Все газообразные вещества при охлаждении сначала становятся жидкими, а затем, при дальнейшем охлаждении, становятся твердыми. Исключение из этого правила - только одно - пока, ни при каком охлаждении не удается получить твердый гелий.Только при привлечении дополнительного фактора - давления более 25 атмосфер гелий становится твердым. Только за счет охлаждения гелий никак в твердую фазу не переходит. Зато жидкий гелий получает то, что нет ни у какой другой жидкой субстанции - сверхтекучесть. То есть при определенной температуре вязкость жидкого гелия становится равной нулю. Исчезает внутреннее трение между слоями гелия и скорость его течения не замедляется, в отличие от всех известных жидкостей, которые постепенно останавливаются, если их ничего не принуждает к движению.
Почему же сверхтекучесть присуща только жидкому гелию, и нельзя ли попробовать сделать его твердым?
Чтобы понять это - нужно обратиться к электрической "форме" разных веществ.
Начнем с самого простого - атома водорода.
Нарисуем распределение электрического потенциала для атома водорода на не большом расстоянии от ядра.
Из рисунка ясно видно, что по отношению к оси вращения получается явно не симметричная электрическая "форма" атомарного водорода. То есть он не только может двигаться вдоль какой то линии, но и при столкновении с любым другим атомом очень сильно ударит по нему сбоку. Это одна из причин того, что атомарный водород очень химически активен. Вдобавок, при столкновении с любым другим атомом или молекулой, он может просто слипнуться с ней и образовать более массивное тело и более легко сцепляющееся с другими телами. То есть, имеется ярко выраженная тенденция к образованию большого твердого тела. Именно тенденция при условиях, которые считаются нормальными. При этих условиях линейные скорости движения атомов столь велики, что атомы скорее разлетятся в разные стороны, чем образуют нечто твердое.
Теперь рассмотрим электрическую "форму" молекулы водорода, состоящую их двух ковалентно связанных атомов. Это нужно, так как у гелия тоже два протона, как и в молекуле водорода.
Пока еще никому не удалось иметь дело с одной молекулой водорода и снять с нее фотографию, хоть в каком-либо диапазоне электромагнитных волн. Поэтому существует множество теоретических моделей устройства молекулы водорода. На следующем рисунке представлены две из наиболее распространенных моделей.
Как видно из рисунка, в первом случае получается что-то вроде произвольно вращающегося креста, а во втором случае нечто еще более неправильной формы, и, вдобавок, вращающееся сразу вокруг, как минимум двух осей.
То есть молекуле водорода гораздо легче, чем атомарному водороду, стать твердым телом - есть чем зацепиться за что угодно.
В веществах, у которых более двух протонов в ядре, получаются еще более сложные электрические "формы" и им еще легче становиться твердыми телами.
Теперь только и начнем рассматривать гелий. Для простоты возьмем гелий 4, состоящий из двух протонов, двух нейтронов и двух электронов.
;
Сначала рассмотрим рис. Б.
Так как нейтроны не имеют электрического заряда, а электрически заряженные протоны отталкиваются друг от друга, то расположение протонов и нейтронов в ядре гелия может быть только таким, как на рис. Б.
Электрон, помещенный на линии, соединяющей центры нейтронов, не может на этом месте удержаться, так как малейшее отклонение от математической (не имеющей толщины) линии приводит к неравенству электрических сил Е, действующих на электрон и он обязательно "скатится" на линию, соединяющую протоны.
То есть атом гелия может быть только таким, как изображено на рис. А.
Соответственно, пунктиром обозначена потенциальная поверхность на выбранном нами ранее расстоянии.
Однако на чуть большем расстоянии картинка меняется. Поскольку в ядре вдвое больше положительного заряда, чем в одиночном электроне, то происходит как бы поглощение отрицательного потенциала электрона большим по величине положительным потенциалом обеих протонов. Электрическая "форма" атома гелия становится такой, как изображено на следующем рисунке.
Таким образом, атом гелия, на определенном расстоянии от него, имеет совершенно симметричную электрическую "форму". Вращение электронов также симметрично относительно линии, соединяющей центры нейтронов.
Атом гелия единственный из всех атомов имеет симметричную электрическую "форму".
Чтобы упростить дальнейшие рассуждения и рисунки будем изображать симметричную электрическую "форму" атома гелия чуть упростив ее, как на следующем рисунке.
Вот теперь можно переходить к рассмотрению взаимодействия атомов гелия в жидком состоянии и попробовать догадаться, как получить твердый гелий.
Начнем с газообразного, постепенно охлаждаемого гелия. Как и во всех газах, линейные движения атомов гелия хаотичны и имеют довольно большие скорости, порядка сотен метров в секунду. При охлаждении до почти жидкого состояния скорости атомов гелия сильно уменьшаются, но их линейные движения продолжают оставаться хаотическими.
В момент перехода в жидкую стадию скорости атомов еще уменьшаются, но атомы еще продолжают, по-прежнему, двигаться почти хаотически, почти совсем неупорядоченно. Они зацепляются друг о друга, как попало и могли бы сразу отвердеть, но их скорости еще хватает, чтобы после столкновения разлететься в разные стороны. Гелий становится жидким, но еще сохраняет внутреннюю вязкость, так как атомы цепляются друг за друга и мешают сами себе двигаться более упорядоченно.
При дальнейшем охлаждении скорости линейных движений еще несколько уменьшаются. И атомы гелия вынуждены становиться относительно друг друга при движении в соответствии со своей электрической "формой", так как линейных скоростей отдельному атому уже не хватает, чтобы двигаться, как угодно. Окружающие атомы мешают и заставляют принимать согласованное с ними положение в пространстве. При этом они могут располагаться только двумя способами, которые практически равнозначны. Вынужденное расположение атомов гелия показано на следующем рисунке.
Как видно из рисунка атомы гелия вынуждены располагаться слоями.
В случае "А" электрические заряды атомов практически полностью взаимно компенсируются. Взаимодействие слоев идет по пунктирной линии. При этом, в условиях гравитации (а куда мы от нее денемся?) атомы то чуть приподнимаются, то настолько же и опускаются. Баланс потенциальной энергии на приподнимание атомов и их опускание равен нулю, так как все атомы одинаковы и подъем равен спуску. В результате получаем сверхтекучесть гелия - вязкость гелия становится равной нулю, так как на взаимное скольжение слоев жидкого гелия более не требуется энергии.
В случае "Б" в слоях жидкого гелия электрические заряды не компенсируются, а взаимно уравновешивают друг друга. Взаимодействие слоев идет по прямой пунктирной линии. При этом энергия не движение слоев вообще не расходуется - просто не на что ей расходоваться. В результате вновь получаем сверхтекучесть гелия - вязкость гелия становится равной нулю, так как на взаимное скольжение слоев жидкого гелия более не требуется энергии.
Из рисунка видно, что атомам гелия просто нет возможности как-то зацепиться друг за друга и начать превращаться в твердое тело. Поэтому твердый гелий при простом охлаждении никогда не будет получен. Но можно придумать, как сделать твердый гелий. Надо каким - либо образом искусственно заставить часть атомов гелия в сверхтекучем состоянии встать поперек слоев, тогда может начаться процесс отвердения гелия.
Лезть в гелий в сверхтекучей фазе, каким бы то ни было инструментом нельзя, потому что этим мы вносим какое-то количество энергии, которая чуть подогревает гелий и просто переводит его в обычную жидкую форму.
Но если гелия в сверхтекучей фазе много и он находится в открытом сосуде, то в связи с множеством всяких внутренних процессов и огромного числа атомов - он будет элементарно испаряться, тем более, что все что касается жидкого гелия происходит в вакууме.
Таким образом, вырисовывается установка, которая использует испарение гелия и гравитацию.
Над сосудом с открытым жидким гелием, находящемся в стадии сверхтекучести, то есть максимально охлажденным, на некоторой высоте, которая подбирается и расчетным и экспериментальным путем располагается кольцевая ловушка для испаряющихся атомов гелия. Какая то часть атомов разлетится куда попало. Но некоторая часть попадет и в ловушку. При этом достаточно серьезно уменьшив свою скорость.
Первые попавшие в ловушку атомы гелия образуют один слой, скорее всего по типу "А" предыдущего рисунка, тем более, что они будут ложиться на горизонтальное дно ловушки.
Зато следующие атомы будут падать на этот слой, как попало. И с разными скоростями, и под разными углами. Получится что-то вроде того, что изображено на следующем рисунке.
То есть нечто уже способное к отвердеванию.
Но гелия нужно много, чтобы испарение было достаточно интенсивным, иначе ничего не получится. Просто материала не хватит.
Гарантий, что получим именно желаемый твердый гелий, нет, но попробовать надо.
В любом случае, скорости атомов гелия попадающих в ловушку, еще меньше, чем у гелия в сверхтекучем состоянии. То есть, получаем еще одну ступеньку в процессе охлаждения гелия. И как себя будет вести еще более охлажденный гелий пока никому неизвестно, и это очень интересно.
Можно использовать и несколько ловушек, расположив их на разной высоте. Тогда в каждой более высоко расположенной ловушке температура гелия будет ниже, чем в предыдущей ловушке. Это тоже может для чего-нибудь пригодиться.
Тому, кто возьмется все это проверить экспериментально желаю успехов и заслуженной Нобелевской премии.
![[]](/img/p/puchkow_a_w/gelij/df7001.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/gelij/df7002.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/gelij/df7003.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/gelij/df7004.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/gelij/df7005.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/gelij/df7006.png)
![[]](/img/p/puchkow_a_w/gelij/df7007.png)
