книги / Ниже 120 по Кельвину
..pdfрегрузка 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