Вниз по лестнице температур

Вниз по лестнице температур

Открытие сверхпроводимости было бы невозможным без дости-жения очень низких температур. Путь к таким температурам начи-нался с попыток превратить газ в жидкость.

Первые шаги были сделаны в конце XVII века. Английский физик Роберт Бойль в 1662 году и француз Эдм Мариотт в 1676 году неза-висимо друг от друга установили первый газовый закон: при посто-янной температуре объем воздуха в закрытом сосуде обратно про-порционален давлению, производимому им на стенки сосуда.

Зависимость одной характеристики состояния вещества от другой при постоянной температуре называется изотермой. Изотермы, най-денные Бойлем и Мариоттом, похожи на гиперболы. На графике видно несколько гипербол: каждая из них соответствует своей тем-пературе, причем та гипербола, которая получена при более высо-кой температуре, располагается выше. Это наблюдение выражается вторым газовым законом, который установил французский ученый Шарль в 1787 году: объем газа при постоянном давлении пропор-ционален его температуре.

После Шарля расширение газов изучали также и другие ученые, такие как Джон Дальтон, Жозеф Гей-Люссак.

В середине прошлого века французский физик Клапейрон объе-динил все найденные газовые законы в единый, согласно которому объем V, давление р и температура Т газа связаны простым соотно-шением pV = RT (R - газовая постоянная, равная примерно 8,3 Дж/К.моль). Этот закон является общим для всех газов.

Двинемся по шкале температур, используя второй газовый закон. Если при снижении температуры на 1оС объем газа уменьшается на 1/273 часть, то примерно при -273оС объем газа должен упасть до ну-ля, весь газ должен стянуться в точку. Иными словами, должно су-ществовать такое предельное значение температуры, ниже которого само это понятие теряет смысл.

Такое значение температуры английский физик Уильям Томпсон предложил называть абсолютным нулем. Температура Т в законе Клапейрона отсчитывается от этой предельной температуры.

В конце XVII века голландский ученый Маурициус Ван Марум решил выяснить справедлив ли закон Бойля-Мариотта для всех из-вестных к тому времени газов. Среди выбранных им для исследова-ния веществ был аммиак. Ван Марум проводил свои опыты при комнатной температуре, постепенно сжимая газ. Вначале аммиак вел себя так, как предсказывал закон. Но затем произошло неожи-данное: при давлении примерно 700 килопаскалей, объем газа резко уменьшился и газ превратился в жидкость.

Физики последовали по пути Ван Марума и смогли сжижить при комнатной температуре еще несколько газов. И все же целый ряд га-зов, и среди них воздух, кислород, азот и водород, не удавалось пре-вратить в жидкость. Эти газы стали называть "постоянными". Для сжижения постоянных газов требовались не только высокие давле-ния, но и низкие температуры. Одним из первых это понял Майкл Фарадей. В 1823 году Фарадей по поручению английского химика Хамфри Дэви, у которого он тогда работал лаборантом, изучал теп-ловое разложение химического соединения хлора. Вещество нагре-валось в Г-образной герметически запаянной стеклянной трубке. Колено трубки, куда было помещено вещество, нагревалось пламе-нем спиртовки, второе колено находилось при комнатной темпера-туре. Фарадей обнаружил, что на стенках холодного конца трубки появился какой-то маслянистый желтый налет. После опыта Фара-дей долго думал, что это такое и понял, что это мелкие капельки сжиженного хлора. Три года спустя Фарадей вернулся к своему опыту, но теперь дальнее колено он поместил в охлаждающую смесь. Он получил не отдельные капельки, а целы столбик жидкого хлора. Так удалось перевести в жидкое состояние еще несколько га-зов, но "постоянные" газы устояли и на этот раз.

Опыты продолжались было обнаружено критическое состояние, т.е. состояние при котором нельзя понять, что находится в сосуде жидкость или пар. В середине XVIII века шотландский ученый То-мас Эндрюс начал исследования критического состояния. Он рабо-тал с окисью азота, хлористым водородом, аммиаком, сероводоро-дом, но основною часть опытов провел с двуокисью углерода. Все эти вещества обнаружили сходное поведение.

Изотермы, полученные Эндрюсом, отличались от изотерм иде-ального газа. На гиперболах появились прямые участки. Слева от этих участков вещество находиться в жидком состоянии, справа - в виде пара. На самих прямых участках кривой пар и жидкость находятся в равновесии друг с другом, здесь вещество пребывает одновременно в двух агрегатных состояниях.

Если температура газа намного превышает критическую, то на диаграмме Эндрюса изотермы представляют собой почти идеальные гиперболы. По мере приближения ее к критической температуре изотермы начинают все более отклоняться от гипербол, и эти откло-нения говорят о все большем отличии состояния вещества от иде-ального газа, все большей близости его к превращению в жидкость.

В 1877 году французский горный инженер Кайте предпринял по-пытку сжижить "постоянный" газ. Кайте смог получить жидкий ки-слород путем резкого охлаждения газа при быстром его расшире-нии, выпуске в атмосферу. Но в жидком состоянии кислород нахо-дился не долго.

В 1883 году польским физикам Зыгмунту Вроблевскому и Каро-лю Олбшевскому удалось получить жидкий кислород в устойчивом состоянии. Для охлаждения кислорода они использовали жидкий этилен, который кипел при давлении в три раза меньшем атмосфер-ного и температуре 143 К. Критическая температура кислорода рав-на 155К, а критическое давление 5 МПа, так что при температуре этилена 143К для сжижения кислорода его уже почти не надо было расширять. Но без этилена кислород опять превращался в газ.

После сжижения кислорода следующими были водород и азот. В 1891 году был открыт новый газ -гелий. Сжижить гелий после не-скольких неудачных попыток других ученых попытался голланд-ский физик Хейк Камерлинг-Оннес. Он начал с определения крити-ческой температуры гелия. 10 июля 1908 года начался эксперимент. Сначала нужно было сжижить водород, который затем должен был предварительно охлаждать гелий. Затем началась циркуляция охла-жденного гелия в его ожижителе. Температура гелия начала пони-жаться. Жидкий гелий удалось получить.

Открытие и исследование сверхпроводимости

Онесс решил провести измерения электрического сопротивления металлов при гелиевых температурах. Он изготовил проволочки из нескольких образцов платины. Все проволочки были одинаковой длины и сечения, но при измерении в кипящем гелии имели разные значения сопротивлений. Оказалось, что в проволочках было разное количество примесей, и чем больше было примесей, тем более вы-соким было сопротивление. Онесс решил продолжить свои опыты на более чистом металле. Он испытывал золото. Но даже при макси-мально чистом золоте обнаруживалось хоть и малое, но все же за-метное остаточное сопротивление.

R, Ом

0,13

0,125

0,10

Hg

0,075

0,05

0,025

10-5

0 4000 4010 4020 4030 4040 Т, К

Онесс взял ртуть чрезвычайно высокой степени частоты, сопро-тивление которой при температуре 4,2К было очень малым, а при дальнейшем понижении температуры таким, что его вообще нельзя было определить приборами, имевшимися в лаборатории. Но оказа-лось, что сопротивление ртути при температурах около 4,2К умень-шалось не плавно, а скачком падало до неизмеримо малой величи-ны. Выяснилось, что такое же внезапное исчезновение сопротивле-ния испытывают еще два металла: олово и свинец.

Исследование сверхпроводимости продолжалось. сопротивление проводника в узком интервале температур падает до неизмеримо малого значения. Но возник вопрос: не падает ли сопротивление до нуля? Если сопротивление остается конечным, можно предполо-жить, что налицо просто некий особый случай обычного проводни-ка с удивительно малым сопротивлением. Если же оно падает до ну-ля - при температуре хотя и очень низкой, но все же отличающейся от абсолютного нуля, - то электропроводность, равная обратной ве-личине сопротивления, становится бесконечно большой: именно та-кой смысл вложил Онесс в понятие сверхпроводимости.

Ответ на этот вопрос Онесс получил в 1914 году. Сопротивление, равное нулю означает, что электрический ток, однажды созданный в замкнутом проводнике, будет в нем циркулировать вечно, даже если проводник отсоединить от источника напряжения. Источник будет не нужен: электроны при движении в проводнике уже не рассеива-ют свою энергию в тепло и нет необходимости восполнять ее поте-ри.

Онесс изготовил маленький соленоид - катушку из свинцового провода - и соединил его с электрической батареей с помощью двух ключей - внешнего и внутреннего. Катушку он погрузил в криостат с жидким гелием. Идущий по ней ток создавал магнитное поле, ко-торое существовало и в пространстве вне криостата. Чтобы обнару-жить это поле, Онесс взял маленький постоянный магнит, игравший ту же роль, что и компасная стрелка.

В начале опыта внешний ключ был замкнут, а внутренний - ра-зомкнут, и по катушке шел ток. Затем внутренний ключ замыкался, а внешний размыкался, так что теперь катушка была замкнута сама на себя, отсоединена от батареи. Стрелка компаса в этот момент не изменила своего положения. Это означало, что по проводнику про-должает идти ток.

Теперь оставалось ждать. В обычных проводниках из-за сопро-тивления ток исчезает практически мгновенно после отключения источника напряжения. Через несколько часов весь