Арканя (arky_titan) wrote,
Арканя
arky_titan

Category:

Криогенная история или сказка на ночь

Обычный способ для сжижения газов - их сжатие. Сжатие газа приводит к тому, что его молекулы приближаются друг к другу, при этом возрастает сила, сцепляющая молекулы вместе. Соответственно, если сжать газ достаточно сильно, то он превратится в жидкость. Хотя, если его температура выше некоторой определенной температуры, то как бы сильно вы не сжимали газ, переход газ->жидкость окажется совершенно невозможным. Поэтому прежде чем сжижать газ путем сжатия, его следует как следует охладить ниже критической точки.

История получения криогенных жидкостей по пути приближения к абсолютному нулю буквально следующая:

1877 год: французский физик Луи Поль Кайете получил жидкий кислород O2 при температуре 90.2К (-183˚С), а шесть лет спустя в 1883 был сжижен азот N2 при знаменитой температуре 77.4 К (-196˚С).

1898 год: шотландец сэр Джеймс Дьюар (именно они изобрел и именно его именем называются емкости для хранения криогенных жидкостей — сосуды Дьюара) получил жидкий водород H2 при температуре 20.4 К (-252.8˚С).

Что касается гелия He, то впервые он был обнаружен еще в 1868 году, в спектральных линиях Солнца. Британским ученым (в те годы они были не чета нынешним) сэром Джозефом Норманом Локьером. Спектральные линии, это как бы отпечаток пальца определенного химического элемента. Так вот в земных условиях таких отпечатков долгое время найти не могли, а по сему Локьер заключил, что нашел новый "солнечный" элемент, отсюда и название.

И только в 1895 году опять таки британский ученый сэр Уильям Рамзай обнаружил редкий на Земле гелий, который выделялся при нагревании определенных минералов. В конце 19 в. стало ясно, что точка кипения гелия даже ниже, чем у водорода. И вот тогда-то, голландец Камерлинг-Оннес начал свои эксперименты по получения жидкого гелия. В конце концов, примерно через 10 лет в 1908 он получил жидкий гелий при температуре 4.2 К (-269˚С). Жидкий гелий особая жидкость, даже при температуре равной абсолютному нулую (-273.15˚С) он остается жидким. У жидкого гелия очень маленькая плотность - при атмосферном давлении он примерно в 8 раз легче воды, поэтому молекулы разделены значительным расстоянием.

В близи абсолютного нуля температур классическая концепция подсказывает нам: атомы должны остановиться и находиться в состоянии полного покоя. Но в жидком гелии этого не происходит, законы квантовой физики не позволяют атомам находиться в абсолютном покое даже при абсолютном нуле температур. За это жидкий гелий часто называют квантовой жидкостью — он являет собой яркий пример проявления квантовых (микроскопических явлений) в макроскопических (больших) телах. Чтобы заставить его замерзнуть, нужно на него как следует надавить.

Заставив сконденсироваться гелий, Камерлинг-Оннес принялся изучать различные физические свойства веществ при самых низких температурах. Путем откачки паров (понижения давления), в его распоряжении оказывался довольно широкий диапазон температур вплоть до 1.5 К.

Короче говоря, в 1911 году, изучая зависимость электрического сопротивления замороженной трути от температуры, он обнаружил, что при приближении к 4.2 К, сопротивление внезапно пропадает. Вот как написал об этом сам Оннес (в моем переводе):

Эксперимент не оставляет никаких сомнений, что в пределах погрешности измерений сопротивление исчезло. В то же самое время, тем не мнее, некоторые вещи неожиданно проявились. Исчезновение сопротивления происходило не постепенно, а внезапно. От 1/500, сопротивление при 4.2 К падает до одной миллионной. При наименьшей температуре 1.5 К можно было определить, что сопротивление становилось тысяче-миллионной частью от сопротивление при нормальной температуре. Таким образом, ртуть при 4.2 К вошла в новое состояние, которое, благодаря его исключительным свойствам, может быть названо состоянием сверхпроводимости.

Явление сверхпроводимости проявляется (в частности) в исчезновении электрического сопротивления при определенной для каждого сверхпроводящего материала температуре и обозначаемой Тс. По современным данным удельное сопротивление сверхпроводника оказывается ниже 10-27 Ом∙см. Для сравнения у меди оно 10-9 Ом∙см, то есть сопротивление сверхпроводника по-крайней мере в миллиард миллиардов раз меньше. Надо добавить, что далеко не у всякого материала, может наблюдаться сверхпроводящее состояние. Для нормальных металлов сопротивление плавно спадает при уменьшении температуры и достигает некоторого определенного значения при абсолютном нуле температур. Явление сверхпроводимости также являет собой пример проявления явлений микромира в макроскопических телах. При достижении критической температуры электроны внутри сверхпроводника коллективно испытывают качественное изменение своего состояния, в силу чего у целого кусочка материала наблюдается скачкообразное исчезновение электрического сопротивления, которое можно зафиксировать вполне макроскопическими измерениями.

Стоит ли говорить, что за это открытие К. Оннес получил Нобелевскую премию, всего два года спустя в 1913 году? Ну и хватит на сегодня.
Tags: Сборка-разборка, Физика
Subscribe

  • I Robot

    Для тех, кто не знает в чем суть игры, но интересно, здесь можно попробовать бесплатно. На экране случайных частях игрового поля появляются 5…

  • Размышления о мозгах

    Когда сексисты (как правило, мужского пола), стремясь доказать интеллектуальное превосходство мужчин над женщинами, приводят факт, что масса мозга…

  • Хакнутый Люмосити

    Все игры Люмосити выложенные в бесплатном доступе: http://lumocity.ucoz.ru/stuff/ Конечно нет персонифицированной статистики и прочего, кроме того…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 30 comments

  • I Robot

    Для тех, кто не знает в чем суть игры, но интересно, здесь можно попробовать бесплатно. На экране случайных частях игрового поля появляются 5…

  • Размышления о мозгах

    Когда сексисты (как правило, мужского пола), стремясь доказать интеллектуальное превосходство мужчин над женщинами, приводят факт, что масса мозга…

  • Хакнутый Люмосити

    Все игры Люмосити выложенные в бесплатном доступе: http://lumocity.ucoz.ru/stuff/ Конечно нет персонифицированной статистики и прочего, кроме того…