уроки новой «войны» Уроки новой «войны»

Как вести себя инвестору, когда будут случаться внешние шоки

Forbes
«Извини, что голосовым»: 7 правил digital-этикета «Извини, что голосовым»: 7 правил digital-этикета

О том, что такое цифровой этикет, и стоит ли его соблюдать

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

Толкования самых популярных снов

Cosmopolitan
Вопрос — ответ Вопрос — ответ

О том, что интересует читателей

Здоровье
Неожиданные привычки, которые помогут прийти в желанную форму – начни сейчас! Неожиданные привычки, которые помогут прийти в желанную форму – начни сейчас!

Поможем тебе влюбиться в здоровый образ жизни без труда и жертв

Cosmopolitan
Ребенок для себя, лживый брат и чувство юмора: удивительная история Минди Калинг Ребенок для себя, лживый брат и чувство юмора: удивительная история Минди Калинг

Удивительная судьба актрисы Минди Калинг

Cosmopolitan
10 современныx фильмов про отношения детей и родителей 10 современныx фильмов про отношения детей и родителей

Любимые фильмы на тему родительства, всех его граней и оттенков

Seasons of life
Я и моя дочь полюбили одного мужчину Я и моя дочь полюбили одного мужчину

Любовное чувство трудно объяснить и удержать

Psychologies
Знаешь ли ты, что на самом деле стрекоза в басне Крылова — вовсе не стрекоза? Знаешь ли ты, что на самом деле стрекоза в басне Крылова — вовсе не стрекоза?

На уроках литературы от тебя скрывали правду о басне «Стрекоза и Муравей»!

Maxim
Шестое чувство в отношениях: интуиция или фантазия? Шестое чувство в отношениях: интуиция или фантазия?

Возможно, мы часто принимаем игру воображения за вспышку интуиции

Psychologies
Почему в мире так мало левшей: кто виноват и что делать Почему в мире так мало левшей: кто виноват и что делать

Почему человек изначально рождается правшой или левшой?

Популярная механика
Открыть в приложении