Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия

В конце прошлого столетия исследованием поведения газов при сверхнизких температурах занимался и известный английский физик Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей). Он хотел проверить гипотезу Уильяма Праута о том, что все химические элементы образуются путем «конденсации» атомов водорода. Определяя вес атмосферных газов, Рэлей установил, что атмосферный азот тяжелее азота, полученного химическим путем. В сущности, это было установлено еще в XVIII в., после того как Генри Кавендиш провел в 1785 г. соответствующие эксперименты. Однако это открытие, как и многие другие работы талантливого, но очень замкнутого ученого, долгое время оставалось неизвестным научной общественности.

В 1892 г. Рэлей публикует результаты своих исследований, из которых следовало, что в атмосфере присутствует какой-то неизвестный элемент. Два года спустя Рэлей вместе с химиком Уильямом Рамзаем сумел идентифицировать это вещество. Они показали, что в воздухе имеется химически инертный газ, относительное содержание которого составляет один процент. Поскольку этот газ не вступал ни в какие химические реакции, он получил греческое название «аргон» (что в переводе означает «инертный»).

Химик Рамзай сразу же понял, что здесь он имеет дело с особым химическим элементом. Из таблицы Менделеева следовало, что наряду с гелием должна существовать целая группа инертных элементов, обнаружение которых могло бы придать законченность этой системе классификации. Рамзай приступил к интенсивным исследованиям, завершившимся в 1895 г. получением гелия. Ранее этот элемент был открыт лишь на Солнце — при исследовании солнечного спектра. В последующие три года упорной работы были открыты и остальные газы, относящиеся к этой группе: криптон, ксенон и неон. Последний представитель группы инертных газов — радиоактивный радон — обнаружен Рамзаем в 1903 г.

Стокгольмские профессора не оставили без внимания эти успехи, и в 1904 г. Уильям Рамзай получил Нобелевскую премию по химии за открытие инертных газов и определение их места в периодической системе элементов. Одновременно с ним премию по физике получил Рэлей — за исследования газов, приведшие к открытию аргона, а также за определение его свойств и места в периодической системе.

Сжижение газов перестало быть проблемой после того, как в 1894—1896 гг. немецкий инженер Карл Линде сконструировал первую промышленную установку для получения жидкого воздуха. В 1898 г. Джеймс Дьюар получил жидкий водород, а в 1908 г. Хейке Камерлинг-Оннес, достигнув температуры 4,2 К — что лишь немного выше абсолютного нуля, — получил жидкий гелий. Однако только почти через три десятилетия было открыто замечательнейшее свойство гелия — его сверхтекучесть. Честь этого открытия принадлежит видному советскому физику Петру Леонидовичу Капице.

Этот талантливый ученик известного физика А.Ф. Иоффе в 1921 г. был направлен в научную командировку в Англию, где работал в Кавендишской лаборатории, руководимой Резерфордом. Капица быстро проявил себя как талантливый экспериментатор, наделенный способностями не только ученого, но и инженера. Он сконструировал установку для получения сильных магнитных полей и исследовал их влияние на свойства различных металлов. Затем он решил заняться изучением свойств металлов при низких температурах. Подходя к проблеме, как всегда, своим оригинальным путем, Капица построил новые высокоэффективные установки для сжижения газов, в которых вместо поршневых компрессоров использовались более совершенные, турбо-детандерные.

Эти исследования проводились уже по возвращение Капицы в Москву, где он возглавил основанный в 1935г-Институт физических проблем. В этом институте в 1937 г., работая на мощной установке для получения низких температур, ученый открыл явление сверхтекучести гелия. Некоторые исследователи и раньше наблюдали странное поведение этого газа при температуре около 2 К, однако лишь Капица детально описал это явление.

Явление сверхтекучести гелия II получило объяснение в 1941 г. в работе Льва Давыдовича Ландау, заведовавшего тогда теоретическим отделом Института физических проблем. Согласно теории Ландау, гелий II можно представить состоящим из двух компонент нормальной и сверхтекучей. При температуре 2,19 К наблюдается фазовый переход между двумя состояниями.

Гелий II наблюдал еще в 1926 г. Камерлинг-Оннес. В 1936 г. Биллем Хендрик Кеезом в Лейденском университете обнаружил, что это вещество обладает аномально высокой теплопроводностью. В следующем, 1937 г., Капица заметил, что вязкость гелия II в миллионы раз меньше, чем у гелия I. По существу, в зависимости от метода измерения вязкости обнаруживается либо нормальная, либо сверхтекучая компонента гелия II. За несколько лет до Капицы группа ученых из Торонтского университета, исследуя гелий II, измерила вязкость только нормальной компоненты, тогда как Капица открыл сверхтекучесть.