Hélium je pomerne slávny plyn. Používa sa ako náplň do balónov, ako chladič v niektorých typoch reaktorov, ako aktívne médium v niektorých typoch laserov, a tak ďalej. Ale to všetko je úplné nič oproti tomu, aká je to slávna kvapalina.
Nobelovu cenu za fyziku získal v roku 1913 objaviteľ supravodivosti Heike Kamerlingh Onnes „za výskum vlastností látok pri nízkych teplotách, ktorý medziiným viedol k skvapalneniu hélia“. Zaujímavé je, že supravodivosť sa menovite vôbec nespomína, hoci všetkým bolo jasné, že ide o úplne zásadnú vec. Členovia švédskej kráľovskej akadémie zrejme považovali skvapalnenie hélia za vec ešte zásadnejšiu.
.briti
Doteraz sme v súvislosti s héliom hovorili najmä o britských šľachticoch: Sir Ramsay bol Škót, lord Rayleigh Angličan, Sir Rutherford pochádzal z Nového Zélandu. Teraz k nim pridáme ešte jedného Íra. Ak totiž vo fyzike hovoríme o nízkych teplotách, máme na mysli teploty blízke absolútnej nule, a ak hovoríme o tejto teplote, nemožno nespomenúť lorda Kelvina.
V devätnástom storočí bola termodynamika jednou z najvzrušujúcejších častí fyziky a lord Kelvin bol v tejto oblasti jednou z najvyšších autorít. Prvá a druhá veta termodynamická boli považované za podobne fundamentálne zákony prírody ako Newtonove pohybové zákony alebo Faradayove a Maxwellove zákony elektrodynamiky.
V dvadsiatom storočí však termodynamika stratila aureolu jedného z úplne najzákladnejších pilierov prírodných vied. Ukázalo sa totiž, že je vlastne len dôsledkom dvoch vecí: jednak fundamentálnejších prírodných zákonov (mechaniky a elektrodynamiky) a jednak veľkého množstva atómov a molekúl, z ktorých sa látky skladajú.
Časť fyziky, ktorá skúma, ako sa prejavujú základné zákony mechaniky a elektrodynamiky v systémoch obsahujúcich veľké množstvo častíc, sa volá štatistická fyzika. Termodynamika je len jej súčasťou, stále však platí, že ide o mimoriadne dôležitú oblasť nášho poznania. A jedným z najdôležitejších pojmov v tejto oblasti je práve Kelvinova absolútna nula – teplota, ku ktorej sa v princípe môžeme ľubovoľne blízko priblížiť, ale nikdy ju nemôžeme dosiahnuť.
.poliaci
Jedna vec je principiálna možnosť priblížiť sa k nejakej hranici a iná vec je naozaj sa tam dostať. Ochladzovať niečo na teplotu, ktorú predtým ešte nikto nedosiahol je celkom zaujímavý pokus. Pretože ochladiť čosi pomocou niečoho studenšieho, napríklad kávu pomocou ľadu, to dokážeme ľahko. Ale ochladiť niečo na teplotu nižšiu než čokoľvek, čo máme k dispozícii, to už je iná káva.
Ale dá sa to, pričom jednou z hlavných metód je ochladzovanie kvapaliny pomocou odparovania jej najenergetickejších molekúl. Na tomto princípe sú založené všetky bežné chladničky (písali sme o tom v .týždni 26/2005), v ktorých chladenie prebieha opakovaným skvapalňovaním a následným odparovaním nejakého plynu. Takým spôsobom je možné znížiť teplotu až o 60 stupňov, ale viac už nie.
Naši rakúsko-uhorskí vedci z Krakowa však dokázali znížiť teplotu o 60 stupňov až štyrikrát. Karol Olszewski, Zygmunt Wróblewski a Karol Sitarski strčili do chladničky inú chladničku s vhodným pracovným plynom, do nej ďalšiu a do nej ešte ďalšiu. Tak sa dostali v roku 1877 až na teplotu –210 ºC, čo je len 63 stupňov nad absolútnou nulou (pri tejto teplote je kvapalný kyslík, dusík aj oxid uhličitý, čiže prakticky všetok vzduch). Ak by sa našiel ešte ďalší vhodný plyn, mohli by sme do štvrtej chladničky strčiť piatu a dostať sa celkom blízko k absolútnej nule. Lenže taký plyn sa nenašiel.
.holanďania
A práve tým to začalo byť naozaj veľmi zaujímavé. Existovali totiž aj iné možnosti znižovania teploty, ale ich praktické využitie nebolo možné bez detailnej znalosti vlastností niektorých látok, napríklad vodíka a hélia, pri veľmi nízkych teplotách. Tieto vlastnosti však neboli známe, pretože príslušné teploty boli zatiaľ nedosiahnuteľné.
Bol to taký začarovaný kruh. Nižšie teploty sa dali dosiahnuť pri predpoklade, že by sme mali k dispozícii informáciu, ktorá sa dala získať len pri tých nižších teplotách. V takejto situácii má experimentátor jedinú šancu – nechať sa viesť nejakou rozumnou teóriou.
Holandský experimentátor Heike Kamerlingh Onnes mal dobrý nos a nechal sa viesť teóriou svojho krajana Johanna van der Waalsa. Pomocou tejto teórie vedel vypočítať na základe podrobných meraní pri teplote kvapalného kyslíka vlastnosti kvapalného vodíka a na základe tak vypočítaných vlastností potom kvapalný vodík vyrobiť. To sa mu skutočne podarilo, ale výrazne ho predbehol Sir James Dewar (ktorý pri tej príležitosti vymyslel termosku). Obaja pritom použili metódu chladenia, ktorú objavil lord Kelvin spolu s Jamesom Joulom.
Po skvapalnení vodíka ostal už len jediný neskvapalnený plyn, a to hélium. Dewarovi sa ho skvapalniť nepodarilo, zrejme preto, lebo nemal dostatočne veľa dostatočne čistého hélia. Kamerlingh Onnes mal to šťastie, že jeho brat bol vysokopostaveným úradníkom v holandskom zahraničnom obchode a vďaka svojim kontaktom získal pre Heikeho relatívne bohaté zdroje tohto len nedávno objaveného plynu (za čo mu Heike verejne ďakuje vo svojej nobelovskej prednáške). Mimochodom, Dewar nemusel získavať hélium zo zahraničia, mohol ho mať priamo od svojho krajana, ktorý hélium objavil. Sir Ramsay a Sir Dewar sa však nemali radi.
Pri skvapalnení hélia Kamerlingh Onnes znova využil van der Waalsovu teóriu. Tentoraz na základe meraní pri teplote kvapalného vodíka vypočítal predpokladané vlastnosti kvapalného hélia, na základe týchto výpočtov zostrojil zariadenie s veľmi presne naladenými parametrami a v roku 1908 vyrobil kvapalné hélium. Van der Waals získal Nobelovu cenu v roku 1910, Kamerlingh Onnes tri roky po ňom. A medzitým, v roku 1911, stihol objaviť supravodivosť.
Supravodiče, najmä supravodivé magnety, dnes používame v mnohých zariadeniach, od gigantických urýchľovačov elementárnych častíc cez rýchlovlaky až po NMR (nukleárnu magnetickú rezonanciu). A všade používame na ich chladenie kvapalné hélium. Práve chladiace vlastnosti kvapalného hélia založili jeho celosvetovú slávu. K teplotám len štyri stupne nad absolútnou nulou a postupne aj k nižším sme sa dostali vďaka jednej mimoriadnej vlastnosti hélia – vďaka tomu, že sa mení na kvapalinu až pri extrémne nízkych teplotách.
A prečo má túto vlastnosť práve hélium? Nemáme už veľa miesta, takže len celkom heslovito. Keď Rutheford objavil pomocou jadier hélia jadrá zlata, hneď vymyslel planetárny model atómu, ktorý však trpel nevyliečiteľnými chorobami. Urputná snaha fyzikov získať zdravý model atómu viedla nakoniec k vzniku kvantovej mechaniky, v ktorej rámci vieme vypočítať veľa vecí, medziiným aj to, ako vyzerá a ako sa správa atóm hélia. Tieto výpočty vysvetľujú, prečo hélium prakticky s ničím chemicky nereaguje a vysvetľujú aj to, prečo sú v héliu veľmi slabé príťažlivé sily, ktoré v konečnom dôsledku vedú k vzniku kvapaliny (mimochodom, volajú sa van der Waalsove sily). Štatistická fyzika nám zas hovorí, že ak chceme skvapalniť plyn s veľmi malými van der Waalsovými silami, potrebujeme veľmi nízku teplotu.
Na začiatku tejto série sme si povedali, že rozprávanie o héliu sa bude podobať dvojhlasnej fúge, v ktorej sa prepletajú témy kvantovej a štatistickej fyziky. Tak toto sme mali na mysli.
.martin Mojžiš
Nobelovu cenu za fyziku získal v roku 1913 objaviteľ supravodivosti Heike Kamerlingh Onnes „za výskum vlastností látok pri nízkych teplotách, ktorý medziiným viedol k skvapalneniu hélia“. Zaujímavé je, že supravodivosť sa menovite vôbec nespomína, hoci všetkým bolo jasné, že ide o úplne zásadnú vec. Členovia švédskej kráľovskej akadémie zrejme považovali skvapalnenie hélia za vec ešte zásadnejšiu.
.briti
Doteraz sme v súvislosti s héliom hovorili najmä o britských šľachticoch: Sir Ramsay bol Škót, lord Rayleigh Angličan, Sir Rutherford pochádzal z Nového Zélandu. Teraz k nim pridáme ešte jedného Íra. Ak totiž vo fyzike hovoríme o nízkych teplotách, máme na mysli teploty blízke absolútnej nule, a ak hovoríme o tejto teplote, nemožno nespomenúť lorda Kelvina.
V devätnástom storočí bola termodynamika jednou z najvzrušujúcejších častí fyziky a lord Kelvin bol v tejto oblasti jednou z najvyšších autorít. Prvá a druhá veta termodynamická boli považované za podobne fundamentálne zákony prírody ako Newtonove pohybové zákony alebo Faradayove a Maxwellove zákony elektrodynamiky.
V dvadsiatom storočí však termodynamika stratila aureolu jedného z úplne najzákladnejších pilierov prírodných vied. Ukázalo sa totiž, že je vlastne len dôsledkom dvoch vecí: jednak fundamentálnejších prírodných zákonov (mechaniky a elektrodynamiky) a jednak veľkého množstva atómov a molekúl, z ktorých sa látky skladajú.
Časť fyziky, ktorá skúma, ako sa prejavujú základné zákony mechaniky a elektrodynamiky v systémoch obsahujúcich veľké množstvo častíc, sa volá štatistická fyzika. Termodynamika je len jej súčasťou, stále však platí, že ide o mimoriadne dôležitú oblasť nášho poznania. A jedným z najdôležitejších pojmov v tejto oblasti je práve Kelvinova absolútna nula – teplota, ku ktorej sa v princípe môžeme ľubovoľne blízko priblížiť, ale nikdy ju nemôžeme dosiahnuť.
.poliaci
Jedna vec je principiálna možnosť priblížiť sa k nejakej hranici a iná vec je naozaj sa tam dostať. Ochladzovať niečo na teplotu, ktorú predtým ešte nikto nedosiahol je celkom zaujímavý pokus. Pretože ochladiť čosi pomocou niečoho studenšieho, napríklad kávu pomocou ľadu, to dokážeme ľahko. Ale ochladiť niečo na teplotu nižšiu než čokoľvek, čo máme k dispozícii, to už je iná káva.
Ale dá sa to, pričom jednou z hlavných metód je ochladzovanie kvapaliny pomocou odparovania jej najenergetickejších molekúl. Na tomto princípe sú založené všetky bežné chladničky (písali sme o tom v .týždni 26/2005), v ktorých chladenie prebieha opakovaným skvapalňovaním a následným odparovaním nejakého plynu. Takým spôsobom je možné znížiť teplotu až o 60 stupňov, ale viac už nie.
Naši rakúsko-uhorskí vedci z Krakowa však dokázali znížiť teplotu o 60 stupňov až štyrikrát. Karol Olszewski, Zygmunt Wróblewski a Karol Sitarski strčili do chladničky inú chladničku s vhodným pracovným plynom, do nej ďalšiu a do nej ešte ďalšiu. Tak sa dostali v roku 1877 až na teplotu –210 ºC, čo je len 63 stupňov nad absolútnou nulou (pri tejto teplote je kvapalný kyslík, dusík aj oxid uhličitý, čiže prakticky všetok vzduch). Ak by sa našiel ešte ďalší vhodný plyn, mohli by sme do štvrtej chladničky strčiť piatu a dostať sa celkom blízko k absolútnej nule. Lenže taký plyn sa nenašiel.
.holanďania
A práve tým to začalo byť naozaj veľmi zaujímavé. Existovali totiž aj iné možnosti znižovania teploty, ale ich praktické využitie nebolo možné bez detailnej znalosti vlastností niektorých látok, napríklad vodíka a hélia, pri veľmi nízkych teplotách. Tieto vlastnosti však neboli známe, pretože príslušné teploty boli zatiaľ nedosiahnuteľné.
Bol to taký začarovaný kruh. Nižšie teploty sa dali dosiahnuť pri predpoklade, že by sme mali k dispozícii informáciu, ktorá sa dala získať len pri tých nižších teplotách. V takejto situácii má experimentátor jedinú šancu – nechať sa viesť nejakou rozumnou teóriou.
Holandský experimentátor Heike Kamerlingh Onnes mal dobrý nos a nechal sa viesť teóriou svojho krajana Johanna van der Waalsa. Pomocou tejto teórie vedel vypočítať na základe podrobných meraní pri teplote kvapalného kyslíka vlastnosti kvapalného vodíka a na základe tak vypočítaných vlastností potom kvapalný vodík vyrobiť. To sa mu skutočne podarilo, ale výrazne ho predbehol Sir James Dewar (ktorý pri tej príležitosti vymyslel termosku). Obaja pritom použili metódu chladenia, ktorú objavil lord Kelvin spolu s Jamesom Joulom.
Po skvapalnení vodíka ostal už len jediný neskvapalnený plyn, a to hélium. Dewarovi sa ho skvapalniť nepodarilo, zrejme preto, lebo nemal dostatočne veľa dostatočne čistého hélia. Kamerlingh Onnes mal to šťastie, že jeho brat bol vysokopostaveným úradníkom v holandskom zahraničnom obchode a vďaka svojim kontaktom získal pre Heikeho relatívne bohaté zdroje tohto len nedávno objaveného plynu (za čo mu Heike verejne ďakuje vo svojej nobelovskej prednáške). Mimochodom, Dewar nemusel získavať hélium zo zahraničia, mohol ho mať priamo od svojho krajana, ktorý hélium objavil. Sir Ramsay a Sir Dewar sa však nemali radi.
Pri skvapalnení hélia Kamerlingh Onnes znova využil van der Waalsovu teóriu. Tentoraz na základe meraní pri teplote kvapalného vodíka vypočítal predpokladané vlastnosti kvapalného hélia, na základe týchto výpočtov zostrojil zariadenie s veľmi presne naladenými parametrami a v roku 1908 vyrobil kvapalné hélium. Van der Waals získal Nobelovu cenu v roku 1910, Kamerlingh Onnes tri roky po ňom. A medzitým, v roku 1911, stihol objaviť supravodivosť.
Supravodiče, najmä supravodivé magnety, dnes používame v mnohých zariadeniach, od gigantických urýchľovačov elementárnych častíc cez rýchlovlaky až po NMR (nukleárnu magnetickú rezonanciu). A všade používame na ich chladenie kvapalné hélium. Práve chladiace vlastnosti kvapalného hélia založili jeho celosvetovú slávu. K teplotám len štyri stupne nad absolútnou nulou a postupne aj k nižším sme sa dostali vďaka jednej mimoriadnej vlastnosti hélia – vďaka tomu, že sa mení na kvapalinu až pri extrémne nízkych teplotách.
A prečo má túto vlastnosť práve hélium? Nemáme už veľa miesta, takže len celkom heslovito. Keď Rutheford objavil pomocou jadier hélia jadrá zlata, hneď vymyslel planetárny model atómu, ktorý však trpel nevyliečiteľnými chorobami. Urputná snaha fyzikov získať zdravý model atómu viedla nakoniec k vzniku kvantovej mechaniky, v ktorej rámci vieme vypočítať veľa vecí, medziiným aj to, ako vyzerá a ako sa správa atóm hélia. Tieto výpočty vysvetľujú, prečo hélium prakticky s ničím chemicky nereaguje a vysvetľujú aj to, prečo sú v héliu veľmi slabé príťažlivé sily, ktoré v konečnom dôsledku vedú k vzniku kvapaliny (mimochodom, volajú sa van der Waalsove sily). Štatistická fyzika nám zas hovorí, že ak chceme skvapalniť plyn s veľmi malými van der Waalsovými silami, potrebujeme veľmi nízku teplotu.
Na začiatku tejto série sme si povedali, že rozprávanie o héliu sa bude podobať dvojhlasnej fúge, v ktorej sa prepletajú témy kvantovej a štatistickej fyziky. Tak toto sme mali na mysli.
.martin Mojžiš
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.