Свойства жидкого гелия звучат как магия, но он реальный. Жидкий гелий (ЖГ) – самая удивительная жидкость на нашей планете, разберём, почему он так уникален.
Что такое гелий и где его берут?
Гелий – это второй элемент таблицы Менделеева, в обычных условиях лёгкий и инертный газ, который не имеет ни цвета, ни запаха. Он окружает нас в мизерных количествах – например, в воздухе его всего 0,0005%. Основные запасы гелия скрыты глубоко под землёй, где он образуется в результате медленного радиоактивного распада тяжёлых элементов.
Добывают гелий из природного газа, очищают и сжижают при очень низких температурах. И вот тут начинается самое интересное!
На сколько он холодный?
Чтобы превратить гелий в жидкость, его нужно охладить до -269°C – это всего на 4 градуса выше абсолютного нуля (-273°C), самой низкой температуры во Вселенной! При таких условиях даже воздух превращается в твёрдый лёд, а вот гелий остаётся жидким.
Но самое поразительное происходит, если его охлаждают ещё сильнее. Когда температура падает ниже 2,17 К (-270,98°C), жидкий гелий становится сверхтекучим, а это значит, что у него почти исчезает вязкость (то есть, он совсем не "трётся" о стенки сосуда). Это одно из самых странных явлений в физике.
Что значит сверхтекучий?
Обычные жидкости (например, вода) обладают вязкостью – внутренним трением, которое мешает их свободному течению. Когда мы размешиваем чай в стакане, вода закручивается, и за счёт центробежной силы она отходит от центра к стенкам, образуя воронку в середине. Это связано с вязкостью: молекулы "трутся" друг о друга, передавая вращение.
Но при сверхнизких температурах атомы гелия-4 (самой распространённой формы гелия) начинают вести себя не как отдельные частицы, а как единое целое, подчиняясь законам квантовой механики. Поэтому, если в стакане с ЖГ медленно вращать ложку, она будет двигаться совершенно свободно, будто в пустоте. Вы не почувствуете никакого сопротивления. Жидкость не начнёт вращаться вместе с ложкой, как это происходит с чаем. Вместо этого гелий останется практически неподвижным, он буквально игнорирует обычные законы гидродинамики!
Если увеличить скорость вращения, в гелии начнут возникать наноразмерные квантовые вихри – это похоже на мини-водовороты, только глазом их не разглядеть (слишком тонкие), и свойства у них особые:
- Каждый вихрь имеет строго определённую энергию (из-за квантовых законов).
- Они выстраиваются в упорядоченную решётку, а не перемешиваются хаотично.
- Эти вихри могут существовать вечно, потому что в сверхтекучей среде нет трения, чтобы их остановить.
Жидкий гелий, который течёт вверх
А теперь самое необычное. Сверхтекучий гелий — это не обычная жидкость, а квантовое состояние вещества, атомы которого ведут себя как единое целое. В результате, из-за отсутствия вязкости ЖГ может перетекать через край сосуда. Он поднимается по стенкам вопреки силе тяжести и вытекает наружу, словно пытаясь "сбежать". Это происходит из-за того, что тончайшая плёнка гелия (всего в несколько атомов толщиной!) "прилипает" к стенкам и растекается по любой поверхности. Это называется "эффект Роллинса". Вся жидкость, как единая квантовая система, "чувствует", что за стенкой есть ещё место, и стремится туда. Более того, ЖГ просачивается через мельчайшие отверстия, через которые обычные жидкости не пройдут. Даже если сделать ёмкость с микроскопическими трещинами или порами, гелий найдёт выход.
Почему это важно?
Сверхтекучесть – не просто забавный феномен. Она помогает учёным изучать:
- Квантовые явления, которые обычно видны только в микромире, но в ЖГ проявляются в макроскопических масштабах.
- Природу турбулентности – беспорядочного движения жидкостей и газов.
- Возможность создания новых материалов с необычными свойствами.
Где применяют жидкий гелий?
Хотя в быту мы с ним не сталкиваемся, жидкий гелий играет важную роль в науке и технике:
- Квантовая физика: помогает изучать поведение материи при сверхнизких температурах.
- Космос: используется для охлаждения датчиков в телескопах.
Жидкий гелий – чудо природы
Гелий – единственный элемент, который не затвердевает при нормальном давлении, даже при температуре, близкой к абсолютному нулю. Все остальные вещества в таких условиях превращаются в лёд, а гелий остаётся жидким. А в состоянии сверхтекучести он и вовсе ведёт себя так, будто нарушает законы физики!
Заключение
Жидкий гелий – это нечто особенное. Он бросает вызов нашим привычным представлениям о жидкости. Возможно, именно благодаря таким особым веществам учёные однажды откроют новые законы физики, которые изменят нашу жизнь. А пока можно просто удивляться: насколько же разнообразен мир, в котором мы живём!
Папа физик – проще о сложном.