Низкие температуры. Текстовая версия. Реферат по
Например, Твардовский А.Т. - Разное - Солдатские будни
Низкие температуры
Майкл Фарадей Прирученный с ранних лет в семье к трудолюбию, Майкл усердно выполнял свои многочисленные обязанности. А свободное время он посвящал чтению. Сначала Фарадей читает все, что попадается под руку. Затем у него появляется интерес к естественным наукам. Он изучает статьи по электричеству в Британской энциклопедии и популярную книгу Успехи химии. Пробует и сам проводить описанные в литературе опыты, проявляя при этом незаурядную находчивость. Стеклянная бутылка служит ему для изготовления электростатической машины, а гальваническую батарею он собирает из цинковых кружков и медных пенсов. Книжную лавку часто посещали ученые. Один из них, некто Дэнс, обратил внимание на любознательного юношу и принес Фарадею билеты на публичные лекции известного химика Гемфри Дэви, которые тот читал в Королевском институте научном центре английской столицы того времени. По совету того же Дэнса Фарадей тщательно обработал свои конспекты лекций, переплел их и послал Дэви вместе с письмом, содержащим просьбу о приеме на работу в качестве помощника. Неизвестно, что больше произвело впечатление на Дэви сам конспект его лекций или сделанный с высоким профессиональным мастерством переплет. Говорят, он обратился за советом к своему приятелю: как быть? И тот будто бы сказал: Предложите парню мыть посуду. Если он на что-нибудь годен, то сейчас же примется за дело. Если откажется, значит, никуда не годится. Сейчас трудно установить, все ли так обстояло в действительности. Но в 1813 году Фарадей получил место ассистента Дэви в химической лаборатории Королевского института. Фарадей должен был содержать в чистоте лабораторное оборудование, подготавливать аппаратуру и помогать Дэви в проведении экспериментов и демонстрации опытов на лекциях. Но он внимательно присматривался к работам своего наставника и других сотрудников института, стараясь перенять их опыт. В это время Дэви пригласили посетить ряд научных центров европейского континента. Он берет в поездку своего ассистента. Фарадей получил возможность ознакомиться с работами видных иностранных ученых. По возвращении из-за границы Фарадей приступает к самостоятельным исследованиям. Он проводит ряд оригинальных химических опытов, а в 1821 году делает важное открытие в области электричества создает лабораторную модель электрического двигателя. Однажды, это было в 1823 году, Фарадей, изучая химическое разложение одного из соединений хлора гидрата хлора, нагревал последний в герметически запаянной стеклянной трубке. Он наблюдал, как по мере нагревания одного конца изогнутой трубки на другом ее, холодном, конце собирались капли маслянистой жидкости. В этот момент в лабораторию зашел сотрудник института доктор Пэрис. Он также заметил масло в пробирке и решил, что Фарадей проводит эксперимент в грязной посуде. Однако Фарадей никак не реагировал на упрек доктора, и тот, пожав плечами, удалился. А на следующий день Пэрис получил записку такого содержания: Милостивый государь! Масло, замеченное Вами вчера, было ничем иным, как жидким хлором. Преданный Вам М. Фарадей. Что же произошло в лаборатории после ухода Пэриса? Желая исследовать маслянистое вещество, Фарадей отрезал часть пробирки, в которой оно находилось. Мгновенно раздался взрыв, и жидкость исчезла. Загадочное вещество представляло собой жидкий хлор. Действительно, по мере нагревания гидрата хлора в герметически запаянной пробирке из него выделялся газообразный хлор. Не имея выхода наружу, газ все более и более сжимался. А о том, что при достаточном сжатии газы могут перейти в жидкое состояние, было известно уже во времена Фарадея. Так исследователь получил первую холодную жидкость жидкий хлор, имеющий температуру кипения при нормальном давлении -34,1С. Но почему жидкость образовывалась именно в холодном конце трубки? И у Фарадея мелькает мысль о том, что в процессе сжижения газа, кроме давления, определенную роль играет и температура. В дальнейшем Фарадей видоизменил опыт, погрузив холодный конец трубки в охлаждающую смесь. Эта уловка увенчалась успехом. Кроме хлора, так им были сжижены аммиак, закись азота, углекислый газ, двуокись серы. Уже первая серия работ Фарадея в области химии и электричества получила высокую оценку современников. Его избирают членом Лондонского королевского общества. Так сын деревенского кузнеца стал академиком. Дальнейшая научная деятельность Фарадея была почти полностью посвящена электричеству. Проложив как бы мост между электричеством и магнетизмом, он открывает в 1831 году явление электромагнитной индукции, а еще через два года формулирует свои знаменитые законы электролиза. Затем следует разработка учения об электрических и магнитных полях, открытие явлений парамагнетизма и диамагнетизма. В 1845 году Фарадей провел опыты по сжижению газов с помощью двух насосов. Первый насос сжимал газ до давления в 10 атмосфер. Затем газ поступал во второй насос, где сжимался до давления в 50 атмосфер. Стеклянная трубка, в которой накапливался сжатый газ, проходила под колокол воздушного насоса, а ее запаянный конец погружался в охлаждающую смесь эфира с твердой углекислотой. Но новых успехов в сжижении газов он добиться не смог. Одновременно с Фарадеем над проблемой сжижения атмосферных газов работали ученые разных стран. В то время считали, что газ можно сжижать либо путем глубокого охлаждения, либо сжимая достаточно высоким давлением. Получить низкие температуры было трудно. Поэтому второй путь казался предпочтительным. Однако не помогало самое высокое давление, которое можно было получить в лабораторных условиях. И тогда исследователи старались реализовать еще большие давления. Так, например, один из них сжимал кислород и азот почти до двухсот атмосфер, поместив эти газы в специальные цилиндры и погрузив их на глубину около двух километров в океане. Но ни кислород, ни азот, ни водород не проявляли никаких признаков сжижения, какому бы сжатию их ни подвергали, и многие ученые стали привыкать к мысли, что это так называемые постоянные газы, то есть газы, не превращающиеся в жидкость ни при каких условиях. Но Фарадей не разделял подобных взглядов. В своих записках он отмечал, что достигнутое охлаждение, очевидно, недостаточно для сжижения таких газов, как кислород, азот или водород, даже при сколь угодно большом давлении. Ученый выражал уверенность в том, что при более глубоком охлаждении задача сжижения атмосферных газов под давлением будет решена. Но подорванное тяжелым детством здоровье Фарадея все ухудшалось. Начиная с 50-х годов, он вынужден постепенно сокращать объем своих исследований, а затем и вовсе их прекратить. 25 августа 1867 года Фарадей скончался. А десять лет спустя, французский инженер Кальете впервые осуществил сжижение кислорода. Луи Поль Кальете Луи Поль Кальете родился в 1832 году в небольшом французском городке Шатильон на Сене в семье промышленника. Вскоре по окончании Горного института он руководит чугуноплавильными заводами своего отца. Стремясь усовершенствовать производство, молодой инженер изучает металлургические процессы. Судя по всему, на этом поприще он добился немалых успехов. В 1877 году его избирают членом-корреспондентом Парижской академии наук честь, которой удостаивался далеко не каждый провинциальный инженер. Кальете прославил свое имя не работами в области высоких температур, при которых протекают металлургические процессы. Он вошел в историю физики как один из первопроходцев к абсолютному нулю температуры. Кальете, подобно многим своим предшественникам, начал эксперименты с попыток сжижения газа под высоким давлением. Первым газом для его опытов послужил ацетилен. Предварительный расчет показал, что для сжижения этого газа при комнатной температуре требуется давление около 60 атмосфер. Однако перед достижением заданного давления аппаратура неожиданно дала течь, и сжимаемый газ начал просачиваться наружу. Кальете, внимательно следивший за толстостенным стеклянным сосудом с ацетиленом, успел заметить, что немедленно после возникновения течи в сосуде образовалось легкое облачко, которое быстро исчезало. Сначала Кальете решил, что обнаруженное им явление обусловлено наличием примесей в ацетилене, предположив, что видел капельки воды. Он повторил опыты, использовав химически чистый ацетилен, и снова появилось облачко. Теперь сомнений не оставалось. Исследователь наблюдал именно конденсацию ацетилена. Не теряя времени, Кальете приступает к экспериментам по сжижению атмосферных газов. Он выбирает кислород, так как этот газ было нетрудно получить в чистом виде. Он сжимает кислород до давления примерно 300 атмосфер и затем подвергает толстостенный стеклянный сосуд с кислородом охлаждению до 29С, окружив его испаряющейся двуокисью серы. Когда Кальете приоткрыл клапан и выпустил из сосуда часть газа, давление его внезапно упало. Расширяясь, газ совершил работу. При этом тепло к газу не подводилось, и по закону сохранения энергии он охладился. Экспериментатор вновь заметил облачко конденсирующихся капель. Так впервые удалось сжижить кислород. Эксперименты Кальете подтвердили вывод Фарадея о том, что для сжижения газов существенное значение имеет не только давление, но и температура. Действительно, детальное исследование роли давления и температуры в процессе сжижения газов, проведенное в 1870 году великим русским химиком Д. И. Менделеевым, показало, что для каждого газа существует предельная температура, выше которой газ не может быть сжижен, ни при каком сколь угодно большом давлении. Менделеев назвал эту температуру абсолютной температурой кипения. Независимо от Менделеева подобное исследование провел английский физик Томас Эндрюс, который ввел в науку термин критическая температура. Представьте себе закрытый сосуд, в котором находится некоторое количество жидкости, например воды. В результате испарения над жидкостью образовывается насыщенный пар. При этом одно и то же вещество существует одновременно в двух состояниях, или, как говорят физики, в двух фазах жидкой и газообразной. При комнатной температуре плотность пара значительно меньше плотности соответствующей жидкости. С повышением температуры плотность жидкости уменьшается, а плотность газа увеличивается. Наконец наступает момент, когда плотность жидкости и пара совпадает. Температура, при которой плотности жидкости и ее насыщенного пара совпадают, называется критической температурой данного вещества. При температуре выше критической вещество может находиться только в одном состоянии газообразном. При таких условиях газ невозможно сжижить даже при сколь угодно сильном сжатии. Критические температуры разных веществ существенно отличаются друг от друга. Например, воды +374С, кислорода 118С, водорода 240С. Однако вернемся к экспериментам Кальете. Температура кипения кислорода при атмосферном давлении 183С. Следовательно, французскому инженеру удалось преодолеть значительный отрезок пути к абсолютному нулю. Может быть, кто-либо был склонен объяснить сто достижение счастливой случайностью. Ведь мысль о возможном способе сжижения атмосферных газов пришла в голову Кальете в момент аварии его аппарата. Конечно, и в науке бывают случайности. Но не они решают дело. Каждый новый шаг в науке подготавливается предыдущими научными открытиями и достижениями в той или иной области. Кальете в момент своего открытия был уже зрелым ученым. Он детально изучил работы своих предшественников и ясно видел цель, к которой стремился. Иначе он не заметил бы мгновенно исчезнувшее облачко. Не случайно многие важные открытия были сделаны разными учеными независимо друг от друга. Так было и на этот раз. Почти одновременно с Кальете сжижение кислорода произвел женевский физик Рауль Пикте, действуя другим методом. Рауль Пикте Мы уже знаем, что газ, критическая температура которого выше комнатной, можно сжижить сжатием без предварительного охлаждения. Полученная таким образом жидкость используется для охлаждения второго газа, критическая температура которого значительно ниже комнатной, но выше температуры кипения этой жидкости. Жидкость, полученную после сжижения второго газа, можно использовать для сжижения третьего газа с еще более низкой критической температурой, и т. п. Такой метод получил название каскадного. Пикте сжижил кислород, использовав в первом каскаде двуокись серы, а во втором каскаде двуокись углерода. Сообщение об удачном завершении эксперимента Кальете и Пикте были оглашены на собрании Парижской академии наук 24 декабря 1877 года, а через неделю, в самый канун нового, 1878 года Кальете объявил о сжижении азота (температура кипения 196С). Некоторое время спустя Пикте, пополнив свою установку третьим каскадом, где он применил кислород, сжижил воздух. Воздух, как известно, состоит в основном из азота и кислорода и имеет температуру кипения промежуточную между температурами кипения этих составляющих, а именно 194,4С. В 1882 году Кальете вернулся к своему эксперименту, применив для охлаждения сосуда со сжатым кислородом этилен вместо двуокиси серы. Температура первоначального охлаждения понизилась до 105С. Однако облачко сжиженного газа по-прежнему мгновенно исчезало, словно привидение в старинной легенде. Удержать в сосуде жидкость, кипящую при немыслимо низкой температуре, такую задачу предстояло решить исследователям. Здесь успех сопутствовал двум польским физикам 3. Вроблевскому и К. Ольшевскому. Вроблевскому и К. Ольшевскому До возвращения на родину Вроблевский в течение одного года работал в лаборатории известного в то время химика, члена Парижской академии наук Сент-Клэр Девиля, где он провел ряд экспериментов с аппаратом Кальете. Наблюдая за голубоватым облачком сжиженного кислорода, внезапно появляющегося внутри толстостенного сосуда, чтобы сразу исчезнуть, словно мираж в пустыне, исследователь задумался над вопросом: как удержать необычайно холодную жидкость? В 1882 году Вроблевский возглавил кафедру физики в Краковском университете. Он немедленно выписал из Парижа аппарат Кальете. С не меньшим нетерпением ждал прибытия французского аппарата и другой краковский физик Король Ольшевский. Он в течение многих лет безуспешно работал над усовершенствованием устаревшего оборудования для сжижения газов. Ольшевский пришел в восторг, когда увидел в Кракове современную аппаратуру Вроблевского. Физики стали работать вместе. Краковская установка для сжижения кислорода была собрана в феврале 1883 года. А уже в апреле того же года в трубке аппарата спокойно кипела голубоватая жидкость. Вроблевский и Ольшевский усовершенствовали аппаратуру Кальете. Стеклянная трубка была изогнута так, что собирающийся в ней жидкий кислород не мог уходить через расширяющуюся верхушку, а удерживался в нижней части трубки. Далее, для охлаждения трубки использовал Схема аппарата Вроблевского и Ольшевского для сжижения кислорода. 1 стеклянная трубка с прочными стенками; 2 сжиженный кислород; 3 стальной цилиндр, наполненный кислородом под высоким давлением; 4 этилен, кипящий при пониженном давлении и температуре 130С. Сквозь стеклянную стенку можно было наблюдать, как в аппарате спокойно кипела голубоватая жидкость. жидкий этилен, кипящий не при атмосферном давлении, как это было в экспериментах Кальете, а при давлении в 2,5 сантиметра ртутного столба, то есть в тридцать раз меньшем. Температура была понижена до 130С. После того как в трубку был введен кислород под высоким давлением, сквозь прозрачную стенку можно было увидеть капельки жидкости, которые, скатываясь, собирались на донышке. Призрак приобрел реальное очертание. Кислород был сжижен без использованного Кальете первоначального расширения газа. Вскоре был получен в устойчивом состоянии 1 и другой сжиженный атмосферный газ азот. Продемонстрировав возможность длительного сохранения жидкого кислорода и жидкого азота, польские физики создали предпосылки для исследования этих холодных жидкостей, их практического применения и дальнейшего продвижения по пути к абсолютному нулю. Воодушевленные своими успехами, Вроблевский и Ольшевский в 1884 году провели серию опытов по сжижению водорода методом Кальете путем расширения. Наблюдаемый при этом легкий туман они приняли за капли жидкого водорода, но полной уверенности в этом не было, так как туман мог быть следствием какой-либо примеси. Времена Кальете и Пикте минули. Исследователь, объявивший, что он получил жидкий водород, должен был подтвердить свое заявление более существенными аргументами, чем мимолетное облачко тумана. Джеймс Дьюар Джеймс Дьюар родился в 1842 году в многодетной семье шотландца владельца небольшой гостиницы. Он был младшим из семи сыновей. В десятилетнем возрасте Джеймс провалился под лед и в течение нескольких лет после этого происшествия отличался очень слабым здоровьем. Предоставленный самому себе, мальчик проводил много времени у деревенского столяра, который научил его делать скрипки. Очевидно, именно тогда у будущего ученого развились ловкость, сноровка и привычка к тонкой физической работе. Биографы Дьюара отмечают, что в день его золотой : свадьбы играли на одной из скрипок, сделанной им самим. На ней была надпись: Джеймс Дьюар, 1854. По окончании Эдинбургского университета Дьюар начинает в этом же университете читать лекции по химии. В 1877 году он получает профессуру в Лондонском королевском институте, где работает до последних дней своей жизни. Научные интересы Дьюара были весьма разнообразны. Но его наиболее выдающиеся достижения относятся к области низких температур. Узнав о сжижении кислорода, Дьюар выписывает из Парижа аппаратуру и уже летом 1878 года демонстрирует капли жидкого кислорода на своих публичных вечерних чтениях по пятницам. Работы, проведенные Дьюаром в королевском институте, и его непрерывные демонстрационные опыты наглядно свидетельствовали о том, что сжиженные газы могут и должны спокойно кипеть в пробирке. Для этого необходимо выполнение двух условий: первое наличие достаточного количества сжиженного газа, второе соблюдение предосторожностей, препятствующих немедленному испарению жидкого газа. Первая проблема к тому времени была уже решена Краковскими физиками. Они же наметили путь для решения второй задачи. Напомним, что трубка, в которой сжижался кислород; помещалась в сосуд-с жидким этиленом. Образующиеся при испарении этилена холодные пары мешали притоку тепла извне. Вот тогда в научной терминологии появилось новое слово криостат (от греческого слова криос холодный). Так стали называть сосуд специальной конструкции, предназначенный для хранения сжиженных газов. Сама же техника получения низких температур получила название криогеники или криогенной техники. Криостат недолго оставался неразделимой частью аппаратуры для сжижения газов. Скоро этот процесс был видоизменен, так что жидкость из расширительной емкости выпускали через отводную трубку в криостат, который потом можно было отсоединить от установки. Это значительно упростило манипуляции с жидким газом и облегчило проведение экспериментов. В ту пору криостат представлял сосуд для жидкого газа, погруженный в стеклянный стакан, который был соединен с сосудом пробкой. Получался резервуар с двойными стенками. На дно стакана помещался сушильный агент (вещество, способное впитывать влагу), поглощающий водяные пары в пространстве между стеклянными стенками, препятствующий таким образом образованию изморози. Теперь во время чтения лекций Дьюар вносил в лекционный зал жидкий кислород, приготовленный заранее, и демонстрировал его свойства перед слушателями. За десять лет, прошедших с момента первого удачного опыта сжижения кислорода, техника эксперимента в области криогеники шагнула вперед. Но исследователей, стремящихся продолжать марш к абсолютному нулю, тревожило одно немаловажное обстоятельство. Для превращения жидкости в пар требуется некоторое количество тепла, называемое скрытой теплотой парообразования или испарения. Теплота испарения кислорода, в пересчете на один грамм, в десять раз меньше, чем у воды. Поэтому для сохранения кислорода в жидком состоянии более или менее продолжительное время криостат нуждался в хорошей тепловой изоляции. А скрытая теплота испарения водорода, согласно оценке ученых того времени, по крайней мере, в четыре раза меньше скрытой теплоты испарения кислорода. Это означало, что если водород все-таки удастся сжижить, то его нельзя будет сохранить в течение какого-либо времени в криостате применяемой тогда конструкции. На лекции 20 января 1893 года Дьюар демонстрирует вакуумный сосуд, получивший впоследствии его имя, столь совершенной конструкции, что она осталась неизменной вплоть до наших дней. Первоначально в течение ряда лет применялись криостаты с двойными стенками, пространство между которыми можно было освободить только от водяных паров. Дьюар существенно усовершенствовал конструкцию криостата, откачав воздух из пространства между стенками до глубокого вакуума. В результате резко уменьшился теплообмен между окружающей средой и веществом, находящимся внутри сосуда. Для уменьшения тепловых потерь посредством излучения поверхности стенок, образующих вакуумное пространство, покрываются тонким слоем серебра и полируются. На лекции Дьюар с присущим ему артистическим блеском продемонстрировал преимущество своего изобретения по сравнению со старым типом криостата. Сначала он показал жидкий кислород, находящийся в спокойном состоянии, словно обычная вода. Затем он отломил носик на стеклянном баллоне; как только воздух попал между стенками, жидкий кислород начал интенсивно кипеть. Изобретение Дьюаром вакуумного сосуда огромный шаг вперед в технике низких температур. Возможность длительного хранения жидких газов в сосудах Дьюара позволило теперь исследователям проводить эксперименты с большими количествами жидкого газа, исчисляющимися уже не кубическими сантиметрами, а литрами. Решив эту проблему, Дьюар смог непосредственно заняться сжижением водорода. Какие выводы он смог сделать из опыта своих предшественников? В первом эксперименте Кальете охлаждение достигалось за счет истечения струи газа из сосуда со сжатым газом. Газ расширялся, и его температура понижалась. Это был процесс до некоторой степени стихийный и неуправляемый. Напомним, что первоначально струя газа вырвалась из сосуда против воли экспериментатора в результате аварии. Эффективность такого процесса относительно невелика. А что, если струю не выпускать в атмосферу, а заставлять газ работать? Так возникла идея детандера. Что такое детандер? Попросту говоря, это цилиндр с поршнем. Газ сжимается с помощью специальной машины компрессора до давления в десятки, а иногда сотни атмосфер. Сжимаясь, газ нагревается, а это как раз и не нужно! После компрессора газ поступает в теплообменник, представляющий собой змеевик, обтекаемый проточной водой. Здесь газ восстанавливает свою первоначальную температуру. Затем он попадает в детандер, где толкает поршень, совершая при этом механическую работу. В результате расширения в условиях отсутствия теплообмена с окружающей средой происходит уменьшение внутренней энергии газа, и его температура падает. После охлаждения газ поступает в холодильную камеру. Отнимая тепло у охлаждаемого тела, газ нагревается и возвращается в компрессор, чтобы снова пройти весь цикл. Наиболее уязвимым местом этого охлаждающего устройства является собственно детандер. Перемещающийся в цилиндре поршень требует смазки. Между тем смазочный материал, не твердеющий при очень низкой температуре, подобрать трудно. Не менее сложная проблема создать уплотнение между цилиндром и поршнем, необходимое для предотвращения утечки газа. К тому же детандерный способ охлаждения действует тем хуже, чем ниже температура. Может быть, можно обойтись без поршня и других движущихся частей? И Дьюар вспоминает об интересном явлении, обнаруженном еще в 1853 1854 годах английскими учеными Джеймсом Джоулем и Уильямом Томсоном и получившим название эффекта Джоуля-Томсона (дроссельного эффекта). Суть этого эффекта заключается в изменении температуры газа при прохождении через теплоизолированный дроссель, то есть суженное отверстие (пористую перегородку, вентиль), в направлении от большего давления к меньшему. Газ проходит через суженное отверстие стационарно: перед дросселем и после него давление должно оставаться постоянным. До дросселя оно такое, какое создается компрессором, например, десять атмосфер, а после дросселя оно может быть равно, например, одной атмосфере. Один и тот же газ может иметь при разных температурах и различных начальных давлениях разный по знаку эффект Джоуля-Томсона: положительный (газ охлаждается) или отрицательный (газ нагревается). Изменение знака эффекта Джоуля-Томсона называется инверсией. Для большинства газов при комнатной температуре эффект Джоуля-Томсона положителен в широком интервале давлений. Для водорода эффект Джоуля-Томсона в обычных условиях отрицательный. Однако при достаточно низких температурах наступает инверсия: эффект Джоуля-Томсона становится положительным (газ охлаждается). Забегая вперед, следует заметить, что способ дросселирования и усовершенствованный детандерный способ (к нему мы вернемся позже) являются основными для получения холода в современной технике. Не будем нарушать хронологию повествования. В начале 1896 года Дьюар публикует статью, где описывает эксперименты с газообразным водородом, осуществленные на его установке, основанной на использовании эффекта Джоуля-Томсона. Дьюар отмечал, что он не наблюдал никакого охлаждения водорода, когда поступавший в установку газ имел комнатную температуру. Впрочем, ничего другого он не ожидал. Однако газ, предварительно охлажденный жидким воздухом, поддавался дальнейшему охлаждению. Правда, никаких признаков его сжижения не наблюдалось. Чтобы показать, насколько низка была температура газообразного водорода, Дьюар направлял струю газа из сопла на жидкий кислород. Газ замерзал, превращаясь в твердое вещество светло-голубого цвета. По оценке Дьюара температура струи была на 20 30 градусов выше абсолютного нуля. Теперь он был уверен, что сжижение водорода вполне осуществимо. Наконец Дьюар добивается успеха. 10 мая 1898 года он получает 20 кубических сантиметров жидкого водорода, который спокойно кипел в вакуумном сосуде. А еще через год он одерживает свою последнюю победу переводит водород в твердое состояние. Вот как это произошло. Первые попытки Дьюара получить водород в твердой фазе путем откачки паров из сосуда с жидким водородом потерпели неудачу. Оказалось, что скрытая теплота испарения водорода еще меньшая, чем это предполагалось раньше. Поэтому приток тепла в криостат извне был достаточно велик, чтобы полностью компенсировать то понижение температуры, которое можно получить, испаряя жидкость. Тогда Дьюар поместил сосуд с жидким водородом в другой сосуд, наполненный жидким воздухом. Внешний сосуд служил как бы экраном, препятствующим притоку тепла извне в центральную часть криостата. Когда давление паров над поверхностью жидкого водорода упало до пяти миллиметров ртутного столба, в жидкости появилось некоторое подобие пены, которая при дальнейшей откачке превратилась в прозрачную твердую массу. Представьте себя в роли участника марафонского бега, который, опередив всех своих соперников, первым пересекает линию финиша. Вы ликуете, но тут подбегает судья и заявляет, что линия финиша перенесена и вам предстоит продолжать утомительный бег. Примерно в таком положении и очутился Дьюар. Получив жидкий водород, он не сомневался, что сделал последний решающий шаг на пути к абсолютному нулю. Но его собственные последующие эксперименты показали, что он ошибся. Водород не был газом, имеющим минимальную температуру кипения (по современным данным температура кипения жидкого водорода 20,4К). Предстоял следующий этап исследования сжижение гелия. Гелий принадлежит к так называемым инертным газам. На Земле его содержится очень мало. Впервые он был обнаружен на Солнце (откуда и его название: по-гречески Гелиос солнце) в 1868 году при спектральном исследовании солнечной короны. Лишь в 1895 году английскому химику У. Рамзаю удалось обнаружить гелий на Земле, выделив его из минерала клевеита. В дальнейшем выяснилось, что и некоторые другие минералы, и природные газы содержат в небольших количествах гелий. Солнечный газ был обнаружен также в земной атмосфере, но в мизерной концентрации менее 0,001%. Эксперименты показали, что открытое вещество гелий остается газообразным даже при таких низких температурах, которые соответствуют твердому состоянию водорода. Предварительные оценки, сделанные в то время различными исследователями, показали, что температура кипения гелия лежит между 2К и 6К (по современным данным температура кипения гелия, при нормальном атмосферном давлении, 4,2К). В 1892-1894 годах в лаборатории Яглонского каскадная установка для кислорода, азота и воздуха. Она была настолько совершенна и имела такую производительность, что смогла удовлетворять потребности Лейденской лаборатории на протяжении более тридцати лет. Кемерлинг-Оннес Водород в ощутимых количествах Кемерлинг-Оннес сжижает лишь в 1906 году, спустя восемь лет после Дьюара. Однако Лейденская установка была значительно более надежной и производительной она выдавала до четырех литров жидкого воздуха в час. По сравнению с ней аппараты Дьюара и Ольшевского выглядели детскими игрушками. Теперь Оннес мог создавать без перебоев огромные количества жидкого воздуха и жидкого водорода. Оннес сумел получить и необходимое количество чистого гелия, что само по себе было немалым достижением: запасы этого редкого газа на земном шаре в то время оставались весьма и весьма ограниченными. Наконец час решающего эксперимента пробил. Небольшой голландский город Лейден славен своими научными традициями. Недаром его именем назван один из первых физических приборов лейденская банка, прототип современного конденсатора. Однако мало кто из лейденских жителей мог предполагать, что в этот день 10 июля 1908 года в старинных стенах Лейденского университета происходит событие важного научного значения. Накануне были заготовлены необходимые для начала эксперимента 75 литров жидкого воздуха. 5 часов 45 минут утра. Установка настроена на сжижение водорода. 13 часов 30 минут. Завершено сжижение 20 литров водорода, необходимых для использования в гелиевом ожижителе. 16 часов 30 минут. Начинается циркуляция жидкого гелия. Эти короткие, словно строки боевого рапорта, записи в лабораторном журнале отнюдь не отражают подлинную картину волнующих событий, предшествующих покорению последней крепости на пути к абсолютному нулю. При предварительном охлаждении аппаратуры с помощью жидкого водорода требовалась исключительная осторожность. Случайное проникновение в систему ничтожного количества атмосферного воздуха при осуществлении одной из многочисленных операций поставило бы заключительный эксперимент под угрозу срыва. Войдя в контакт с жидким водородом; воздух мог бы отвердеть и примерзнуть к стеклу гелиевого сосуда, что помешало бы дальнейшему наблюдению. Но этого не случилось. Тщательно отлаженная аппаратура работала безукоризненно. Во внутреннем криостате ожижителя в качестве индикатора был помещен особый термометр, показывающий, насколько успешно проходит эксперимент. В течение длительного времени индикатор почти не смещался, и создавалось впечатление, что нет даже малейшего признака охлаждения. Проводились всевозможные манипуляции с регулированием расширительного клапана и корректировкой давления, пока, наконец, не было замечено постепенное снижение температуры. Казалось, что температура центрального сосуда падает медленно и скачкообразно, а затем снижение температуры и вовсе прекратилось. И хотя уже был израсходован весь имеющийся в наличии жидкий водород, никакого признака сжижения гелия не наблюдалось. Трудно описать уныние, охватившее всех участников эксперимента. Похоже, было на то, что попытка сжижения гелия потерпела крах. Между тем университет весь день жил слухами, что идет выдающийся эксперимент, и коллеги Оннеса устремились в его лабораторию, чтобы собственными глазами увидеть, как обстоит дело. Когда стало казаться, что эксперимент обречен на неудачу, один из профессоров университета высказал догадку, что отсутствие отклонения индикатора объясняется тем, что он погружен в кипящую жидкость. Может быть, гелий все-таки сжижен, но его просто не видно? спросил он. К счастью, одному из участников эксперимента пришла в голову мысль осветить сосуд снизу. И вдруг неожиданно появился уровень жидкости, теперь ясно различимый благодаря отражению света снизу. Центральный сосуд был почти полностью заполнен жидким гелием. Последняя крепость на пути к абсолютному нулю была взята. В первом эксперименте было получено более 60 кубических сантиметров жидкого гелия. Перед завершением опыта Оннес сделал попытку получить гелий в твердом состоянии, осуществляя дальнейшее понижение температуры путем уменьшения давления в объеме, где кипела жидкость. С этой целью он испарял жидкость до тех пор, пока ее осталось лишь 10 кубических сантиметров. Затем подсоединил криостат к сильному вакуумному насосу, понижающему давление над кипящей жидкостью до одной сотой атмосферного. И... никаких признаков затвердения гелия! В следующем, 1909 году Оннес вернулся к попытке получить твердый гелий. Ему удалось снизить давление пара над жидкостью до двух миллиметров ртутного столба, что соответствовало 1,38К. Затем, используя более мощные вакуумные насосы, он довел давление до 0,2 миллиметра ртутного столба, снизив температуру жидкого гелия до 1,04К. Еще через несколько лет, используя батарею из двенадцати новых диффузионных насосов, он довел температуру до 0,83К. Увы, гелий не хотел переходить в твердое состояние даже при таких температурах! Оннесу не суждено было дожить до того момента, когда эта загадка была окончательно объяснена. Но интерес Оннеса и его школы к проблеме достижения очень низких температур несколько ослаб после того, как в 1911 году в исследовательской работе Лейденской лаборатории появилось существенно новое направление. Имея в своем арсенале новую область температур, так называемые гелиевые температуры, Камерлинг-Оннес приступил к исследованию свойств веществ в температурном интервале от нескольких Кельвинов до абсолютного нуля. Измерение, которое можно было сравнительно легко провести при столь низких температурах, заключалось в определении электрического сопротивления провода. Вопрос о величине электрического сопротивления чистых металлов при низких температурах к тому времени приобрел большое значение. Немецкий физик Вальтер Нернст высказал предположение, что при понижении температуры электрическое сопротивление чистого металла должно постепенно уменыпаться, совсем исчезая при абсолютном нуле. Этим же вопросом занимался Дьюар, проводивший измерения при температуре жидкого азота. Он обнаружил, что сопротивление платины при понижении температуры падает с меньшей скоростью, чем предполагалось. Считалось, что этот результат подтверждает другую теорию, согласно которой носители заряда при абсолютном нуле должны быть прочно связанны с атомами. Следовательно, электрическое сопротивление при самых низких температурах должно быть бесконечно большим. Итак, существовали две взаимно противоположные точки зрения. Чему же, в конце концов, должно быть равно электрическое сопротивление при абсолютном нуле: нулю или бесконечности? При таких обстоятельствах к попыткам решить эту проблему подключился Камерлинг-Оннес. Оннес начал эксперименты с той стадии, на которой их окончил Дьюар: он приступил к определению сопротивления платины уже при гелиевых температурах. Результаты сначала были мало обнадеживающими: они не подтверждали и не опровергали никакую теорию. Электрическо
Комментариев нет:
Отправить комментарий