Skraplanie tlenu

Doświadczenie z wykorzystaniem ciekłego azotu — Skraplanie tlenu

W XIX wieku tlen i azot były nazywane „twardymi gazami”, czyli takimi, których nie można zamienić w ciecz. Byli jednak sceptycy tej teorii, więc próby skraplania coraz to innych gazów odbywały się nieprzerwanie. W końcu Francuz Louis-Paul Cailletet dzięki tzw. metodzie kaskadowej zobaczył nietrwałą, ale widoczną mgiełkę tlenu. Do przełomu więc było już bardzo blisko.

5 kwietnia 1883 roku, w Krakowie — Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski korzystając z metody Cailleteta, używając jednak wrzącego etylenu pod wysokim ciśnieniem, otrzymali — po raz pierwszy w świecie — ciekły tlen. Po kilku kolejnych doświadczeniach otrzymali również ciekły azot.Było to wielkie wydarzenie w świecie nauki. Zniknęło pojęcie „gazów twardych”, więc niemożliwe stało się rzeczywistością.

Doświadczenia z innymi gazami trwały nadal i w lipcu 1908 roku H. Kamerlingh-Onnes skroplił hel, który w stanie ciekłym ma najniższą temperaturę wrzenia, zaledwie 4 K (-269,15 st. C) w warunkach ciśnienia atmosferycznego. To on również, badając rtęć, w bardzo niskich temperaturach zauważył, że schładzając ją do temperatury wrzenia helu, jej opór elektryczny malał i nagle w 4,23 K zanikł. Zjawisko braku oporu elektrycznego nazwano wtedy nadprzewodnictwem.

O nadprzewodnictwie możemy mówić wtedy, kiedy w metalach czy półprzewodnikach zanika całkowicie opór elektryczny. Zjawisko to możemy zaobserwować wtedy, gdy metale, czy inne materiały przewodzące prąd, schłodzimy do wystarczająco niskiej temperatury. 

Efekt Meissnera

Doświadczenie z wykorzystaniem ciekłego azotu — Efekt Meissnera

Odkąd odkryto zjawisko nadprzewodnictwa, traktowano je głównie jako doskonałe przewodnictwo elektryczne. W latach 30-tych ubiegłego wieku jednak, Walther Meissner badając właściwości magnetyczne nadprzewodników stwierdził, że gdy się zbliży magnes do materiału w stanie nadprzewodzącym, ten odpycha go niewidzialną siłą jakby stał się drugim magnesem, a oba ukierunkowane były do siebie tymi samymi biegunami. Okazało się, że to nadprzewodnik, gdy zbliży się do niego magnes, którego pole normalnie powinno przenikać przez materiał, wytwarza własne pole magnetyczne, które wypycha pole magnetyczne oddziałującego na niego z zewnątrz magnesu.

Meissner badając dalej, spostrzegł, że na powierzchni nadprzewodnika pojawiają się prądy wirowe, wytwarzające właśnie to pole magnetyczne, które zupełnie kompensuje i oddziałuje przeciwnie do pola magnetycznego magnesu umieszczonego w pobliżu. Leżący więc obok magnesu materiał (metal czy półprzewodnik), jeśli będziemy schładzać go do odpowiednio niskiej temperatury, nagle stanie się  nadprzewodnikiem i zacznie odpychać magnes. Między nadprzewodnikiem a magnesem powstaje poduszka magnetyczna … i na przykład z tego powodu obserwowalny jest w doświadczeniach efekt lewitacji. Zjawisko to nazywamy „efektem Meissnera”.

Dziś by sprawdzić, czy materiał jest nadprzewodnikiem nie bada się go pod kątem zerowego oporu elektrycznego lecz właśnie występowania w nim efektu Meissnera.

Materiały nadprzewodzące otrzymujemy w bardzo niskich temperaturach. Dzieli się je na niskotemperaturowe, czyli przechodzące w stan nadprzewodzący poniżej temperatury wrzenia ciekłego azotu oraz wysokotemperaturowe powyżej wrzenia ciekłego azotu. Daleko nam jednak, do wytworzenia materiału, który byłby nadprzewodnikiem w temperaturach bliskich tych, w jakich działamy na co dzień. Fizyka klasyczna nie tłumaczy zjawisk nadprzewodnictwa. Jest kilka teorii wyjaśniających je na podstawie zasady fizyki kwantowej. 

Przemiana Lambda i pająk Kapicy

Doświadczenie z wykorzystaniem ciekłego helu — Przemiana Lambda i pająk Kapicy.

Pierwszym, który skroplił hel, był Kammerlingh Onnes w Lejdzie w 1908 roku. Z kolei w 1927 roku, W. H. Keeson i Mieczysław Wolfke (Polak) starając się schłodzić ciekły hel jeszcze bardziej — stwierdzili, że przekraczając temperaturę 2,17 K, zmienia się on w sposób diametralny. Bardzo gwałtownie wrzący hel — nagle — uspokaja się, staje się idealnie przeźroczysty, nie ma w nim najmniejszych, jakichkolwiek pęcherzyków. Naukowcy nadali więc temu „spokojnemu” helowi nazwę helu II, w odróżnieniu od helu I, czyli tego sprzed przemiany w temperaturze 2,17 K. Wykazali w ten sposób, że hel występuje w dwóch różnych fazach (hel I, hel II), a punktem krytycznym tej przemiany jest temperatura 2,17 K.

W 1937 Piotr Kapica zaobserwował zanik lepkości helu II. Stwierdził, że przepływa on, bez straty energii, przez najmniejsze szczeliny, drobniutkie kapilary. Kapica nazwał ten stan nadciekłością. Taki hel nadciekły jest niemal doskonałym przewodnikiem ciepła.Laszlo Tisza w 1938 zaproponował, by własności helu II opisać za pomocą modelu dwupłynowego. Hel II składa się z dwóch składowych: nadciekłej — pozbawionej entropii oraz składowej normalnej. Model dwupłynowy ilustruje m.in. działanie aparatu nazwanego „pająkiem Kapicy”. Składowa nadciekła nie przenosi energii cieplnej, nie ma lepkości, płynie do źródła ciepła, w kierunku przeciwnym do składowej normalnej.

Nadciekły hel „pełznie” po powierzchni ciał stałych, wypełniając sobą całą możliwą przestrzeń. Pełznąc, warstewka nadciekłego helu ogrzewa się i traci nadciekłość, wtedy wyparowuje. Wprawianie nadciekłego helu w ruch obrotowy powoduje powstawanie uporządkowanej sieci wirów kwantowych. W miejscu występowania wiru składowa nadciekła zanika.

Nadciekły hel ma jeszcze więcej zaskakujących własności. Pojawiły się takie pojęcia jak efekt fontannowy, drugi dźwięk (a nieco później trzeci, czwarty i piąty), zjawisko mechanokaloryczne, rotony …Skroplony hel jest to „ciecz kwantowa”. W normalnych warunkach (ciśnienia atmosferycznego) hel schładzany zawsze pozostaje cieczą, aż do temperatury 0 K (czyli zera bezwzględnego). Dopiero pod znacznie zwiększonym ciśnieniem udaje się schładzany hel doprowadzić do stanu stałego – zamrozić.To właśnie bardzo niskie temperatury umożliwiają obserwowanie zjawisk fizyki kwantowej. Niezbędnym medium jest tutaj właśnie hel.Dotąd mowa była ciągle o izotopie helu-4, którego na ziemi jest niewielka ilość. Wydobywa się go razem gazem ziemnym i oddziela z od innych składników gazu poprzez destylację frakcyjną. Wykorzystując zaś to, że przechodzi on w stan nadciekły, udaje się poprzez sita entropowe, oddzielić z niego, niewielką ilość izotopu 3He. Sądzi się, że w nieodległej perspektywie dzięki reakcji izotopu helu-3 z deuterem (izotopem wodoru), można będzie otrzymać doskonałe, bo bezpieczne (bez szkodliwego promieniowania) źródło tzw. energii jądrowej.