Gần độ không tuyệt đối

9

V. Z. Kresin
Gần độ không tuyệt đối
(bản phác thảo lịch sử)

“… Nếu chúng ta có thể đặt Trái đất ở một vùng rất lạnh, thì tất cả sông và đại dương của chúng ta sẽ biến thành núi. Không khí sẽ không còn vô hình nữa và sẽ biến thành chất lỏng. Sự biến đổi kiểu này sẽ mở ra khả năng thu được chất lỏng mới mà chúng ta vẫn chưa biết.” Những lời này được thốt ra vào giữa thế kỷ 18 là của nhà hóa học vĩ đại người Pháp Lavuzier.

Vào thế kỷ 19, nhiều loại khí đã bị đốt cháy, nhưng giấc mơ thu được chất lỏng mới của Lavouzier cuối cùng chỉ được thực hiện vào năm 1908, khi trong phòng thí nghiệm của nhà vật lý người Hà Lan Kamerlingh Onnes tại Đại học Leiden, khí cuối cùng, helium, được chuyển thành chất lỏng.

Đôi lời về những thành tựu chính trên con đường đạt đến độ không tuyệt đối.

Một trong những phương pháp đốt khí chính là đốt chúng. Trong trường hợp này, các phân tử tiến lại gần nhau hơn, vai trò của lực bám dính quay trở lại và có thể chuyển sang trạng thái lỏng. Tuy nhiên, nếu khí ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn, chất bổ không thể chuyển thành chất lỏng bằng quá trình đốt cháy. Trong trường hợp này, việc làm mát chuyển đổi khí là cần thiết.

Vào những năm bảy mươi của thế kỷ 19, một số lượng lớn các thí nghiệm đã được thực hiện về quá trình đốt cháy khí và tạo ra nhiều chất lỏng mới (cần đặc biệt đề cập đến các thí nghiệm của Faraday, người cùng với Skateium, chất trước đây được sử dụng để đốt khí, là người đầu tiên sử dụng làm mát bằng khí). Tuy nhiên, oxy, nitơ và hydro không có dấu hiệu chuyển thành chất lỏng. Vì vậy, niềm tin cho rằng ba chất này là “khí vĩnh cửu” bắt đầu mờ nhạt trong vật lý học. Chỉ đến năm 1877, nhà khoa học người Pháp Calte mới có thể thu được oxy lỏng ở nhiệt độ $T = 90,2^\circ$ K. Sáu năm sau, các nhà vật lý Wroblewski và Olszewski là những người đầu tiên nhìn thấy nitơ lỏng. Sự chuyển đổi nitơ thành chất lỏng xảy ra ở $T = 77,4^\circ$ K.

Con đường thu được hydro lỏng rất khó khăn. Nó biến thành chất lỏng ở nhiệt độ chỉ $20,4^\circ$ K. bài toán này chỉ được giải quyết vào năm 1898 bởi nhà vật lý người Anh Dewar. Dewar đã sử dụng một bình chân không do ông phát minh ra để lưu trữ hydro lỏng, chất mà ông đặt tên và được sử dụng ngày nay. Khi Dewar nghiên cứu vấn đề thu được hydro lỏng, ông tin chắc rằng công trình của mình là công trình thành công cuối cùng trên con đường đạt đến độ không tuyệt đối. Nhưng Dewar đã sai. Điểm sôi của gel lỏng thậm chí còn thấp hơn.

Gelyai được phát hiện vào năm 1869 khi đang nghiên cứu quang phổ của quầng mặt trời. Trên Trái đất, trong một thời gian rất dài, không ai có thể tìm thấy anh ta. Chỉ đến năm 1895, nhà hóa học người Anh Ramsay mới phát hiện ra

11

lượng tử sẽ mang lại những thay đổi ở nhiệt độ thấp nhất cho lợi ích vật chất.”
Helium lỏng thường được gọi là “chất lỏng lượng tử”. Khi lần đầu tiên làm quen với vật lý lượng tử, bạn có thể có ấn tượng rằng các định luật của nó chỉ quan trọng trong việc mô tả các tính chất của nguyên tử, hạt nhân nguyên tử, electron và các vi hạt khác. Helium lỏng là một trong những ví dụ nổi bật nhất về thực tế là vật lý lượng tử cũng có thể mô tả các tính chất của vật thể vĩ mô.

Trước mặt bạn là một chất lỏng được đổ vào một chiếc bình. Bạn có thể quan sát hành vi của nó, đổ nó vào một chiếc bình khác, v.v. Đồng thời, các tính chất của helium lỏng hoàn toàn khác thường; nó hoàn toàn khác biệt với tất cả các chất lỏng khác. Hành vi của nó chỉ có thể được giải thích bằng các định luật vật lý lượng tử.

Các tính năng chính của hành vi của helium lỏng là gì? Chất đầu tiên trong số chúng được Kamerlingh Onnes phát hiện trong một thí nghiệm thu được helium lỏng lần đầu tiên. Onnes đã cố gắng chuyển helium thành trạng thái rắn. Ông bắt đầu giảm áp suất trong bình chứa chất lỏng đang sôi. Đồng thời, nhiệt độ tăng lên (giá trị của nó lên tới gần 1° K!), nhưng không tìm thấy dấu hiệu đông đặc của helium.

Kamerlingh Onnes sau đó đã nhiều lần cố gắng thu được heli rắn. Nỗ lực cuối cùng như vậy được ông thực hiện vào cuối đời vào năm 1922. Bơm hơi nước lên trên helium lỏng bằng 12 máy bơm mới có thiết kế đặc biệt (áp suất giảm xuống 0,013 mm rm. cm!), ông đạt đến nhiệt độ chỉ 0,83 ° K. Thông điệp về thí nghiệm này có tên: “Ở nhiệt độ thấp nhất thu được cho đến nay”. Nhưng ngay cả ở nhiệt độ thấp kỷ lục vào thời điểm đó, heli vẫn ở dạng lỏng.

G. Kamerlingh Onnes (1853-1926)

Hiện nay người ta đã khẳng định chắc chắn rằng helium là chất duy nhất trong tự nhiên không đông cứng xuống độ không tuyệt đối (nó chỉ có thể trở nên rắn khi có độ dốc lớn hơn). Helium rắn lần đầu tiên được thu được vào năm 1926 bởi H. Keesom, người kế nhiệm Kamerlingh Onnes, người sau ông đứng đầu công việc tại Phòng thí nghiệm Leiden.

Theo quan điểm của vật lý cổ điển, hành vi độc đáo của helium lỏng là hoàn toàn không thể hiểu được. Thật vậy, khi nhiệt độ giảm xuống, dao động nhiệt của phần vôi ngày càng yếu đi. Sự hiện diện của lực bám dính cơ học cuối cùng sẽ dẫn đến sự đông đặc của chất.

Hành vi của helium lỏng không có gì giống với bức tranh này. Helium sẽ vẫn ở dạng lỏng ngay cả ở mức nULE tuyệt đối, mặc dù sẽ không có chuyển động nhiệt nào cả.

Kamerlingh Onnes trong thí nghiệm đầu tiên cho thấy mật độ helium lỏng rất thấp. Hóa ra nó là lõi vì các nguyên tử nhẹ và trơ của helium cũng nằm ở khoảng cách rất xa nhau. Chuyển đổi helium này