Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Ожижение гелия Г.Камерлинг-Оннесом

Был разработан наконец и проект гелиевого ожижителя. Он должен был представлять собой большую комплексную систему каскадного типа, основанную на последовательном включении ступеней, каждая из которых была задумана как цикл Линде на соответствующем рабочем теле, так как это было сделано в более простом варианте Дьюаром для водорода (см. рис. 4.8). В установке было шесть ступеней – хлорметиловая, этиленовая, кислородная, азотная, водородная и, наконец, гелиевая.

Гелий после охлаждения водородом и регенеративного теплообменника должен был дросселироваться и ожижаться, накапливаясь в стеклянном сосуде Дьюара. Неожижившаяся часть гелия возвращалась противотоком в регенеративный теплообменник, охлаждая гелий, идущий к дросселю. Пока в мастерских под руководством помощников Камерлинг-Оннеса изготавливался ожижитель, были приняты меры для получения чистого гелия в нужном количестве. В то время это был экзотический продукт, добываемый из монацитового песка. В этом помог брат Камерлинга-Оннеса, возглавлявший «Контору промышленной информации» в Амстердаме, которая знала почти все о том, где что делается и как эта приобрести.

Наконец, нужно было организовать еще два дела: во-первых провести эксперименты, позволяющие рассчитать критическую температуру гелия (она оказалась около 5K, как и предсказывал Дьюар), и, во-вторых, обеспечить надежную очистку водорода и гелия, чтобы избежать забивки трубок теплообменника вымерзающими примесями.

Все было предусмотрено, ожижительная установка готова и испытана. «Боеприпасы» – 75 л жидкого воздуха, затем 20 л жидкого водорода были приготовлены. Было проведено предварительное охлаждение установки, и в 16 ч 20 мин 10 июля 1908 г. в нее был запущен гелий. Долгое время никаких признаков появления жидкого гелия не было видно, и все собравшиеся вокруг установки почти потеряли надежду на успех. Однако, когда догадались снизу осветить сосуд Дьюара, служивший отделителем, стало видно, что он почти доверху заполнен жидкостью. Это и был жидкий гелий! Историческое событие произошло в 18 ч 30 мин. Было получено 60 см3 жидкого гелия.

Г. Камерлинг-Оннес тут же сделал попытку добиться и затвердевания гелия классическим путем – откачкой. Были пущены в ход вакуумные насосы, посредством которых давление пара над гелием было снижено до 0,001 МПа. Однако цель достигнута не была – никаких признаков затвердевания гелий не показал. В 22 ч установка была выключена, и исторический эксперимент, потребовавший от всех, кто его готовил и проводил, как писал его руководитель, «максимально возможного длительного нахождения в предельно напряженном состоянии», успешно закончился.

Историческим этот эксперимент стал не только (и не столько) потому, что был ожижен последний «самый холодный» газ и достигнута рекордно низкая температура (как было установлено позже, около 1K). Главное (что выяснилось уже в дальнейшем) состояло в том, что открывшаяся в результате работ Камерлинг-Оннеса область температур вела к открытию совершенно новых и непредвиденных явлений, которые нельзя было объяснить с помощью физики того времени. Одно за другим посыпались всякие «чудеса».

Гелий не переходит в твердое состояние ни при каком понижении температуры, но теряет вязкость и становится «сверхтекучим». Еще позже были открыты связанные со сверхтекучестью и совсем, казалось бы, невероятные вещи, такие, как непрерывное вытекание жидкого гелия из сосуда, в который ничего не втекает, перетекание его через перегородку из части сосуда, где его уровень ниже, в другую, где его уровень выше, и еще многое, не менее необъяснимое. Все это сделали его ученики и последователи как в Голландии, так и во многих других странах.

Начало исследованию необычайных свойств жидкого гелия положил еще сам Камерлинг-Оннес. Но самое главное, сделанное в 1911 г. его открытие, путь к которому проложило ожижение гелия, - сверхпроводимость. Он обнаружил, что некоторые металлы при понижении температуры полностью «скачком» теряют электрическое сопротивление и становятся, как назвал их Камерлинг-Оннес, «сверхпроводниками».

Сверхпроводимость, так же как и необычные свойства жидкого гелия, «задала работу» целой плеяде физиков-теоретиков и экспериментаторов, а затем и инженерам. Он понимал, что теоретический анализ новой области, дверь в которую он открыл, займет много времени и потребует совсем новых идей. Результаты этой работы вошли важной составной частью как в новую физику, так и в технику и технологию ХХ в.

В последние годы жизни Камерлинг-Оннес продолжал научные исследования в области низких температур (в 1913 г, открытие сверхпроводимости было отмечено Нобелевской премией по физике). В эти же годы он много сделал для международного научного сотрудничества. Он был одним из организаторов Международного института холода, деятельность которого успешно продолжается до сих пор. До самой смерти (1923 г.) он продолжал оставаться старейшиной криогенщиков всего мира.

Подробное описание и анализ физических явлений, связанных с ультранизкими температурами, не входит в нашу задачу. [Им посвящено большое число научно-популярных изданий, краткий список которых приведен в конце книги.] Далее мы все же вернемся к некоторым явлениям, проходящим при этих температурах, но будем рассматривать их не столько с точки зрения физики, сколько в связи с их инженерным использованием.

Следующая страница: Хронология криогеники