Հելիումի սեղմում և հեղուկացում

Քվանտ 2025, 2
Հեղինակ՝ Լ․Բելոպուխով
Թարգմանիչ՝ Կարինե Խառատյան

19 – րդ դարի վերջում Լինդեն և այլ հետազոտողներ զբաղվում էին սառեցնող մեքենաների ստեղծմամբ և կատարելագործմամբ ինչպես կենցաղային, այնպես էլ արդյունաբերական նպատակներով, հեղուկ օդ (թթվածին և ազոտ) ստանալու համար։ Լինդեից անկախ` շոտլանդացի ֆիզիկոս և քիմիկոս Ջեյմս Դյուարը (1842 — 1923) նույնպես աշխատում էր գազերի հեղուկացման փորձարկումների վրա։ 1898 թվականին նրան հաջողվեց ստանալ հեղուկ վիճակի ջրածին, իսկ 1899 թվականին՝ պինդ ջրածին։ Նրա ունեցած հաջողության մեջ մեծ դեր խաղաց նաև իր կողմից ստեղծված անոթը՝ հեղուկացված գազերը երկար ժամանակ պահելու համար։ Նման անոթներում ջերմամեկուսացումն ապահովվում էր կրկնակի պատերով, որոնց միջև եղած տարածություններում ստեղծվում էր խորը վակուում։ Այս տեսակի անոթները ստացել են Դյուարի անոթներ անվանումը, որոնք լայնորեն կիրառվում են քիմիական լաբորատորիաներում (սովորաբար հեղուկ ազոտի պահպանման և տեղափոխման համար)։

Իհարկե, կասեք, որ սա սովորական թերմոս չէ՞։ Չէ որ շատ նման է․․․ Այո, իսկապես։ Սառը պահելու համար նախատեսված գյուտը հեշտությամբ կարելի է վերափոխել ջերմությունը պահպանելու սարքի։ Դյուարն իրականում չզբաղվեց «թերմոսներով»։ Այս գաղափարով տարվեց ամերիկյան մի ընկերություն, որը նաև հնարեց «թերմոս» բառը՝ իր արտադրանքը Դյուարի ստեղծածից տարբերելու համար։ Կենցաղային թերմոսներն ունեն ավելի պարզ կառուցվածք և դրանցում վակուումի նկատմամբ պահանջներն այնքան էլ խիստ չեն։  Իսկ ամենակարևորը՝  դրանք մարդկանց ավելի են անհրաժեշտ, քան սառը պահպանելու համար նախատեսված գիտական անոթները։ Դյուարը այդպես էլ չկարևորեց իր գյուտը պաշտոնապես անվանակոչելու համար և հետագայում մնաց առանց արդյունքի՝ չնայած «Թերմոս» անվան տակ հարստացած ընկերության դեմ բազմիցս դատարան դիմելու փորձերին։ Չէ՞ որ պարադոքսալ է՝ տիեզերական սառնությունը պահպանելու համար ստեղծված գյուտը դարձավ կենցաղային ջերմության ու հարմարավետության խորհրդանիշ։ Բայց Դյուարի անունն այնուամենայնիվ չի կորել․ բոլոր քիմիկոսները նրան ճանաչում են։ Բնականաբար, ջրածնի հեղուկացումից  հետո Դյուարը փորձեց ստանալ հեղուկ հելիում, նաև զբաղվում էր շատ հարցերով ինչպես ֆիզիկայում, այնպես էլ քիմիայում, կարող ենք ասել՝ շատ լայնորեն էր բաժանում իր գիտական հետաքրքրությունները։ Հնարավոր է, որ նրան գիտությունից շեղում էր վակուումային անոթի գյուտի առաջնահերթության պայքարը։ Եվ ոչ միայն դա։ Ամեն դեպքում Դյուարը պարտվեց կրիոգեն հետազոտությունների գլխավոր մրցավազքում՝ հեղուկ հելիում ստանալու մեջ։ Եվ պարտվեց հենց այս ոլորտի ամենահայտնի գիտնականին՝ հոլանդացի ֆիզիկոս Հեյկե Կամերլինգ  — Օննեսին (1853 — 1926)։

1882 թվականին Կամերլինգ – Օննեսը դարձել է Լեյդենի համալսարանի պրոֆեսոր, որտեղ 1894 թվականին ստեղծել է կրիոգեն լաբորատորիա և դարձել դրա անփոփոխ ղեկավարը։ Լաբորատորիայի կարգախոսն էր՝ «Չափումների միջոցով դեպի գիտելիք»։ Մի քանի տարի անց այդ լաբորատորիան դարձավ ցածր և գերցածր ջերմաստիճանների ոլորտում ճանաչված գիտական կենտրոն։ Այն տարբերվում էր մյուս լաբորատորիաներից հզոր տեխնոլոգիական բազայով, եզակի սարքավորումներով և օժանդակ անձնակազմի բարձր պատրաստվածությամբ։

Այստեղ հեղուկ գազերը արտադրվում էին ոչ թե կաթիլներով, այլ լիտրերով (1904 թվականին լաբորատորիայի սարքավորումները տալիս էին 4 լիտր հեղուկ ջրածին մեկ ժամում)։ Լաբորատորիայում ուսումնասիրվում էին նյութերի հատկությունները 20 Կելվինից ցածր ջերմաստիճաններում՝ կլանման սպեկտրները, ֆոսֆորենցիան, հեղուկացված գազերի մածուցիկությունը, ինչպես նաև դրանց մագնիսական և էլեկտրական հատկությունները։ Բայց Կամերլինգ – Օննեսը լաբորատորիայի աշխատանքի գլխավոր նպատակն էր համարում միակ
«չնվաճված» գազի՝ հելիումի հեղուկացումը։ Կառուցվել էր սարքավորում, որը հիմնված էր Ջոուլ – Թոմսոնի մեթոդի աստիճանական (կասկադային) կիրառման վրա՝ 20 Կելվինից ցածր սառեցվող գազում։ Բայց ոչ ոք չգիտեր, թե հելիումը որքան պետք է սառեցնել, որպեսզի այն հեղուկանա։ Վան Դեր Վաալսի հավասարման հաշվարկները ցույց էին տալիս միայն այն, որ այդ ջերմաստիճանը 20 Կելվինից ցածր է։ Եվ ահա 1908 թվականի հուլիսի 10-ին նշանակվեց այս փորձարկումը։ Առավոտյան ժամը 8-ին սկսեց գործել հեղուկ ջրածին ստանալու սարքավորումը։ Ժամը 14։00-ին անհրաժեշտ 20 լիտր քանակությունն արդեն պատրաստ էր։ Տարբեր երկրների բազմաթիվ ֆիզիկոսների ներկայությամբ ժամը 17։00-ին սկսվեց սառեցվող հելիումի գոլորշու շրջանառությունը խողովակներով, որոնք անցնում էին հեղուկ ջրածնի միջով, որն էլ իր հերթին սառչում էր գոլորշիացման արդյունքում։ Բոլորի հայացքներն ուղղված էին սարքավորման կենտրոնում գտնվող ապակե անոթին, որտեղ պետք է հավաքվեր հեղուկ հելիումը։ Երկար ժամանակ այդ անոթը մնաց դատարկ։ Եկավ երեկոն։ Եվ ահա ժամը 20։00-ին ֆիզիկոսներից մեկը նկատեց, որ ջերմաստիճանը կանգ է առել 4,2Կելվինի վրա և այլևս չի նվազում։ Ենթադրվեց, որ հելիումի հեղուկացման փուլային անցումն է արդեն ընթանում, այդ պատճառով էլ ջերմաստիճանը մնացել էր հաստատուն։ Իսկ ահա, երբ մեծ լուսավորությամբ լուսավորեցին կենտրոնական անոթը, պարզվեց, որ այն արդեն լցված է հեղուկով։ Կարո՞ղ եք պատկերացնել ուրախության և բավականության այն զգացումը, որ ունեցան լաբորատորայի աշխատակիցները։

Ահա այն խոսքը, որ ասաց հենց ինքը՝ Կամերլինգ — Օննեսը․  «Ես չափազանց երջանիկ էի, երբ կարողացա հեղուկ հելիումը ցույց տալ իմ բարեկամ  Վան Դեր Վաալսին, որի տեսությունը եղել էր ինձ առաջնորդող թելը և թույլ էր տվել հեղուկացման գործընթացը հասցնել հաջող ավարտի»։

Հետագայում Կամերլինգ – Օննեսի լաբորատորիայում հեղուկ հելիումի սառեցման ջերմաստիճանը  հասավ 0․9 Կելվինի։ Այդ տարիներին դա լաբորատորիայում հասած ամենացածր ջերմաստիճանն էր։  Եվ գիտական համայնքում, մամուլում Կամերլինգ – Օննեսին հումորով և հարգանքով դիմում էին որպես «Ամբողջական զրոյի պարոն» անվամբ։

Ավելի ցածր ջերմաստիճաններ ստանալու համար արդեն անհրաժեշտ դարձան այլ՝ ջերմատեխնիկայի հետ կապ չունեցող մեթոդներ (ադիաբատիկ չմագնիսականացում՝ պարամագնիսական աղերի գոլորշու վրա, Պելտեյի միջոցը և այլն․․․)։ Հելիումը նորմալ ճնշման տակ պինդ (բյուրեղային) վիճակում ստանալն անհնար է։ Դա  հաջողվեց ստանալ միայն 1923 թվականին՝ 2,5ՄՊա ճնշման  և 1,5Կելվին ջերմաստիճանի պայմաններում։

Գերհաղորդականություն։ Հայտնագործություն

Հեղուկ հելիում ստանալուց հետո Կամերլինգ – Օննեսի հիմնական հետարքրությունն ուղղվեց մետաղների դիմադրության ջերմաստիճանային կախվածության ուսումնասիրությանը 20 Կելվինից ցածր ջերմաստիճաններում։ Նաև դա անհրաժեշտ էր ցածր ջերմաստիճանների չափման համար։ Արդեն հայտնի էր, որ եթե 20 Կելվինից բարձր ջերմաստիճաններում այդ կախվածությունն ուղիղ գիծ է (գծային է), ապա ավելի ցածր ջերմաստիճաններում այն ձգտում է ոչ թե զրոյի, այլ որոշ մնացորդային դիմադրության, որի արժեքը զգալիորեն կախված էր մետաղի մաքրությունից։ Այդ ժամանակներում առավել մաքուր մետաղներն էին համարվում ոսկին ու պլատինիումը։ Սակայն ո՛չ ոսկյա, ո՛չ էլ պլատինե հաղորդիչների դեպքում 10 Կելվինից ցածր ջերմաստիաճաններում դիմադրությունն այլևս զգալիորեն չէր նվազում ճիշտ այնպես, ինչպես այն մետաղների դեպքում, որոնք նախապես հայտնի էին որպես բավարար չափով չմաքրված մետաղներ։ Կրկին ու կրկին հաստատվում էին Լորենցի կանխատեսումները մետաղների դիմադրության ջերմաստիճանային կախվածության վերաբերյալ ցածր ջերմաստիճաններում, որոնք նա արել էր էլեկտրոնային հաղորդականության տեսության ճշգրտման հիման վրա։ Կամերլինգ Օննեսը, գերազանց իմանալով քիմիական տեխնոլոգիան, իր հետազոտությունների համար ընտրում է պինդ սնդիկից պատրաստված հաղորդիչներ։  Նրան չի խանգարում անգամ այն փաստը, որ սնդիկը մետաղ է, և որը գրեթե չի օգտագործվում էլեկտրոտեխնիկայում, քանի որ այն մնում է հեղուկ վիճակում միայն մինչև — 390 С։ Դա է պատճառը, որ փողոցային ջերմաչափերը սնդիկային չեն լինում (սնդիկը կարող է սառչել և պայթեցնել կապիլլյար խողովակը)։ Բայց Կամերլինգ – Օննեսին հետաքրքում էր այդ դիմադրությունն ավելի ցածր ջերմաստիճաններում։ Եվ նա գիտեր, որ գոյություն ունի տեխնոլոգիա, որը սնդիկը խորը մաքրում է բոլոր ավելորդ նյութերից (աղտոտումներից)։ Երբ սնդիկը գտնվում է հեղուկ վիճակում, նրա մաքրման համար տարբեր եղանակներ կարելի է կիրառել, այդ թվում բազմակի եռման եղանակը։ Վերլուծությունները ցույց տվեցին, որ այդ եղանակով կարելի է հասնել  «Հինգ իններ» մակարդակով մաքրության, այսինքն՝ մինչև 99.999%:  (Սա նշանակում է՝ սնդիկի 100․000 ատոմների մեջ կա մեկ օտար ատոմ)։ Կամերլինգ – Օննեսը և իր գործընկերները սպասում էին Լորենցի կանխատեսումների հաստատմանը, որոնք վերաբերում էին մաքուր մետաղի էլեկտրական դիմադրության նվազման բնութագրին (ընթացքին), երբ մոտենում են բացարձակ զրոյին։ Նա արդեն հեղուկ հելիումի օգնությամբ հասել էր ջերմաստիճանի իջեցման՝ մինչև 1Կելվինից ցածր արժեքների։ Մաքուր սնդիկով փորձարկման պատրաստությունը երկար ժամանակ տևեց։ Ամենակարևորն էր ավելի ճշգրիտ սարքավորումների տեղադրումը, որոնք չափում էին էլեկտրական դիմադրությունը։ Եվ ահա ամեն բան պատրաստ էր․ 1911 թվականի ապրիլի 8-ին նշանակված էր վճռորոշ փորձը։ Ստացել էին սառեցված սնդիկից պատրաստված ձողեր։ Դրանք միացնում են հերթականությամբ այնպես, որ հաղորդչի ընդհանուր երկարությունը կազմում էր կես մետր։ Ձողերն իջեցնում են հելիումով լցված անոթի մեջ։ Սկսվում է սառեցումը սառչող հեղուկ ջրածնի միջոցով։ Սարքավորումները ցույց են տալիս՝ 10Կելվին, 8 Կելվին, 5Կելվին։ Եվ ահա, վերջապես 4,2Կելվին ջերմաստիճանում հելիումը դառնում է հեղուկ։ Սնդիկի հատուկ դիմադրության և ջերմաստիճանի կախվածության գծապատկերում հստակ տեսանելի  է ուղիղ գիծ, որը գնում է դեպի T = 0: Բայց հանկարծ․․․․(ֆիզիկայի պատմությունում ոչ հաճախ է ստացվում այս «բայց հանկարծ․․․»-ը)։

Մետաղի դիմադրության կախվածությունը ջերմաստիճանից

Երբ ջերմաստիճանը հասավ 3 Կելվինի, այն սարքը, որը չափում էր հոսանքը սնդիկային շղթայում, ցույց տվեց արժեք, որը գերազանցում էր սանդղակի սահմանները։ Առաջին միտքն այն էր, որ սարքն անսարք է։ Փոխեցին։ Վերցրեցին մեկ այլ սարք՝ այլ սանդղակով։ Եվ նոր սարքը նույնպես ցույց տվեց այնքան մեծ հոսանք, որը կարող էր լինել միայն այն դեպքում, եթե սնդիկային հաղորդչի դիմադրությունը գրեթե հավասար էր զրոյին։ Այս բոլորովին անսպասելի արդյունքը ստիպեց կատարել մի շարք փորձեր ևս, որոնց ընթացքում ջերմաստիճանը  չափվում էր ավելի բարձր ճշգրտությամբ։ Եվ ի՞նչ պարզվեց։ Եթե 4,2Կելվին ջերմաստիճանում սնդիկի դիմադրությունը դեռ որոշակի փոքր արժեք ուներ, ապա 4,15 Կելվինում այն գրեթե ամբողջովին անհետանում էր։

 Ջերմաստիճանի շարունակական իջեցման դեպքում դիմադրությունը մնաց զրո, իսկ երբ ջերմաստիճանը բարձրացավ մինչև 4,15 Կելվին, այն վերականգնվեց՝ հասնելով նախկին արժեքին։ Այսպես բացահայտվեց այն երևույթը, որին Քամերլինգ-Օննեսն անվանեց գերհաղորդականություն։ Այդ երևույթը ստուգելու համար օգտագործեցին փոփոխվող մագնիսական դաշտը սնդիկային հաղորդչից կազմված օղակում, որը գտնվում էր գերհաղորդական վիճակում, ու առաջացավ ինդուկցիոն հոսանքը։ Մագնիսական դաշտը հանելու դեպքում հոսանքը չէր անհետանոմ, և նրա ուժը մնում էր անփոփոխ։ Անցավ մեկ ժամ, մի քանի ժամեր, օր, շաբաթ, իսկ հոսանքը շարունակում էր գոյություն ունենալ՝ ոչ մի կերպ չնվազելով։ Հոսանքի ուժը ֆիքսվում էր համաձայն այն մագնիսական դաշտի, որն առաջանում էր այդ հոսանքից՝ օղակի առանցքում։ Իհարկե, այս ընթացքում անհրաժեշտ էր հետևել, որ գերհաղորդականության օղակը միշտ մնա 4,15Կելվինից ցածր ջերմաստիճանում՝ անընդհատ ավելացնելով հեղուկ հելիում։ Ավելի ուշ, երբ հեղուկ հելիումը զգալիորեն էժանացավ (այն սկսեցին արտադրել ոչ թե օդից, այլ բնական գազից, որտեղ դրա պարունակությունը շատ ավելի բարձր է), նման փորձը շարունակվեց մեկ ու կես տարի։ Դա թույլ տվեց պնդել, որ գերհաղորդական վիճակում գտնվող նյութի հատուկ դիմադրությունը զրոյից տարբերվում է ոչ ավել, քան 10-25 Օմ*մ։

1911 և 1912 թվականներին Քամերլինգ – Օննեսն իր հոդվածներում ձևակերպեց մի եզրակացություն, որ 4,15 Կելվին ջերմաստիճանում կատարվում է սնդիկի բյուրեղային փուլային անցում՝ մի պինդ վիճակից մյուսին։ 1913 թվականին նա հայտնաբերեց մաքուր կապարի գերհաղորդականացումը (7,26Կելվին ջերմաստիճանում) և մաքուր պղնձի գերահաղորդականացումը (3,69Կելվին ջերմաստիճանում)։ Ուշադրություն դարձրեք այն բարձր ճշգրտությանը, որին հաջողվեց հասնել փուլային անցման քննիչ ջերմաստիճանը չափելիս։ 1913 թվականին Հեյկե Կամերլինգ — Օննեսը դարձավ նոբելյան մրցանակակիր ֆիզիկայի ոլորտում՝ «ցածր ջերմաստիճաններում նյութի հատկությունների ուսումնասիրության համար, որը հանգեցրեց նաև հեղուկ հելիումի ստացմանը»։ Այս  ձևակերպմամբ Քամերլինգ—Օննեսի գլխավոր հայտնագործությունը՝ գերհաղորդականության բացահայտումը, ընդգրկվել է «այլ» անվանումով հետազոտությունների մեջ։ Ենթադրելի է, որ Նոբելյան մրցանակաբաշխության ֆիզիկայի հանձնաժողովի անդամները  համարել կամ պարզապես գերհաղորդականությունը դիտել են որպես մի երևույթ, որը պահանջում է չափազանց ցածր՝ «հելիումային» ջերմաստիճաններ և որը երբեք չի հաջողվի կիրառել գործնականում։  Բացի այդ, այն տեսականորեն ամբողջապես  անհասկանալի էր։ Այդ ժամանակաշրջանի ֆիզիկայի հայացքով այս երևույթը չուներ գոյության իրավունք։