Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

А что произойдет, если жидкий гелий подвергнуть внешнему давлению? В первую очередь нас интересуют носители положительных зарядов, наши знаменитые «снежки». Чем выше внешнее давление P 0 , тем быстрее достигается давление 25 атм вблизи иона He +(илл. 2). В результате размер «снежка» с ростом внешнего давления становится все больше и больше (илл. 4, красная кривая).

Что же в это время, при повышении внешнего давления, происходит с пузырьком – носителем отрицательного заряда? Как и любой другой пузырек, он при повышении внешнего давления сжимается (илл. 4, синяя кривая). Когда P 0 достигает примерно 20 атм, радиус пузырька R сравнивается с радиусом «снежка» (1,2 нм). Можно было бы думать, что при дальнейшем росте давления пузырек продолжит сжиматься, R будет уменьшаться. Но вовсе нет! Дело в том, что полное давление на поверхности пузырька в действительности оказывается выше внешнего P 0 , так как к нему необходимо прибавить наведенное давление за счет притяжения электроном поляризованных им же атомов жидкого гелия из его «свиты». Оказывается, что при внешнем давлении в 20 атм давление на поверхности пузыря достигает тех 25 атм, которые необходимы для затвердевания гелия. Таким образом, пузырек окружает себя оболочкой твердого гелия и становится своеобразным ледяным «орехом», внутри которого беспорядочно мечется электрон! Дальнейший рост внешнего давления приводит к утолщению «скорлупы» снаружи, вплоть до полного отвердевания жидкого гелия. Внутренний радиус «ореха» при росте давления выше 20 атм уже практически не изменяется. Таким образом, заряженные пузырьки в жидком гелии являются центрами его замерзания по мере того, как внешнее давление подходит к критическим 25 атм. Вспомните, как пузырьки пара в чайнике служат центрами зарождения кипения.

Скажем еще несколько слов о том, что происходит при давлении выше 25 атм с носителями заряда в твердом гелии. Они остаются все теми же: пузырьки с отрицательным зарядом, внутри которых мечется электрон, и ионы He +, чьи «снежки» теперь становятся бесконечно большими. Понятно, что подвижность носителей заряда в твердом гелии оказывается значительно ниже, чем в его жидкой фазе.

Могли ли вы представить себе, что гелий обладает такими удивительными свойствами? Как заметил Лев Ландау, причуды гелия открывают нам окно в квантовый мир.

«И зеркало поставлю перед вами, где вы себя увидите насквозь…» – говорит Шекспир устами Гамлета. Современная медицина обладает многочисленными ресурсами для наблюдения за тем, что происходит в теле человека. Например, уже более века для его просвечивания используются рентгеновские лучи, немногим меньше того органы и ткани исследуют с помощью ультразвуковых волн… Совсем недавно в медицинской диагностике произвело революцию еще одно открытие – магнитно-резонансная томография (МРТ).

Магнитно-резонансная томография основана на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР), то есть способности некоторых ядер при помещении в магнитное поле поглощать излучение определенной частоты.

Первые сигналы ядерного магнитного резонанса были зафиксированы в 1946 году независимо друг от друга группами американских физиков Феликса Блоха (1905–1983) и Эдварда Парселла (1916–1997). В то время исследователи сталкивались с огромными техническими трудностями, и все необходимое оборудование для своих лабораторий им приходилось создавать самостоятельно. Например, магнит, использованный в экспериментах Парселла, был взят из утилизированного оборудования трамвайной компании Бостона! Кроме того, он был неправильно откалиброван, так что истинное магнитное поле было сильнее, чем требовалось для попадания в резонанс на производимой генератором частоте 30 МГц. Поэтому Парселл и его молодые коллеги не сумели получить искомый сигнал. После нескольких дней неудачных экспериментов крайне разочарованный Парселл смирился с поражением и отключил питающий электромагнит ток. По мере того как магнитное поле уменьшалось, исследователи с грустью смотрели на экран осциллографа, на котором они на протяжении нескольких дней надеялись увидеть сигнал. Поскольку радиочастотный генератор они не выключили, то, когда величина убывающего магнитного поля все же достигла значения, соответствующего резонансу, и ожидаемый сигнал ненадолго отобразился на экране… За открытие явления ядерного магнитного резонанса Парселл и Блох в 1952 году разделили Нобелевскую премию по физике.