Жидкий и твердый гелий

Читаю очередную книгу, теперь про низкие температуры. В этой области науки интересного не меньше, чем в просторах космоса.

Самое интересное вещество при низких температурах — это гелий. Дело в том, что при атмосферном давлении он не кристаллизуется до температуры абсолютного нуля. Объясняется это просто. Температура тела определяется колебаниями атомов, его составляющих. Чем слабее колебания (по амплитуде и частоте), тем ниже температура.

Казалось бы, при нуле градусов по шкале Кельвина движения быть вообще не должно и тело точно бы кристаллизовалось. Но тут вступает в силу принцип неопределенности Гейзенберга — импульс и координата частицы не могут быть определены абсолютно точно. А что получается, если наступает абсолютный покой? Скорость (соответственно, импульс) равна нулю, положение четко фиксировано и может быть измерено. Налицо нарушение принципа неопределенности. Поэтому частицы колеблются даже при абсолютном нуле. Это называется квантовыми или нулевыми колебаниями. Так вот, в гелии энергия нулевых колебаний настолько высока, что эти колебания разрушают кристаллическую решетку и гелий не затвердевает. Поэтому его называют квантовой жидкостью.

Но это только начало. Жидкий гелий бывает в двух состояниях. Это выяснилось весьма неожиданным способом. Когда охлаждали газ, он сначала сконденсировался и естественно, жидкость начала активно кипеть. Но при дальнейшем понижении температуры кипение резко прекращается. Объяснили этот феномен тем, что жидкий гелий становится сверхтекучим. А это значит, что нет препятствий для распространения тепла, то есть температура нижних и верхних слоев жидкого гелия одинакова. Значит нет причин для кипения. Испарение при этом, кстати, происходит с неизменной скоростью.

Все знают, что если налить жидкость в сосуд, то в точке касания поверхности жидкости сосуда образуется мениск, выпуклый или вогнутый, в зависимости от свойств жидкости. Жидкий гелий смачивает поверхность стекла, поэтому в стеклянных сосудах Дьюара образуется вогнутый мениск. В обычной жидкости силы поверхностного натяжения, тяжести, связи со стенками сосуда и трения уравновешивают друг друга и мениск поднимается максимум на несколько миллиметров. Но жидкий гелий сверхтекуч, поэтому пропадает сила трения и мениск поднимается по стенке все выше и выше. Подъем этот ничем не ограничен и жидкость начинает выливаться из сосуда!

Еще один любопытный эффект — термореактивная струя. Это когда в тонкой трубке устанавливают нагреватель и из трубки начинает бить фонтан. Объясняется это все так же отсутствием трения в слоях жидкости.

Далее, изотоп гелия с 3 нейтронами обладает свойством сверхпроводимости. Ну, про явление сверхпроводимости все слышали, останавливаться на нем не буду.

Почитав книгу, начал бороздить просторы интернетов в поисках фотографий и видео жидкого и кристаллического гелия. Вот видеозапись, иллюстрирующая все перечисленные выше эффекты:

Следующая ступень развития — получение твердого гелия. Для этого надо повысить давление так, чтобы энергия кристаллической решетки стала выше энергии нулевых колебаний. Это условие выполняется при давлениях в 30–40 атмосфер, так и был получен кристалл гелия. Он тоже обладает очень любопытными свойствами, связанными с нулевыми колебаниями и отсутствием трения. Но в двух словах, к сожалению, эти свойства не описать. Кому интересно — дам книжку почитать.

Да, и еще. Оказывается, в сосудах Дьюара жидкий азот и гелий можно хранить месяцами! Я думал, час-два, на один эксперимент и все.

И еще приятно то, что в изучении свойств гелия большую роль сыграли советские ученые Петр Леонидович Капица, Лев Васильевич Шубников, Лев Давидович Ландау.

Разделы:

Астрономическое (6)

Всякое (39)

Грустное (1)

Институтское регулярное (42)

К защите (10)

Как в этом работать (2)

Картинки для зрителя (7)

О физике (10)

Путешествия (12)

Развитие сайта (11)

Облако меток: