Гелий самая холодная жидкость

ГЕЛИЙ САМАЯ ХОЛОДНАЯ ЖИДКОСТЬ

Как и все вещества, гелий может пребывать в жидком, твердом и газообразном состояниях. Но газообразный гелий (а именно он и встречается на Земле) интересен не только своими физическими свойствами (точнее, не столько ими), но и особенностями своего распространения и происхождения. С точки зрения физики и химии гелий — обычный газ, одноатомный, прозрачный, он почти невидим в сосудах, химически инертный. Жидкий же гелий открыл новую главу физики.
 
Долгое время жидкий гелий не удавалось получить. Сжижение газов основывалось на явлении Джоуля — Томпсона (если газ, находящийся под давлением, резко расширить, то его температура падает). И было замечено, что температура сжижения газов уменьшается с его плотностью, т. е; чем легче газ, тем ниже должна быть температура его превращения в жидкость. Поэтому ожидали, что самую низкую температуру сжижения должен иметь водород. И действительно, водород удалось перевести в жидкое состояние при очень низкой температуре — минус 253 °С. Но гелий при этих же условиях оставался газом. Более того, при температуре около минус 259 °С водород затвердевал, а гелий по-прежнему оставался газообразным.
 
В 1908 году голландскому ученому X. Камерлинг-Оннесу все же удалось перевести «упрямый» гелий в жидкое состояние, но температура кипения его была гораздо ниже, чем у водорода (минус 269 °С). Она отстояла от абсолютного нуля всего на 4,2 градуса. Но вот заморозить гелий при его дальнейшем охлаждении никак не удавалось. При всех температурах, какие только можно было получить в лабораторных условиях, гелий продолжал оставаться жидким.
 
В конце 20-х годов эту задачу решил другой голландский физик В. Кеезом, который, подвергнув жидкий гелий давлению до 100 кгс/см²и охладив его кипящим гелием, получил первые кристаллы твердого гелия. Твердый гелий не особенно удивил физиков, если не считать трудностей, связанных с его получением. Конечно, эти бесцветные прозрачные кристаллы гексагональной формы нельзя было взять в руки: гелий мгновенно испарялся. Пожалуй, самым привлекательным для физиков было то, что гелий в твердом состоянии представлял собой идеальное кристаллическое вещество, практически лишенное примесей.
 
Зато жидкий гелий вел себя поистине удивительно. До температуры примерно минус 271 °С это была ординарная жидкость, мало чем отличающаяся от других. Это состояние гелия назвали гелий I. Гелий I бурно кипел, выделяя невероятно холодные пузырьки газа, без специальной изоляции он немедленно испарился бы. Ниже минус 271 °С свойства гелия, который получил название гелия II, волшебно менялись. Кипение прекращалось, поверхность жидкости казалась ровной и застывшей. Необычно высокая теплопроводность гелия II не позволяла проявляться классическому эффекту вскипания.
 
Кроме того, оказалось, что гелий II совершенно лишен вязкости. Он способен проникать через любые, сколь угодно малые отверстия. В опытах академика П. Л. Капицы, открывшего в 1938 г. явление сверхтекучести гелия II, этот удивительный гелий в течение нескольких секунд вытекал через отверстие размером 0,00005 см. Гелию I для этого требовалось в сотни раз больше времени. Вязкость жидкого гелия была в 1000 раз меньше, чем у воды. Как связать эти свойства с обычными физическими представлениями?
Академик П. Л. Капица пишет: «Когда мы изучаем вещество при комнатной температуре, квантовая природа многих процессов не может обычно проявляться. Тепловое движение атомов как бы стушевывает те особенности в процессах, которые накладываются их квантовой природой, и они неощутимы… Только тогда они себя полностью проявляют, когда тепловое движение атомов достаточно мало».
Назовем еще одно удивительное, не имеющее аналогов свойство гелия II — ползти по стенкам сосуда при более высоких температурах. Налитый в сосуд гелий II способен перемещаться вверх по стенкам сосуда и переливаться через край без всяких внешних воздействий.
 
Сначала предполагали, что единственная сверхтекучая жидкость в природе — это гелий-4. Гелия-3 долгое время было слишком мало, чтобы предпринимать исследования такого рода. Но оказалось, что свойство сверхтекучести гелия II позволяет разделять изотопы гелия. При соответствующих температурах благодаря сверхтекучести гелий-4 может быть удален из сосуда, где он находится, в то время как гелий-3 останется в этом сосуде. Это поистине уникальное свойство жидкого гелия позволило получить гелий-3 высокой чистоты, в котором содержание тяжелого изотопа не превышало десятитысячных долей процента.
Гелий-3 тоже оказался сверхтекучим, но переход его в сверхтекучее состояние наступал при еще более низких, чем для гелия-4, температурах. Возможность перехода гелия-3 в сверхтекучее состояние была предсказана советским физиком Л. П. Питаевским в 1959 году, а спустя 13 лет это явление было обнаружено.
 
Жидкий гелий-3, как и гелий-4, оказалось невозможным перевести в твердое состояние при нормальном атмосферном давлении. Для получения твердого гелия-3 было необходимо высокое давление. Однако поведение гелия-3 при сверхнизких температурах тоже было необычным. Это явление было теоретически   исследовано  известным  советским   физиком И, Я. Помераичуком в 1950 году. При давлении, меньшем 29 кгс/см2, гелий-3 оставался жидким вплоть до абсолютного нуля. При более высоком давлении его можно было перевести в твердое состояние. Но, когда температура   гелия-3   становилась   меньше   минус 272,8°С, переход из жидкого состояния в твердое сопровождался не выделением тепла, как у «обычных» жидкостей, а его поглощением. Таким образом, если охладить гелий-3 до температуры, меньшей минус 272,8 °С, и начать его адиабатически сжимать, то по мере увеличения в жидкости доли твердого гелия температура жидкого гелия будет понижаться.
 
Свойства жидкого гелия очень интересны. Для их объяснения разработаны физические теории, учитывающие квантовую природу процессов, происходящих в жидком гелии. Но наиболее далеко идущие последствия, вытекающие из необычных свойств самой холодной в мире жидкости,— во-первых, открывшаяся возможность получения сверхнизких температур, а во-вторых, исследование поведения многих веществ при температуре жидкого гелия.
Статья на тему Гелий самая холодная жидкость