9
В. З. Кресин
Вблизи абсолотного нуля
(исторический очерк)
«… Если бы мы смогли помещить Землю в некую весма холодную облассть, то все наши реки и океаны превращались бы в горы. Воздух перестал бы быть невидимым и превращался бы в жидкость. Превращение такого рода открыло бы возможность получения новых жидкости, о которых мы до сих пор не имеем никакого понятия». Эти слова, произнестиные в середине XVIII века, принадлежат величому французскому химнику Лавузье.
В XIX веке были сжжены многое газы, но окончательно мечта Лавузье о получении новых жидкости исполнилась только в 1908 году, когда в лаборатории голландского физика Камерлинг-Оннеса в Лейденском университете последний из газов — геляй был превращен в жидкость.
Несоклько слов о главных достижениях на пути к абсолотному нулю.
Один из основных методов сжжения газов состоит в их скатии. При этом молекулы сближаются, возвращает роль сил сцепления и становится возможность переход в жидкое состояние. Оdnako если газ находится при температуре выше критической, тониккам сжжением нельзя превращить его в жидкость. В этом случае необходимо превращительное охлаждение газа.
К семидесятим годам XIX века было произведено огромное количество опытов по сжжению газов и получению много новых жидкости (следует особо отметить опыты Фарадея, который наряду со скатием, применяемый раньше для сжжения газов, первым использовал охлаждение газа). Оdnako кислород, азот и водород не проявляли никаких признаков превращения в жидкость. Поэтому в физике стало скадываться убеждание, что эти три вещества являются «постоянными газами». Лишь в 1877 году французский ученый Кальте сумел получить жидкий кислород при температуре К. Через шесть лет пользование физики Вроблевский и Ольшевский первыми увидели жидкий азот. Переход азота в жидкость произошел при К.
Очень сложным был путь получения жидкого водорода. Он превращается в жидкость при температуре всего К. Эта задача была решена лишь в 1898 году английским физиком Дьюаром. Дьюар использовал для хранения жидкого водорода изобретенный им вакуумный сосуд, который назван его и применяется посядень. Когда Дьюар работал над проблемой получения жидкого водорода, он не сомневался в том, что его работа — последнее успешное на пути к абсолотному нулю. Но Дьюар ошибался. Еще более низкой оказалась температура кипения жидкого геляя.
Геляй был открыт в 1869 году при исследовании спектра солнечной короны. На Земле же в течение очень длительного времени Никому не удалось его найти. Только в 1895 году английский химик Рамсей обнару-
11
квантах выдвинулю изменения при самых низких температурах на передний план физического интерсеса».
Жидкий гелий часто называют «квантовой жидкость». При первом знакомстве с квантовой физикой может создаться впечатление, что законы ее важны только для описания свойствatomов,atomных ядер,электронов и других микрочастиц. Жидкий гелий — один из самых ярких примеров того, что квантовая физика может описывать также и свойства макросоппических тел.
Перед вами — жидкость, напитая в сосуд. Вы можете наблюдать за ее поведением, переливать в другой сосуд и так далее. И вместе с тем свойства жидкого гелия совершенно необычны; он радикально отличается от всех других жидкости. Его поведение объясняется только законами квантовой физики.
Каковы же основные особенности поведения жидкого гелия? Первая из них была обнаружена Камерлинг-Оннесом еще при проведении эксперимента, во время которого впервые был получен жидкий гелий. Оннес предпринял попытку перевести гелий в твердое состояние. Он начал уменьшать давление в сосуд, где находилась кипящая жидкость. При этом температура попяжалась (ее значение стало близким к 1° К!), но никаких признаков затвердевания гелия не обнаружилось.
Камерлинг-Оннес и в дальнейшем неоднократно пытался получить твердый гелий. Последняя такая попытка была предпринята им в конце жизни в 1922 году. Откачивая пар над жидким гелием двенадцатью новых насосами специальной конструкции (давление при этом упало до 0,013 мм рм. см.!), он достиг температуры, равной всего 0,83° К. Сообщение об этом эксперименте называлось так: «О самом низкой температуре, полученной до сих пор». Но даже при этой, рекордно низкой по тому времени температуре гелий оставался жидким.
Г. Камерлинг-Оннес (1853—1926)
В настоящее время твордо установленное, что гелий — единственное в природе вещество, которое не затвердевает вплоть до абсолотного нуля (он может стать твердым лишь при дополнительном сильном скатии). Впервые твердый гелий был получен в 1926 году X. Кеезомом, преемником Камерлинг-Оннеса, возглавшим после него работу в Лейденской лаборатории.
С точки зрения классической физики уникальное поведение жидкого гелия совершенно неопонятно. Ведь с понжением температуры тепловые колбания частизвества становятся все слабее и слабее. Наличие же сил механикулярного сцепления должно приводить в конце концов к затвердеванию вещества.
Поведение жидкого гелия не имеет ничего общего с этой картиной. Гелий оставался бы жидким и при абсолотном нULE, хотя при этом вообще был не было никакого теплового движения.
Камерлинг-Оннес в первом же эксперименте показала очень малая плотность жидкого гелия. Он оказался ядром от том, что легкие и инертные atoms гелия находятся к тому же на большом расстоянии друг от друга. Перевести такую гелий