Айзек Азимов - Вид с высоты
Крайняя инертность гелия была обнаружена в точке его сжижения, то есть температуре, при которой он может быть превращен в жидкость.
* * *
Когда близлежащие атомы (или молекулы) вещества сильно притягиваются друг к другу, образуется цельный кусок и мы имеем твердое тело. При нагревании оно может превратиться в жидкость или даже в газ. Переход в эти состояния совершается при таких температурах, когда тепловая энергия преодолевает силы притяжения между атомами или молекулами. Чем слабее силы притяжения, тем ниже температура, при которой происходит испарение вещества.
Если взаимодействие между атомами или молекулами достаточно слабое, то для испарения вещества требуется так мало тепла, что оно остается газообразным и при обычных условиях, а иногда даже при очень низких температурах.
Силы притяжения особенно слабы в тех случаях, когда электроны на внешней оболочке образуют устойчивую восьмиэлектронную конфигурацию. Молекула азота состоит из двух атомов азота, которые располагаются так, что каждый обладает частью из восьми электронов внешней оболочки. Сказанное верно и для других простых молекул, например хлора, кислорода, окиси углерода, водорода и прочих. Поэтому все эти газы сжижаются только при очень низких температурах.
Мало-помалу химики усовершенствовали способы достижения низких температур и научились сжижать один газ за другим. Нижеприведенная таблица иллюстрирует, как постепенно удавалось добиться все более низких температур. Точки сжижения даны в градусах по Кельвину, иначе говоря, они выражены числом градусов по Цельсию с началом отсчета от абсолютного нуля.
И вот в течение 70–80-х годов прошлого столетия, когда велась напряженная работа по получению низких температур, стало совершенно очевидно, что водород окажется самым твердым орешком. Вообще, температура сжижения падает вместе с плотностью, а водород в то время считался наименее плотным из всех известных газов и должен был иметь самую низкую температуру сжижения. Поэтому, когда впоследствии все же удалось получить жидкий водород, казалось бы, пала последняя крепость.
Однако всего за несколько лет до «покорения» водорода это достижение потеряло свое значение, потому что уже были открыты инертные газы. Атомы инертных газов, электронные оболочки которых укомплектованы, испытывают столь слабое притяжение друг к другу, что их температура сжижения значительно ниже, чем у других газов такой же плотности. Это видно из следующей таблицы, в которой даны все инертные газы, кроме гелия:
Итак, радон, ксенон и криптон, которые плотнее хлора, сжижаются при более низкой температуре. По сравнению с этиленом аргон более плотный газ, а сжижается он при значительно более низкой температуре, но неон, который в десять раз плотнее водорода, сжижается почти при такой же низкой температуре, как и этот самый легкий из газов.
Последний инертный газ, гелий, который только в два раза плотнее водорода, должен по логике вещей сжижаться гораздо труднее. Так оказалось и на самом деле. При температуре жидкого водорода гелий упорно остается в газообразном состоянии. Даже когда температура падает до точки затвердевания водорода (13° по Кельвину), гелий остается газом.
Гелий был сжижен лишь в 1908 году. Это удалось сделать голландскому физику Хейке Каммерлинг-Оннесу. Гелий переходит в жидкое состояние при 4,2° по Кельвину. Каммерлинг-Оннесу удалось охладить гелий до 1° по Кельвину путем испарения жидкого гелия в условиях полной тепловой изоляции.
Но даже при этой температуре не было никаких признаков, что гелий переходит в твердое состояние. И действительно, теперь установлено, что при обычных давлениях гелий не переходит в твердое состояние даже при абсолютном нуле, когда затвердевают все известные вещества. Гелий (странный элемент!) остается жидким. И это вполне объяснимо. Хотя обычно утверждают, что при абсолютном нуле прекращается всякое движение атомов и молекул, квантовая механика показывает, что очень небольшое остаточное движение все-таки есть. Этой малой энергии достаточно, чтобы гелий оставался в жидком состоянии. Но при температуре 1° по Кельвину и давлении около 25 атмосфер гелий становится твердым.
* * *
Жидкий гелий может проявлять и более любопытные свойства, чем просто устойчивость к низкой температуре; при охлаждении до температуры ниже 2,2° по Кельвину свойства его неожиданно меняются. Во-первых, гелий внезапно становится почти отличным проводником тепла. В любой обычной жидкости в пределах нескольких градусов от температуры кипения всегда существуют более горячие участки, где тепло аккумулируется быстрее, чем отводится. Появляются пузырьки пара, и начинается знакомое нам «волнение», которое мы связываем с кипением.
Гелий, имеющий температуру выше 2,2° по Кельвину (гелий-I), ведет себя точно так же. Однако гелий, охлажденный до температуры ниже 2,2° по Кельвину (гелий-II), испаряется без каких-либо волнений; слои атомов срываются прямо с поверхности. Теплопроводность этой жидкости (гелий-II) настолько высока, что ни одна ее часть не может быть значительно теплее другой и пузырьки не появляются вовсе.
Еще одна особенность: гелий-II практически не вязок. Он течет лучше, чем газ, и проходит сквозь такие отверстия, через которые газ не может проникнуть. Если его заключить в открытый сосуд, то он сперва покроет тонким слоем его внутренние стенки, как бы поползет по ним вверх, затем перельется через край и стечет по внешней стенке с такой скоростью, как будто он льется через отверстие в дне этого сосуда. Это явление называется сверхтекучестью.
При охлаждении до температуры жидкого гелия необычные свойства проявляются и у других элементов. В 1911 году Каммерлинг-Оннес определял электрическое сопротивление ртути при температуре жидкого гелия. Сопротивление падало вместе с температурой, и Каммерлинг-Оннес, хотя и предполагал, что оно упадет до невиданно низкого уровня, все же не ожидал его полного исчезновения. Однако это произошло. При температуре 4,12° по Кельвину электрическое сопротивление у ртути полностью исчезло. Это явление называется сверхпроводимостью.
Не только ртуть, но и другие металлы можно сделать сверхпроводниками. Есть несколько веществ, которые могут стать сверхпроводниками при температуре жидкого водорода. Некоторые сплавы ниобия становятся сверхпроводимыми уже при температуре 18° по Кельвину.
Сверхпроводимость влечет за собой появление нового качества, связанного с магнитным полем. Некоторые вещества диамагнитны, то есть они, по-видимому, отталкивают магнитные силовые линии. Через такие вещества проходит меньше силовых линий, чем через вакуум равного объема. А вещества, обладающие сверхпроводимостью, к тому же и совершенно диамагнитны; силовые линии через них вообще не проходят.
Однако, если создать достаточно сильное магнитное поле, некоторые силовые линии в конце концов смогут проникнуть в диамагнитное вещество, и тогда стоит нарушить одно необычное свойство, как все прочие идеальные свойства, включая сверхпроводимость, также меняются. (Странно говорить о совершенстве в природе. Обычно совершенство — это мечта теоретика: идеальный газ, идеальный вакуум и так далее. И только при температуре жидкого гелия в реальном мире, по-видимому, появляется подлинное совершенство.)
* * *
На явлении сверхпроводимости основано изобретение маленького устройства, которое действует как выключатель. В простейшем виде оно состоит из тонкой танталовой проволочки, намотанной на проволоку из ниобия. Если опустить это устройство в жидкий гелий, то ниобиевая проволока приобретает свойство сверхпроводимости, что позволяет пропускать по ней очень слабый электрический ток. Однако это свойство сохраняется только до тех пор, пока тока нет в танталовой обмотке. В противном случае создается магнитное поле, которое нарушает сверхпроводимость, и ток перестает течь по ниобиевой проволоке.
Если такой «криотрон» соответствующим образом отрегулировать, то его можно применять вместо электронных ламп или транзисторов. Крошечные приборы, состоящие из хитро сплетенных проволочек, смогут заменить большое число транзисторов и громоздких электронных ламп. Сложнейшая вычислительная машина будущего, вполне вероятно, будет величиной с письменный стол или даже меньше, если только ее полностью «криотронизируют».
Единственный недостаток такой машины заключается в том, что она может работать, только если ее целиком погрузить в жидкий гелий. Жидкий гелий будет при этом непрерывно испаряться, и каждая вычислительная машина станет в этих условиях причиной постоянного уменьшения запасов земного гелия.
