книги / Ниже 120 по Кельвину

регрузка и из-за этого снижается частота тока. Допол­ нительное количество пара немедленно поступает в тур­ бину, вращающую турбогенератор, мощность установки поднимается, частота восстанавливается до стандартно­ го уровня. Наибольшие надежды на получение дешево­ го водорода связываются с высокотемпературными ядерными реакторами. Нагретая в них вода разлагается на водород и кислород методом электролиза со значитель­ но меньшими затратами энергии.

А может быть, на высокотемпературных ядерных ус­ тановках будущего удастся эффективно осуществить ра­ диолиз: пусть летящие осколки деления ядер урана сра­ зу дробят молекулы воды? Любопытно: до недавнего времени специалисты по реакторам бились над обратной

задачей — как	подавить выделение водорода и кислоро­
да под влиянием излучения в водной среде вокруг ак­
тивной зоны,	чтобы	не образовывался взрывоопасный
гремучий газ?	Пока	в существующих атомных реакто­

рах кпд этого процесса около 6%. Физики стремятся его усовершенствовать.

Воображение футурологов уже рисует контуры водо­ родной энергетики. Сверхмощные атомные установки —

а в XXI	в. и термоядерные— будут расположены	так,
чтобы они не представляли никакой опасности для		лю­
дей: на	малообитаемых островах, пустынных участках

побережья, может быть, даже под толщей морей и оке­ анов. Они будут вырабатывать не электрический ток, а водород и кислород, которые по трубам будут поступать к потребителям. Транспортирование водорода в отли­ чие от транспортирования нефти совершенно безвредно для окружающей среды.

В настоящее время производство водорода в мире достигло 40 млн. т в год. Оно расширяется такими тем­ пами, что к 2000 г. может достигнуть 260 млн. т.

Приведем еще несколько примеров использования во­ дорода. Жидкий водород:

...содержится в пузырьковых камерах, с помощью ко­ торых можно обнаружить частицы высоких энергий. Эти камеры работают совместно с ускорителями. Водород — вернее, его ядра-протоны — является мишенью, с которой взаимодействуют исследуемые частицы. При пролете ча­ стиц в перегретой жидкости образуется след из мель­ чайших пузырьков газа, который можно сфотографиро­ вать. Если искривить путь частицы с помощью магнита —

111

часто используются сверхпроводящие магниты, то уда­ ется определить знак ее заряда, измерить импульс и энергию.

Пузырьковая камера может быть весьма сложным со­ оружением. Так, французская камера «Мирабель», уста­ новленная на ускорителе протонов в Протвине, содержит

11	м3 жидкого водорода, имеет массу 200 т, массу магни­
та	1150 т;	охлаждения ИК-прибо-
	...иногда используется для
ров;		тяжелой воды, нужной
	...это сырье для получения

для атомных станций. Метод низкотемпературной рек­ тификации жидкого водорода для извлечения дейтерия впервые осуществлен в Советском Союзе.

В следующей главе читателю предстоит спуститься на последнюю температурную ступеньку. Речь пойдет о жидком гелии. Применение жидкого гелия позволило создать «невозможные» приборы и машины.

Глава 5

Т=4,2 К

СОЛНЕЧНЫЙ ГАЗ

СОЛНЕЧНЫЙ ГАЗ. ХЕЙКЕ КАМЕРЛИНГ-ОННЕС. ЗАТЯНУВШИЙСЯ СТАРТ. НОВАЯ РЕВОЛЮЦИЯ В ФИЗИКЕ. ПОДОБНОЙ МАШИНЫ ЕЩЕ НЕ БЫЛО. «ЛЕТАЙТЕ НА КУРОРТЫ ПОЕЗДАМИ: ЭТО БЫСТРО, УДОБНО, ВЫГОДНО!» ТАКИЕ УНИКАЛЬНЫЕ СКВИДы. КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ. ЛЕВ ДАВИДОВИЧ ЛАНДАУ. ВБЛИЗИ АБСОЛЮТНОГО

НУЛЯ

19 августа 1868 г. француз Жюль Жансен, работая в Индии в экспедиции, изучавшей солнечное затмение, открыл -в спектре солнечной короны неизвестную яркожелтую линию нового элемента. 20 октября 1868 г. та­ кое же наблюдение независимо от французского коллеги провел английский астроном Джозеф Норман Локьер. Любопытно, что письма обоих ученых об открытии газа, названного Локьером гелиюсом — солнечным, пришли з Парижскую академию наук в один и тот же день. Ака­ демики, пораженные таким обстоятельством, постанови­ ли выбить медаль в честь этого события.

Через 13 лет гелий был открыт итальянским	ученым
Пальмиери и на земле, в вулканических газах.	Но это
сообщение почти никто всерьез не принял. Лишь		в

1895 г. английский физик и химик, в будущем лауреат Нобелевской премии Уильям Рамзай выделил гелий из радиоактивного минерала клевеита. (По некоторым данным, такой опыт четырьмя годами раньше выполнил

американец Хильдебранд.)	Гелий оказался	газом	без
цвета и запаха.
Позже гелий нашли в спектрах других звезд, в грун­
те Луны, в метеоритах. Оказалось, что в		ничтожных
количествах он есть повсюду на нашей планете: в			зем­
ной коре, в океане, в атмосфере, в нефти и		газе.	Вер­
В 1931 г. величайший	советский ученый	В. И.

надский выдвинул гипотезу о гелиевом дыхании Земли. Прошло несколько десятилетий. Масс-спектрографы —

3 Ф. Г. Патрунов

113

приборы, разделяющие по массам заряженные частицы, помещенные в магнитное и электрическое поля, были ус­ тановлены на искусственные спутники Земли. Измере­ ния в космосе обнаружили гелиевую корону Земли: за­ мечательный естествоиспытатель оказался прав.

По современным представлениям, в земной коре еще имеется «первозданный», первичный гелий, который за­

хвачен Землей при ее образовании. Солнечный газ		воз­
никает и при радиоактивном распаде	урана-238,	ура­
на-235, тория и других элементов. Газ	просачивается к
поверхности через глубокие разломы и	трещины в зем­

ной коре, через вулканы в океанах и на материках, а затем улетучивается в космос. Гелий как бы просвечи­ вает земные недра. Ежедневно планета теряет 20 т ге­ лия. Но кое-где гелий попадает в подземные ловушки, окруженные газонепроницаемыми породами. 'Гак в при­

родных газах образуется примесь гелия, тысячные		или
сотые доли процента, очень редко — десятые.		ищут
С помощью гелиевых течеискателей	геологи
разломы в земной коре, месторождения	полезных	иско­

паемых, в том числе нефти и газа. Гелиевая разведка необходима и при выборе мест для сооружения крупных плотин, атомных электростанций, газохранилищ и дру­ гих объектов. Атомы гелия легко диффундируют через различные материалы. Чтобы обеспечить надежную за­ щиту от утечки радиоактивных веществ, атомные реак­ торы проверяются с помощью течеискателей гелия — они обнаружат малейшую трещину.

Уже отмечался интересный факт: гелия мало на Зем­ ле, но очень много во Вселенной: 23% космической мас­ сы состоит из этого элемента. На Солнце в естествен­ ной термоядерной топке непрерывно идет синтез гелия, выделяется громадная энергия — источник жизни, света, тепла.

...Английский журнал	«Панч» в конце прошлого ве­
ка поместил карикатуру — житель Солнца		гелий в об­
разе смешного человека	хитро подмигивает:	«Наконец-

то меня изловили и на Земле! Это длилось достаточно долго! Интересно знать, сколько времени пройдет, пока они догадаются, что делать со мной?».

Несколько десятилетий элемент не находил примене­ ния, уж слишком он рассеян в природе, чересчур велика была его стоимость.

Но вот что случилось во время первой мировой вой­

114

ны. Самолеты англичан обстреляли германский военный дирижабль, а он, к изумлению летчиков, не загорелся. Английское правительство обратилось к ученым. Уче­ ные мужи единодушны: в оболочке «цеппелина» только

гелий мог заменить горючий водород. Но как немцы			по­
лучили необходимое количество газа? Расчеты	показали:
чтобы извлечь гелий из воздуха и наполнить	им дири­
жабль, холодильная машина Линде должна	работать...
2 тыс. лет. Рамзай и другие ученые получили		задание
отыскать источники гелия в природных газах Англии			и
Канады. Началось промышленное производство		гелии.

(Позже выяснилось: немцы извлекали гелий из монацитовых песков, которые вывозили из Бразилии.)

«Благородный газ» не вступает в химические реак­ ции ни с какими элементами. Поэтому гелий — прекрас­ ная защитная среда для технологических процессов, ко­ торые нельзя вести на воздухе. В среде гелия произ­ водят полупроводники, получают «космический ме­ талл»— титан, сверхчистые сплавы, сваривают особо ответственные конструкции. Элемент не чувствителен к радиоактивному облучению, поэтому его можно исполь­ зовать как теплоноситель в высокотемпературных ядерных реакторах. Вновь возрождается дирижаблестрое­ ние: опять-таки понадобится гелий. А сейчас им напол­ няют радиозонды — их ежедневно запускают метеороло­ ги для прогноза погоды в разных пунктах земного ша­ ра. Не будь этот газ так дорог, можно было бы изготов­ лять «гелиевые консервы»: в его среде продукты сохра­ няются идеально.

Гелий используют в ракетах и управляемых снарядах для передавливания легковоспламеняющихся жидкостей из одной емкости в другую, например из топливного бака в камеру сгорания. Пустые емкости заполняются гели­ ем — сохраняется жесткость конструкции.

Возможно, что в длительных космических полетах к планетам Солнечной системы космонавты будут дышать гелиево-кислородной смесью. (Обычный воздух не при­ емлем; при вспышках на Солнце в азоте образуется на­ веденная радиация.) Такую смесь используют водолазы, чтобы избежать кессонной болезни.

Потребление гелия во всем мире стремительно рас­ тет. Так, с 1921 по 1965 г. добыча этого газа в США уве­ личилась в 330 раз! В этой стране гелий объявлен стра­ тегическим сырьем.

8*

115

Один из источников добычи гелия в Советском Сою­ зе — Оренбургское газоконденсатное месторождение. На Оренбургском газоперерабатывающем заводе смон­

тировано	несколько уникальных установок.	Ежегодно
через них пропускаются миллиарды кубометров		природ­
ного газа,	бедного гелием, — содержание элемента со­

тые доли процента. Гелий извлекается с помощью крио­ генной техники, ведь он имеет самую низкую температу­ ру сжижения, остается газом когда все остальные при­ меси при глубоком охлаждении замерзают. За создание и внедрение этих установок, превосходящих лучшие за­ рубежные образцы, группа ученых и инженеров в 1980 г. была удостоена Государственной премии.

В природе имеется два стабильных изотопа гелия: гелий-4 и гелий-3, легкого изотопа в земной коре содер­ жится в 30 млн. раз меньше, чем тяжелого. Но гелий-3 и дейтерий — это перспективное топливо для термоядер­ ных реакторов будущего.

Американский физик Д. Кульчинекий предложил до­ бывать легкий изотоп гелия... на Луне. Газ будет выде­ ляться из лунного грунта, а затем в сжиженном состоя­ нии отправляться на Землю. Существует и другой экзо­ тический проект: извлекать гелий в космосе из солнеч­ ного ветра.

В настоящее время значительная часть гелия исполь­ зуется в жидкой фазе. Первым сжижить солнечный газ сумел голландский ученый Хейке Камерлинг-Оннес.

ХЕЙКЕ КАМЕРЛИНГ-ОННЕС

Хейке Камерлинг-Оннес родился в 1853 г. в Гронин­ гене, на севере Голландии. В 29 лет в Лейденском уни­ верситете он возглавил группу физиков, работающих в области низких температур. Через несколько лет уче­ ный организовал криогенную лабораторию, оснащен­ ную по последнему слову техники.

Камерлинг-Оннес первым понял: наука достигла та­ ких высот, что, перефразируя высказывание Г. Гельм-- гольца о работах М. Фарадея, можно утверждать: из «ничего» уже не сделаешь «величайших открытий». Кон­ чилось время профессоров-любителей, которые могли вырывать тайны у природы с помощью приборов, скреп­ ленных «сургучом и бечевками».

А чтобы современное дорогостоящее оборудование

116

функционировало безотказно, нужны мастера высо­ чайшей квалификации. (К сожалению, зачастую именно отсутствие «золотых рук» в наших научно - исследова­ тельских институтах сдерживает развитие науки.) Вот почему в 1901 г. Камерлинг-Оннес создает Лейденскую школу инструментальщиков.

Ученый хорошо понимал и значение научной инфор­ мации: стал выпускать журнал «Сообщения из физиче­ ской лаборатории Лейденского университета». В первой же лекции в звании профессора ученый заявил, что де­ виз «Эоог те!еп 1о1 ше1еп» («К знанию через измере­ ние») надо написать на двери каждой физической ла­ боратории. Физика из описательной науки должна стать такой же точной, как астрономия.

Камерлинг-Оннеса отличали энергия, основатель­ ность, дальновидность, великолепные организаторские способности, доброжелательное отношение к людям, со­ четавшиеся с очень высокой требовательностью. Двери его лаборатории были открыты перед всеми учеными, интересующимися криогенными температурами.

Главной целью ученого стал штурм абсолютного ну­ ля. Каждый эксперимент тщательно продумывался и подготавливался.

Уже в 1892—1894 гг. в Лейденской лаборатории за­ работала громадная ожижительная установка, которая более 30 лет снабжала ученых достаточным количеством жидкого кислорода, азота и воздуха. Установка работа­ ла с высоким кпд. Аппараты М. Фарадея, Л. Кальете, К. Ольшевского и 3. Вроблек-ского, Д. Дьюара были по сравнению с ней просто игрушками.

Через 8 лет после успеха Д. Дьюара Камерлинг-Он- нес мог сжижать водород в нужных количествах.

10 июля 1908 г. наступил «звездный час» замеча­ тельного ученого. В Лейдене заработала сложнейшая по тем временам каскадная ожижительная установка. К началу решающего эксперимента было заготовлено 75 л жидкого воздуха. Затем сжижили 20 л водорода. Газооб­ разный гелий направлялся от каскада к каскаду, его температура неуклонно снижалась. Уже шел шестнадца­ тый час опыта и кончался запас жидкого водорода. А жидкого гелия все не было. Один из профессоров предло­ жил переставить лампу так, чтобы снизу осветить криос­ тат. Присутствующие увидели: в нем кипел жидкий ге­ лий— 60 см3. 4,2 К! Наконец-то сбылось (прошло более

117

века) пророчество Лавуазье: покорился последний при­ родный газ. Камерлинг-Оннес сделал неудачную попыт­ ку получить твердый гелий — позволил жидкости испа­ ряться под пониженным давлением. Позже стало ясно: до абсолютного нуля оставался всего один градус...

Ученый написал: «При подготовке и проведении этого

эксперимента в предельно напряженном состоянии	на­
ходилось не только оборудование, но и ассистенты,	от
которых потребовалось максимально .возможное».
Самого Камерлинг-Оннеса привезли домой в бессоз­
нательном состоянии...	в
В 1913 г. ученый стал нобелевским лауреатом, а

1925 г. его избрали иностранным членам - корреспонден­ там АН СССР.

Камерлинг-Оннес умер в 1926 г. Рассказывают, в церкв1И, где был установлен гроб с его телом, панихида затянулась. Поэтому похоронная процессия должна бы­ ла торопиться на кладбище. Главный механик «меестр» Флим сказал «меестру» Кессельрингу — главному стек­ лодуву: «Со стариком все в порядке. Даже сейчас он подгоняет нас».

ЗАТЯНУВШИЙСЯ СТАРТ

В 1911 г. X. Камерлинг-Оннес измерял электрическое сопротивление металлов при низких температурах. В со­ ответствии с классической теорией электричества заря­ ды при движении по проводнику испытывают сопротив­ ление, сталкиваясь с атомами кристаллической решетки. При уменьшении температуры амплитуда колебаний этих атомов снижается, поэтому электрическое сопро­ тивление падает и при абсолютном нуле должно исчез­ нуть полностью. Но в то время некоторые ученые утвер­ ждали и противоположное: при достижении полюса хо­ лода электроны должны прочно связаться с атомами кри­ сталлической решетки — электрическое сопротивление должно стать бесконечно большим.

...Ученый и его ассистент Хольст испытывали столбик замерзшей ртути. При понижении температуры электри­ ческое сопротивление уменьшилась так, как предсказы­

вала классическая теория. При	4,2 К ртуть	внезапно
скачком потеряла сопротивление (>рис. 18).
Опыт повторили, использовав	точнейший по тем вре­
менам прибор — гальванометр с	зеркалом.	Результат

118

Рис.	18. Зависимость		сопротив-	Я,Ом
ления	образца ртути		от темпера-	0,15
туры	(рисунок	X.	Камерлинг-
	Оннеса,	1912	г.)
				0,10

0,05

0,00

	4,0 4,1	4,2	4,3 Т,К
тот же... Камерлинг-Оннес опубликовал краткое			сооб­
щение «О неожиданном	изменении скорости,	с которой
исчезает сопротивление	ртути».

Так была открыта загадочная сверхпроводимость. Вот один из опытов ученого. Катушка из свинцового

провода помещалась в криостат с жидким гелием (рис. 19). При замыкани/и ключа 1 катушка присоединялась к

источнику	напряжения, в ней	устанавливался		ток. Воз­
никало магнитное поле, которое можно			было	обнару­
жить по	отклонению стрелки	компаса.	Когда	же за­

мыкался ключ 2 и размыкался 1, ток в сверхпроводни­ ке не исчезал, магнитный поток как бы «вмораживался» в катушку. В письме Ж. Клоду от 18 апреля 1914 г. X. Камерлинг-Оннес писал: «Вам, конечно, будет интерес­ но узнать, чтомне удалось получить при помощи сверх­ проводника молекулярные токи Ампера. Я применил маленькую катушку... на 1 кв. см— 1000 витков свин­ цовой проволоки с сечением 1/70 кв. мм. Она была ох­ лаждена до 1,8° абсолютного нуля в поле 1000 гаусс, после чего действие последнего было прекращено. Но индуктивный ток оставался, потому что он циркулировал в сверхпроводнике. Циркулировавший ток равнялся 0,5 А, и катушка представляла собой настоящий магнит. Помещенная около криостата магнитная стрелка откло­ нялась почти перпендикулярно к меридиану, и в течение целого часа не наблюдалось никаких изменений—даже

119

Рис. 19. Опыт X. Камерлинг-Оннеса

со сверхпроводящей		электрической
цепью: / — ключ № I; 2 — ключ №2;
3	— источник тока;	4 — криостат;
5	— сверхпроводящая	катушка; 6 —
	магнитная стрелка

на следующим день электроны продолжали свое движе­ ние... Лишь только катушку вынимали из жидкого гелия, ток немедленно прекращался... Этот опыт производит громадное впечатление».

Камерлинг-Оинес предложил создать несколько мощ­ ных сверхпроводящих магнитов для физических опытов в Лейденской лаборатории. Но, увы, чудесное состояние сверхпроводимости разрушал совсем небольшой ток и да­ же такое слабое поле, которое возникает около постоян­

ного магнита.			В. Мейснер	и Р. Оксен-
В	1933 г. немецкие ученые
фельд	установили	фундаментальный факт:		идеальный
сверхпроводник первого рода			(однородный	по структу­
ре и химическому		составу) выталкивает из		себя маг­

нитное поле. (С помощью эффекта В. Мейснера можно, например, создать экран от магнитного поля, что необ­ ходимо в некоторых биологических опытах.) При этом в очень тонком слое — около 10-5 см — сверхпроводника

120