Таким образом, основная задача при получении очень низких температур — это сжижение газов. Его можно добиться двумя методами.
Первый метод — дросселирование, т. е. расширение сжатого газа в вентиле. При таком расширении молекулы газа преодолевают силу взаимного притяжения, их тепловое движение замедляется и газ охлаждается.
Этот метод применяется в простейших установках для ожижения газов. Газ сжимают компрессором, охлаждают в теплообменнике и расширяют в дроссельном вентиле. При таком расширении часть газа сжижается. У каждого газа есть определенная температурная точка — так называемая инверсионная температура. При дросселировании газа, находящегося выше инверсионной температуры, он уже не охлаждается, а нагревается. Для большинства газов инверсионная температура выше комнатной, но у водорода она равна 193°К (-80°Ц), а у гелия даже 33°К (-240°Ц). Поэтому применять метод дросселирования можно, только предварительно охладив газ ниже его инверсионной температуры.
При другом способе получения холода сжатый газ заставляют не только расширяться, но и совершать механическую работу в цилиндре с поршнем или в турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или о лопатки турбины, передают им свою энергию; скорость молекул сильно снижается, и газ интенсивно охлаждается.
Расширительные машины, применяемые при этом способе, называются детандерами. Они могут быть поршневого или турбинного типа. На цветной таблице у страницы 113 показано, как устроен аппарат для ожижения гелия с поршневым детандером. В аппарат из компрессора поступает гелий, сжатый при комнатной температуре давлением около 20 атм. Сжатый гелий предварительно охлаждается в теплообменнике и в ванне с жидким азотом. Большая часть сжатого гелия расширяется в поршневом детандере, а гелий, оставшийся сжатым, охлаждается холодным газом до 11 — 12°К и после теплообменника расширяется в дроссельном вентиле. При этом часть газа превращается в жидкость и скапливается в сборнике. Гелий, оставшийся в газообразном состоянии, подается в теплообменник для охлаждения следующих порций газа, нагревается до комнатной температуры и вновь сжимается компрессором. При этом сжижается примерно 10% подаваемого в аппарат гелия. Для теплоизоляции от окружающей среды все холодные узлы аппарата помещены в герметичный кожух — своеобразный
термос, в котором поддерживается высокий вакуум.
Жидкий гелий представляет собой бесцветную легкую жидкость, плотность которой в 8 раз меньше, чем у воды. Он кипит под атмосферным давлением при температуре около 4°К. Жидкий гелий используют обычно для охлаждения исследуемых веществ до температуры, близкой к абсолютному нулю.
Водород, азот и другие газы сжижают теми же методами, но соответственно при более высокой температуре.
Исследование низких температур привело к открытию двух удивительных явлений —сверхпроводимости и сверхтекучести. Оба эти явления весьма отличаются от свойств, которыми обладают вещества при обычных температурах, и могут быть объяснены только с помощью квантовой механики.
Один из основных законов квантовой механики — это представление о дискретном, т. е. прерывистом, характере физических процессов в природе. В частности, это значит, что энергия любого вида, в том числе и тепловая, может передаваться лишь определенными, очень малыми порциями — квантами. Только квантовая механика может объяснить некоторые явления в микромире: свойства молекул и атомов, движение электронов, устойчивость ядер.
Законам квантовой механики должны подчиняться и многие явления в веществах — в газах, жидкостях и твердых телах. При обычных температурах из-за интенсивного теплового движения частиц квантовые свойства вещества не могут быть обнаружены. С понижением температуры интенсивность теплового движения частиц и их энергия уменьшаются и квантовые свойства вещества начинают отчетливо проявляться.
Способность твердого тела проводить электричество обусловлена свободными электронами, которые перемещаются между атомами кристаллической решетки. Такие электроны можно для наглядности представить как некую «жидкость», протекающую сквозь решетку кристалла. Под действием электрического поля эта «электронная жидкость» течет через про-
116