Скринька цікавих фактів

Історія відкриття

Середина XIX-го століття і його кінець відзначились освоєнням області наднизьких температур. Досліджуючи явища, що

відбуваються в газах, фізики ввели поняття «абсолютний нуль» температури. Це така температура, за якої тиск ідеального газу відповідно до закону Гей-Люссака, дорівнював би нулю. Обчисливши, до якої від'ємної температури треба охолодити газ, щоб в ньому зупинився будь-який тепловий рух молекул, вони отримали, що ця температура повинна бути −273,15 °C. Пізніше поняття абсолютного нуля було узагальнено на всі стани речовини: тверді та рідкі. Це температура, коли весь кінетичний рух часток матерії припиняється (в класичному розумінні) і, таким чином, матерія не має теплової енергії. Ця точка слугує початком відліку температур за термодинамічною шкалою (шкалою Кельвіна).

Будь-яке охолодження речовини — це відбір у нього енергії. При охолодженні енергії у тіла залишається дедалі менше, а отже знижується його температура, яка є мірилом кінетичної енергії руху атомів. При цьому уповільнюється рух частинок, що складають тіло: зменшується амплітуда коливань атомів, молекул, зменшується швидкість руху молекул (в рідинах та газах) та вільних електронів (в металах та напівпровідниках). Останні приєднуються до іонізованих позитивних атомів. Вважалося, що при досягненні абсолютного нуля вся можлива енергія у речовини відібрана і більше енергії відібрати не можна. При цьому будь-який рух в тілі припиняється (за виключенням обертання електронів навколо ядра в атомі). Іншими словами, при 0К молекули і атоми речовини мають найменшу енергію, яка вже не може бути відібрана у тіла ніяким охолодженням.

Дослідження властивостей тіл при температурах, близьких до абсолютного нуля, (кріогенних температурах) зацікавили вчених дуже давно. Наука, що вивчає цю галузь, називається кріофізикою. Шлях до кріогенних температур лежить через скраплення газів. Скраплений газ при випаровуванні відбирає енергію у тіла, яке занурене в цей газ, оскільки для відриву молекул від рідини потрібна енергія. Подібні процеси відбуваються в побутових холодильниках, де скраплений газ фреон випаровується в морозильнику.

Наприкінці XIX — початку XX століття вже були скраплені багато газів: кисень, азот, водень. Довгий час не піддавався скрапленню гелій, при цьому очікувалось, що він допоможе досягти найнижчої температури.

Успіху в скрапленні гелію досяг Камерлінг-Оннес, який працював в Лейденському університеті (Голландія). Скраплений гелій дозволив досягти рекордно низької температури — близько 4 К. Отримавши рідкий гелій, Камерлінг-Оннес почав займатись вивченням властивостей різних матеріалів при гелієвих температурах.

Одним із запитань, які цікавили вченого, було вивчення опору металів при наднизьких температурах. Було відомо, що з ростом температури R (опір) зростає. Отже, можна очікувати, що із зменшенням температури R (опір) буде зменшуватись.

Відкриття надпровідності Камерлінґ-Оннесом

Експериментуючи зі ртуттю, Камерлінг-Оннес довів її до замерзання і продовжив знижувати температуру. При досягненні Т = 4,2° К прилад перестав фіксувати опір. Оннес міняв прилади в дослідній установці, оскільки побоювався їхньої несправності, але прилади незмінно показували нульовий опір, попри те, що до абсолютного нуля не вистачало ще 4 К.

Після відкриття надпровідності в ртуті з'явилась велика кількість запитань:

чи надпровідність властива ртуті й іншим матеріалам? ;

опір знижується до нуля або ж він настільки малий, що прилади, які існують, не можуть його виміряти, і багато інших.

Оннес запропонував оригінальний дослід непрямого визначення, до якого рівня знижується опір. В надпровідному колі збуджувався електричний струм, який, як було встановлено за відхиленням магнітної стрілки, не згасав багато років. За розрахунками питомий опір надпровідника дорівнював близько 10−25 Ом•м. Порівнюючи отримане значення з питомим опором міді — ρCu =1.5۰10−8 Ом•м, видно, що питомий опір надпровідника на 17 порядків менший, тому можна вважати, що опір надпровідника дорівнює 0. Якщо в замкнутому контурі, що знаходиться в надпровідному стані створити електричний струм, то він буде протікати тижні й навіть роки, не зменшуючись.