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.
Созданная Ландау теория сверхтекучести и представление о гелии II как о слабовозбужденной квантовой системе оказались весьма плодотворными для физической теории. За это достижение Л.Д. Ландау был удостоен в 1962 г. звания лауреата Нобелевской премии по физике. О его награждении стало известно вскоре после того, как он тяжело пострадал в автомобильной катастрофе и, к сожалению, уже не смог более вернуться к активной научной деятельности. П.Л. Капица, открывший явление сверхтекучести, получил Нобелевскую премию лишь в 1978 г. вместе с радиоастрономами Пензиасом и Вильсоном, открывшими фоновое микроволновое излучение. Несмотря на свой преклонный возраст, ученый энергично руководил коллективом, занимавшимся, в частности проблемами термоядерного синтеза. Свою Нобелевскую лекцию он посвятил главным образом этому вопросу. Прожив долгую жизнь, полную напряженного творческого труда, П.Л. Капица умер 8 апреля 1984 г.
Сверхпроводимость
Исследования в области низких температур, первоначально преследовавшие сугубо практические цели, а за тем проводившиеся для получения газов в чистое виде и изучения фазовых переходов вещества, в наш век привели к крупным научным открытиям. В 1908 г. нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес получил жидкий гелий, приблизившись к температуре лишь на 1 градус выше абсолютного нуля. Располагая такой техникой, он задумал провести серию обычных физических экспериментов, связанных с изучением свойств вещества. Прежде всего он решил проверить замеченный ранее эффект увеличения электропроводности с понижением температуры. В 1911 г. Камерлинг-Оннес совершенно неожиданно обнаружил, что при температуре жидкого гелия сопротивление ртутного проводника внезапно снижается в миллионы раз и практически исчезает. Это странное явление получило название «сверхпроводимость». Открытие Камерлинг-Оннеса произвело большое впечатление на ученых, и уже в 1913 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике.
Открытие явления сверхпроводимости было с энтузиазмом воспринято электротехниками, ибо вселяло надежды на создание высокоэффективных электрических машин. Однако довольно скоро выяснилось, что восторги были преждевременными. Проблема заключалась не только в сложности охлаждения проводника до сверхнизких температур, но и в том обстоятельстве, что сильные магнитные поля приводили к исчезновению сверхпроводимости. Лишь в начале 30-х годов были открыты сплавы, на которые магнитные поля не оказывали влияния.
В это время Вальтер Мёйснер и Р. Оксенфельд обнаружили явление «выталкивания» магнитного поля сверхпроводником. Этот интересный факт послужил основой для создания теории сверхпроводимости. Первые успехи в этом направлении принадлежат братьям Фрицу и Гейнцу Лондон.
Как и многие представители немецкой интеллигенции, братья Лондон в годы фашизма эмигрировали из Германии в Англию. В 1935 г., работая в Оксфордском университете, они создали феноменологическую теорию сверхпроводимости, предложив уравнения, описывающие поведение сверхпроводников в слабых магнитных полях.
Но лишь через 20 лет был сделан следующий, решающий шаг. В 1957 г. американские физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер построили микроскопическую теорию сверхпроводимости[9], где это явление описывалось с точки зрения квантовых представлений.
Еще в 1950 г. английский физик Герберт Фрёлих, также эмигрировавший из Германии в 30-е годы, разработал теорию сверхпроводимости, связав ее с так называемым электронно-фононным взаимодействием. В это же время аналогичные идеи высказывал Дж. Бардин из Иллинойсского университета. Согласно этим представлениям, электроны взаимодействуют между собой через колебания кристаллической решетки. При сверхнизких температурах тепловое движение в веществе практически исчезает, и тогда проявляются слабые колебания атомов, вызываемые электронами. Эти колебания подобны звуковым волнам, но вместе с тем имеют квантовый характер; в связи с этим советский ученый Игорь. Евгеньевич Тамм назвал их в 1930 г. фононами.
Следующий шаг в исследовании явления сверхпроводимости был сделан в 1956 г. Леоном Купером также из Иллинойсского университета. Он установил, что при сильном охлаждении вещества электроны в результате обмена фононами объединяются в пары. Эта сила связи очень слаба, и до Купера никто не предполагал, что она может играть сколько-нибудь существенную роль.
Современная теория сверхпроводимости (известная под названием «БКШ-теория») в ее окончательном виде была опубликована в 1957 г. Бардином, Купером и Шриффером, также сотрудником Иллинойсского университета. Она объясняет данное явление как движение Электронов через кристаллическую решетку; это весьма напоминает процесс, который был предложен в 1940 г. Л.Д. Ландау для объяснения явления сверхтекучести. В БКШ-теории исследуются также электро- и термодинамические свойства сверхпроводников. За выдающийся вклад в понимание столь сложного явления, как сверхпроводимость, три исследователя были удостоены в 1972 г. Нобелевской премии по физике. Для Джона Бардина это была вторая поездка в Стокгольм, так как в 1956 г. он уже получил Нобелевскую премию (вместе с Шокли и Браттейном) за создание первого полупроводникового прибора — транзистора.
