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.

КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ

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.

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

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