Дорога к сверхнизким температурам

Введение

Каждое историческое событие является завершающим этапом после длительных подготовительных операций и действий. В то же время свершения открывают новые пути развития и ставят новые задачи в контексте рассматриваемых процессов. Особенно это актуально в научных исследованиях. Каждый новый экспериментально подтвержденный факт, новая теория завершают цикл работ по этой тематике. Одновременно появляются оригинальные явления и феномены, которые требуют дополнительных измерений, расчетов и т.д.

Одним из таких фактов в истории техники и физики низких температур стало получение жидкого гелия в 1908 году Хейке Камерлинг-Оннесом. Эта работа стала финальным аккордом в ожижении газов и в то же время развитие ее позволило открыть новый эффект в металлах – сверхпроводимость.

Эксперимент

Догадка о существовании нового интересного мира низких температур высказывалась учеными еще задолго до опытов Камерлинг-Оннес Первый шаг на этом пути был сделан еще в конце XVIII в. В XIX в. были сжижены уже многие газы. Опыты следовали один за другим, превращены в жидкость кислород, азот, водород. Один лишь гелий не поддавался усилиям ученых. Полагали даже, что этот газ занимает в мире какое-то особое положение, поэтому он и не превращается в жидкость. Во многих лабораториях мира экспериментаторы активно искали способы получения жидкого гелия. Успех выпал на долю Камерлинг-Оннес Именно в его лаборатории низких температур в Лейденском университете был проведен эксперимент, ставший последней страницей в истории поиска новых жидкостей.

Внимание Камерлинг-Оннес привлекала теория газов Йоханнеса Ван-дер-Ваальса, устанавливающая соотношение между давлением, температурой и объемом. Она позволяла учесть различия в поведении реальных и идеальных газов. В то время Ван-дер-Ваальс преподавал в Амстердаме, и Камерлинг-Оннес вступил с ним в переписку по поводу молекулярной теории.

Согласно теории соответственных состояний Ван-дер-Ваальса, все газы ведут себя одинаково, если единицы давления и температуры выбраны с учетом слабых сил притяжения между молекулами. Камерлинг-Оннес считал, что исследование поведения газов при низких температурах может дать важную информацию для проверки теории соответственных состояний. Для достижения низких температур необходимо сжижать газы. Камерлинг-Оннес выбрал темой для работы своей лаборатории узкую область криогеники – исследование низкотемпературных эффектов.

Он построил крупный завод по сжижению газов для получения больших количеств низкотемпературных жидкостей – кислорода, азота и воздуха. Эти жидкости были необходимы для проведения экспериментов по изучению свойств материалов и достижения еще более низких температур. Чтобы подготовить квалифицированных ассистентов, Камерлинг-Оннес открыл училище для механиков и стеклодувов. Вскоре выпускников лейденского училища можно было встретить в физических лабораториях всего мира. Лаборатория Камерлинг-Оннес стала образцом для научно-исследовательских институтов XX века.

Хотя шотландский ученый Джеймс Дьюар получил жидкий водород в 1898 г., только Камерлинг-Оннес удалось наладить получение жидкого водорода в значительных количествах. Его заводская установка производила 4 литра жидкого водорода в час. Для создания установки потребовалось все искусство подготовленных Камерлинг-Оннес техников: механиков – для создания насосов, стеклодувов – для изготовления прозрачных сосудов, сквозь стенки которых можно было бы наблюдать за поведением веществ при низких температурах.

При Камерлинг-Оннес Лейденский университет, по существу, превратился как бы в единую лабораторию низких температур. Здесь работала знаменитая лейденская школа стеклодувов и прибористов. Ее выпускники, казалось, могли сделать своими руками все что угодно. Под руководством Камерлинг-Оннес изготовлялось не лабораторное оборудование, а делались, выражаясь сегодняшним языком, полупромышленные установки, в которых низкотемпературные жидкости получали не каплями, а литрами. По сути дела, лаборатория Оннеса стала прообразом и моделью для научно-исследовательских институтов XX в. Выпускался даже специальный научный журнал Сообщения из физической лаборатории Лейденского университета. Двери лаборатории были широко распахнуты перед всеми, кто хотел работать в области криогенной техники.

Успех голландского физика не был случайным. Задача была решена человеком, понявшим коллективный характер науки XX столетия, создавшим, может быть, первую по-настоящему современную научную лабораторию. Это был ученый необычного склада, физик, инженер, организатор, он один из первых понял, что проникновение во все более глубокие тайны природы требует мощной технологической базы, уникального оборудования, хорошо подготовленного вспомогательного персонала. В наши дни такая постановка вопроса никого бы не удивила. Мы привыкли уже к масштабным физическим исследованиям. Но в начале века Оннес резко выделялся на фоне многих экспериментаторов, проводивших свои исследования с помощью небольших лабораторных установок. Уже первая установка для сжижения кислорода, азота и других атмосферных газов, сконструированная им в 1894 г., имела такую производительность, что смогла удовлетворить быстро растущие потребности лаборатории в течение многих лет.

Техническое преимущество Лейденской лаборатории дало себя знать довольно быстро. За короткий срок Камерлинг-Оннес преодолел все известные ступени на пути к абсолютному нулю. Последовательно были превращены в жидкость кислород, неон, водород. Следующий шаг был очевиден жидкий гелий.

В присутствии физиков, приглашенных из разных стран, 10 июля 1908 г. начался исторический эксперимент. Сжижение гелия проводилось на каскадной установке, которая и сегодня удивляет инженеров своим совершенством. Штурм начался в 6 ч утра с сжижения 20 л водорода, необходимого для охлаждения гелия. Эта работа была завершена к 2 ч дня. Через 3 ч началась циркуляция охлажденного гелия, и с этого момента внутренний криостат ожижителя оказался в области еще не исследованных низких температур.

В течение длительного времени показания термометра с разреженным гелием почти не изменялись. После дополнительной регулировки аппаратуры было отмечено постепенное снижение температуры, но вскоре оно прекратилось. Шли часы. Уже был израсходован почти весь имевшийся жидкий водород, а никаких признаков сжижения гелия еще не было. В 8 ч вечера напряжение достигло предела. Казалось, что и эта попытка окончится неудачей, и именно в этот критический момент один из присутствующих физиков высказал предположение, что, возможно, жидкость уже кипит, поэтому термометр и не показывает уменьшения температуры. Сосуд осветили снизу, и неожиданно стал видимым уровень жидкости, ясно различимый благодаря отражению света. Сосуд почти целиком был заполнен бесцветной жидкостью. Жидкий гелий... 4,2 К решающая ступенька к абсолютному нулю! Вот как описывает этот волнующий момент сам Камерлинг-Оннес: «Это было удивительное зрелище появление впервые жидкости, имеющей почти нематериальный вид. Втекание ее в сосуд не было замечено. Ее присутствие было замечено, когда она уже наполнила сосуд, а ее поверхность выделялась остро, как лезвие ножа...»

Схема установки, в которой гелий впервые был виден в жидком состоянии.

Разумеется, и тут не нужны документальные подтверждения он был взволнован, и счастлив, и горд, и смущен. «Я был вне себя от радости, когда смог продемонстрировать жидкий гелий моему другу Ван-дер-Ваальсу, чья теория была моей путеводной нитью, позволившей довести сжижение до конца», – вспоминал впоследствии Камерлинг-Оннес Его поздравляли с огромным достижением, не предполагая, что перед физикой приоткрылась дорога в мир особых явлений. И никто не догадывался, что он уже стоит на пороге нового эпохального открытия. Его чествовали в Лейдене, не зная, что главное у него еще впереди.

С помощью жидкого гелия Камерлинг-Оннес удалось достичь еще более низких температур: 1,38 К в 1909 г. и 1,04 К в 1910-м. Однако основной его заботой оставалось исследование свойств веществ при столь низких температурах. Он изучал спектры поглощения элементов, фосфоресценцию различных соединений, вязкость сжиженных газов и магнитные свойства веществ. Поскольку температура является мерой случайного движения молекул вещества, а это затемняет суть некоторых явлений, понижение температуры может, по выражению Камерлинг-Оннес, помочь «приподнять завесу, которую простирают над внутренним миром атомов и электронов тепловые движения при обычных температурах».

Материал подготовлен Пузиной Ю.Ю.
Научные публикации по криогенике и МКТ

Следующая страница: Премия «Оскар» - 1940