К столетию открытия сверхпроводимости

Хейке Камерлинг-Оннес. Биографичеcкий очерк

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. Некоторые ученые сомневались, что это вообще достижимо. «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.

Хайке Камерлинг Оннес (крайний справа)
демонстрирует свой ожижитель гелия трем физикам-теоретикам:
Нильсу Бору, Хендрику Лоренцу, Полю Эренфесту.

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».

В 1922 году Камерлинг-Оннес увидел, что сжиженный им гелий ведет себя совершенно удивительным образом. Налитый в пробирку, он в ней не удерживается, а вытекает через край, поднимаясь по стенкам, и каплями падает с ее нижнего конца. Если же эту пробирку опустить в ванну с гелием, жидкость станет перетекать до тех пор, пока уровни в пробирке и ванне не сравняются. Этот феномен нашел объяснение только спустя полтора десятка лет, когда П.Л.Капица открыл явление сверхтекучести (Нобелевская премия 1978 года). Именно сверхтекучестью объясняется "эффект Камерлинг-Оннеса": за счет нее гелий-II образует на стенках сосудов пленку толщиной около 3•10^-6 см (примерно 1000 атомных слоев) и перетекает по ней.

Следующая страница: Сверхпроводимость