Штурм абсолютного нуля - Бурмин Генрих Самойлович
Но последующие эксперименты с жидким гелием заставили усомниться в этом предположении.
Природный гелий состоит из двух устойчивых изотопов: гелия 4 и гелия 3.
Напомним читателю, что изотопами называют разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся массами атомов.
Изотопы имеют одинаковое число электронов в атомной оболочке и занимают одно и то же место в Периодической системе элементов Менделеева. Отсюда и их название — от греческих слов «изо» — «одинаковый» и «топос» — «место».
До сих пор наш рассказ относился к гелию 4.
В природном гелии содержится гелия 3 примерно в десять миллионов раз меньше, чем гелия 4. Поэтому можно с полным основанием сказать, что гелий 3 является наиредчайшим среди наиболее редких веществ, встречающихся в природе.
В начале нынешнего века получение чистого гелия представляло нелегкую задачу.
Техника сегодняшнего дня обеспечивает исследователей нужным количеством его редчайшего изотопа — гелия 3, который получают искусственным путем при ядерных реакциях в результате радиоактивного распада одного из изотопов водорода — трития.
Гелий 3 является квантовой жидкостью, по некоторым своим свойствам отличающейся от гелия 4. В частности, температура кипения жидкого гелия 3 составляет 3,2К, а не 4,2К, как у гелия 4.
Таким образом, говоря о жидком гелии, мы подразумеваем не одну, а две различные квантовые жидкости.
Так вот, гелий 3 не удавалось перевести в сверхтекучее состояние даже при охлаждении до температуры, оцениваемой в десятые доли кельвина выше абсолютного нуля.
Исследователи вспомнили, что в квантовой механике различают два типа квантовых жидкостей. К какому из них относится жидкость, зависит от особой характеристики частиц, называемой спином, из которых она состоит.
Из‑за сложности этого понятия трудно, в рамках нашего рассказа, объяснить, что такое спин.
Вместо этого приведем качественное правило, которое позволяет определить тип квантовой жидкости.
Известно, что каждая жидкость состоит из отдельных частиц. Так жидкий гелий состоит из атомов гелия, жидкий водород — из молекул водорода, и т. п.
Каждая частица жидкости в свою очередь состоит из так называемых элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов.
Свойство сверхтекучести тесно связано с четностью числа элементарных частиц в каждой частице жидкости.
В системах, которые состоят, например, из атомов, содержащих четное число элементарных частиц, может возникнуть состояние сверхтекучести.
Итак, в природе имеются два типа квантовых жидкостей — обладающие свойством сверхтекучести и не обладающие этим свойством. Первые получили название Бозе — жидкости, вторые Ферми- жидкости, в честь физиков, которые первыми описали их свойства.
Атом гелия 4 состоит из ядра, содержащего два протона и два нейтрона, и двух электронов, а значит, имеет четное количество частиц.
Атом гелия 3 состоит из ядра, содержащего два протона и один нейтрон, и двух электронов. Следовательно, он имеет нечетное число частиц.
Будто все стало на свое место: в соответствии с теорией гелий 4 обладает сверхтекучестью, а ге — лию 3 это свойство не присуще. Такое утверждение можно было встретить в монографиях по сверхтекучести, опубликованных еще сравнительно недавно.
А как обстоит дело с электронной жидкостью?
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что электроны в металле ведут себя как ферми — частицы.
Казалось, что такие частицы, как электроны, которые, как бы чувствуя взаимную антипатию, обладают свойством отталкиваться друг от друга, не могут ни при каких условиях образовать соединение, состоящее из четного числа частиц.
Значит ли это, что электронная жидкость не способна перейти в сверхтекучее состояние, а следовательно, металлы не должны обладать свойством сверхпроводимости?
Физики — теоретики продолжали усиленно работать над проблемой природы сверхпроводимости.
Никто не хотел очутиться в положении ребенка, который, впервые увидев в зоологическом саду жирафа, воскликнул:
— Этого не может быть!
7. История с почти детективным началом. Загадка века. Ионы и электроны. Невидимка находит напарника. Строем сквозь кристалл. Вопросы без ответа.
Многие занимательные детективные истории начинаются с… исчезновения. Поиски пропажи, будь это человек, документ или драгоценный камень, служат основой остросюжетного повествования.
На этот раз речь идет о необычной пропаже. Как читатель уже знает, исчезло электрическое сопротивление.
Приступая к следствию по такому необыкновен — ному делу, мы должны прежде всего уяснить себе, что такое электрическое сопротивление вообще.
Напомним, что металл представляет собой сложную систему, состоящую из положительных ионов, то есть атомов, потерявших один или несколько электронов, и электронов, находящихся в свободном состоянии. Эти свободные электроны, или, как их называют, электроны проводимости, и являются носителями электрического тока.
В идеальном кристалле ионы расположены в строгом порядке, каждый на своем месте. Они находятся в узлах пространственной решетки, так называемой кристаллической решетки.
Для того чтобы представить себе размеры этого микромира, достаточно сказать, что для измерения расстояния между соседними ионами, самая маленькая мера длины, применяемая в технике, — микрометр, равная, как вытекает из ее названия, одной миллионной доли метра, оказалась слишком большой. Расстояние между ионами в кристаллической решетке измеряется в нанометрах (один нанометр равен одной миллиардной доли метра).
Напомним еще раз, что поведение «невидимок» (микрочастиц) подчиняется особым квантовым законам.
В идеальном кристалле электрон ведет себя как волна. Он свободно проходит сквозь кристаллическую решетку, подобно тому как световая волна распространяется в прозрачной среде.
Поэтому в идеальном кристалле сопротивление электрическому току отсутствует.
При температуре выше абсолютного куля ионы совершают тепловые колебания. Порядок в кристалле нарушается.
Такая среда перестает быть прозрачной для электронов. Происходит, как говорят физики, рассеивание электронов, подобно тому как морская волна рассеивается, встретив препятствие. Электроны рассеиваются также на атомах примесей, хаотично расположенных в кристалле.
Возникает сопротивление прохождению электрического тока, или, короче, электрическое сопротивление.
Но вот в 1950 году при исследовании сверхпроводимости ртути оказалось, что критическая температура образцов ртути зависит от их изотопного состава. Она возрастает при уменьшении среднего атомного веса исследуемого образца.
Это явление, обнаруженное впоследствии также на олове, галлие и некоторых других сверхпроводящих элементах, получило название изотопического эффекта.
Изотопический эффект — чудесный ключ, с помощью которого ученые получили воз можность открыть дверь в замечательный мир сверхпроводимости.
Известно, что масса ионов кристаллической решетки в тысячи раз больше массы свободных электронов.
Поэтому масса изотопа является характеристикой кристаллической решетки и главным образом влияет на ее свойства.
После открытия изотопического эффекта стало ясно, что сверхпроводимость, которая вообще является свойством системы электронов, каким‑то образом связана с состоянием кристаллической решетки.
А значит, и возникновение эффекта сверхпроводимости обусловлено взаимодействием электронов с решеткой кристалла. Это взаимодействие ответственно за появление электрического сопротивления, а при определенных условиях оно должно привести к отсутствию электрического сопротивления, то есть к сверхпроводимости.
