История. Гелий-солнце

18 августа 1868 французский ученый Пьер Жансан, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Жансена удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только во время затмения, но и в обычные дни. На следующий же день спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода — синей, зелено-голубой и красной — выявила очень яркую желтую линию, сначала принятую Жансеном и другими спостеригавшимы ее астрономами линии D натрия. Жансен немедленно написал об этом в Французской Академии наук. Впоследствии было установлено, что ярко-желтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов.Helium_discharge

Через два месяца, 20 октября, английский астроном Норман Локьер, не зная об опытах французского коллеги, также провел исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную желтую линию с длиной волны 588 нм (более точно 587,56 нм), он обозначил ее D 3, так как она была очень близко расположена к фраунгоферових линий D 1 (589,59 нм) и D 2 (588,99 нм ) натрия. Через два года Локьер объяснил ее происхождение присутствием на Солнце нового элемента и совместно с английским химиком Эдвардом Франкланда, в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» (от др.-греч ἥλιος — «солнце»).

Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868, однако письмо Локьера, написанный им четырьмя днями ранее, пришел на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещенными ветвями лавра, а на другой — изображение мифологического бога Солнца Аполлона, на колеснице запряженной четверкой лошадей.

В 1881 году итальянец Луиджи Пальмьери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах фумаролы. Он исследовал светло-желтую маслянистое вещество, оседающую с газовых струй на краях кратера Везувия. Пальмьери прожарював этот вулканический продукт в пламени бунзеновського горелки и наблюдал спектр видиляючихся при этом газов. Ученые круги встретили это сообщение с недоверием, так как свои опыты Пальмьери описал неясно. Много лет в составе фумарольных газов действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона.

Только через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-желтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому ученому-спектроскописту Уильяму Крукс, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца желтая линия совпадает с линией D 3 гелия. 23 марта 1895 Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Бертло.

Шведские химики Пер Теодор Клеве и Нильс Абрахам Ленгле смогли выделить из клевеита достаточно газа, чтобы установить атомную массу элемента.

В 1896 году Генрих Кайзер, Зигберт Фридлендер, а еще через два года Эдвард Бели окончательно доказали присутствие гелия в атмосфере.

Еще до Рамзая гелий выделил также американский химик Фрэнсис Хиллебранд, однако он ошибочно считал, что получил азот [8], и в письме Рамзаю признал за ним приоритет открытия.

Исследуя различные вещества и минералы, Рамзай обнаружил, что гелий в них сопутствует уран и торий. Но только значительно позже, в 1906 году, Эрнест Резерфорд и Ройдс установили, что альфа-частицы радиоактивных элементов представляют собой ядра гелия. Эти исследования положили начало современной теории строения атома.

График зависимости теплоемкости жидкого гелия от температуры.
Только в 1908 году нидерландскому физику Камерлинг-Оннес удалось получить жидкий гелий. Он использовал дросселирования (см. Эффект Джоуля-Томсона), после того как газ был предварительно охлажденный в кипящем под вакуумом жидком водороде. Попытки получить твердый гелий еще долго оставались безуспешными даже при температуре в 0,71 K, которых достиг ученик Камерлинг-Оннеса — немецкий физик Виллем Хендрик Кеезом. Только в 1926 году, применив давление выше 35 атм и охладив сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, ему удалось выделить кристаллы [10].

В 1932 году Кеезом исследовал характер изменения теплоемкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около 2,19 K медленный и плавный подъем теплоемкости сменяется резким падением, и кривая теплоемкости приобретает форму греческой буквы λ (лямбда). Отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоемкости, присвоено условное название «λ-точка» [10]. Более точное значение температуры в этой точке, установлено позже, — 2,172 K. В λ-точке происходят глубокие и скачкообразные изменения фундаментальных свойств жидкого гелия — одна фаза жидкого гелия меняется в этой точке на другую, причем без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода. Выше температуры λ-точки существует так называемый гелий-I, а ниже ее — гелий-II.

В 1938 году советский физик Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течет практически без трения [10] [11]. Вот что он писал в одном из своих докладов об открытии этого явления:

… Такое количество тепла, которое фактически переносилось, лежит за пределами возможностей, что тело ни по каким физическим законам не может переносить больше тепла, чем его тепловая энергия, помноженная на скорость звука. С помощью обычного механизма теплопроводности тепло не могло переноситься в таком масштабе, как это наблюдалось. Надо было искать другое объяснение.
И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, то есть передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально — конвекцией, переносом тепла в самой материи. Может дело в том, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхпроводящей веществом, а сверхтекучим. …
… Если вязкость воды равна 10 -2 П, то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода …

Добавить комментарий