Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
имело место, то ни одна силовая линия поля не могла бы кончаться на
внутренней поверхности полости сверхпроводника, тогда как эксперименты с
очевидностью показывают, что ситуация именно такова".
Прошло немало лет, прежде чем удалось создать удовлетворительную теорию
сверхпроводимости; по существу, этот вопрос не был окончательно решен
даже в 1972 г. Однако открытие Мейснера по крайней мере позволило дать
удовлетворительную макроскопическую трактовку наблюдаемых явлений.
Глава 5
НЕОБЫЧНОЕ ПОВЕДЕНИЕ ЖИДКОГО ГЕЛИЯ 1
Сразу же после того, как удалось получить жидкий гелий (см. гл, 4), он
стал объектом исследования. Очень быстро было установлено, что гелий
является необычным веществом. В 1911 г. Камерлинг-Оннес установил, что
при понижении температуры плотность жидкого гелия проходит через
максимум. К концу 20-х годов было получено несколько убедительных
свидетельств в пользу того, что при температуре около 2,2 К свойства
жидкого гелия заметно изменяются, причем по крайней мере его
низкотемпературная модификация ведет себя аномально. Далее, в период
1935-1938 гг., было экспериментально обнаружено четыре совершенно
уникальных свойства жидкого гелия, которые, по существу, и дали ключ к
пониманию его природы. В этой главе описаны различные эксперименты,
связанные с исследованием особенностей поведения жидкого гелия; особый
акцент сделан на четырех последних.
Оригинальные результаты Камерлинг-Оннеса по измерениям плотности жидкого
гелия дали только несколько весьма далеко отстоящих друг от друга точек
на кривой зависимости плотности от температуры. Эта зависимость изучалась
лишь до температур, которые были достаточно низкими, чтобы установить
наличие максимума, но не указать его положение. Первые точные измерения
были осуществлены в 1924 г. Камерлинг-Оннесом и Дж. Д. А. Боксом,
полученные результаты представлены на рис. 5.1. Здесь заслуживает особого
внимания не само наличие максимума (в конце концов, этим свойством
обладает даже обычная вода), но то, что
1 Эту главу точнее было бы назвать "Необычное поведение
жидкого 4Не", имея в виду существование более легкого изотопа
3Не, поведение которого отличается большим своеобразием -
Прим. ред.
79
он имеет скорее форму пика, а не гладкого максимума. Однако Камерлинг-
Оннес и Бок'с, по-видимому, не были вполне уверены в реальности подобной
картины; как они писали, "следовало бы определить больше точек в
окрестности максимума".
Рис. 5.1. Зависимость плотности жидкого гелия от температуры.
По вертикальной оси отложено отношение плотности жидкого- гелия к
плотности газообразного гелия при нормальных условиях (температуре О °С и
давлении 760 мм рт. ст.), по горизонтальной Ос.и -абсолютная температура
в градусах Кельвина [Соттип. Phys. Lab. Univ. Leiden, № I70b (1924), стр.
23, рис. 5].
В 1924 г. У. X. Кеезом наконец получил гелий в твердом состоянии ', хотя
попытки добиться этого предпринимались и ранее. Кеезом писал, что "в тот
же день, когда Камерлинг-Оннес впервые ожижил гелий, сам он исследовал,
не затвердевает ли гелий при дальнейшем охлаждении путем испарения при
пониженном давлении". В то время ему удавалось достигать давления паров
гелия ниже 1 см рт. .ст., возможно, 7 мм рт. ст., но гелий оставался
жидким.
1 После ухода Камерлинг-Ониеса в отставку в 1923 г. Кеезом стал
содиректором Лейденской физической лаборатории.
80
"Подобные попытки добиться затвердевания гелия путем уменьшения давления,
при котором он испаряется, повторялись неоднократно". В 1909 г.
Камерлинг-Оннесу удалось достичь температуры около 1,4 К, а в 1910 -
примерно 1,15 К- "Однако гелий по-прежнему оставался легкотекучей
жидкостью. Дальнейшие попытки пришлось прекратить в связи с более
неотложными вопросами, так как для получения твердого гелия требовались
иные средства.
Новая попытка с использованием несколько усовер-шенствованных методов
была предпринята в 1919 г.; затем в 1921 г., применив батарею
конденсационных насосов, Камерлинг-Оннес достиг значительно более низких
давлений, при которых температура должна была снизиться до 0,82 К.
Несмотря на это, гелий продолжал оставаться жидким, и Камерлинг-Оннес
задался вопросом, не остается ли вообще гелий жидким вплоть до
температуры абсолютного нуля...
В то же время данные по исследованию сдвига точки плавления водорода под
давлением привели меня к мысли о том, нельзя ли добиться затвердевания
гелия при'уже достигнутых температурах с помощью давления". Для этой цели
Кеезом сконструировал устройство, в котором давление прикладывалось с
обоих концов тонкой латунной трубки. Затвердевание гелия внутри трубки
обнаруживалось по разности давлений на разных концах трубки после того,
как один из них открывался-передача давления блокировалась твердым телом.
Таким способом была получена кривая в первом довольно грубом приближении.
Затем тем же методом, но с большей точностью производились повторные
измерения, причем выяснилось, что требуемые давления не слишком высоки -
