Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

В 1913 г. русские ученые Л. Мандельштам и Н. Папалекси экспериментально показали, что заряженные частицы, создающие в металлах электрический ток, обладают массой. Для этого ученым понадобилась проволочная катушка и… динамики. Подключив динамики к катушке, исследователи раскрутили ее, затем резко остановили — и услышали щелчок. Тот же результат дало раскручивание в другую сторону, и ученые заключили, что из-за резкой остановки электроны отбрасывает в конец провода, словно пассажиров автобуса. Инерция становится электродвижущей силой — по проводу пробегает импульс тока. А это значит, что у частиц, так же как у людей, должна быть масса. Таким образом, Мандельштам и Папалекси подтвердили предположения Друде о возникновении тока вследствие движения частиц — носителей заряда — через кристаллическую решетку.

Через три года американцы Р. Толмен и Т. Стюарт благодаря гальванометру сумели определить массу электрона. Подсоединив прибор к катушке из 500-метрового провода, ученые раскрутили ее до скорости 500 м/с, а затем остановили. В ходе раскручивания гальванометр фиксировал появление инерции, исполняющей роль сторонней электродвижущей силы, так что после остановки катушки исследователи интегрировали (то есть суммировали) эти показания по всей длине провода — и получили формулу ЭДС. Затем, собрав все данные (ЭДС, длину провода и его сопротивление, радиус катушки, направление и скорость вращения, время остановки), они вычислили удельный заряд частицы — отношение ее элементарного заряда к массе. А попутно выяснили, что знак заряда, который несут изучаемые частицы, отрицательный. Данное открытие стало фундаментом классической теории электропроводности металлов.

Постепенно сформировалось шесть базовых положений этой теории:

1. Чем больше в металле свободных электронов, тем выше его способность проводить ток.

2. Все металлы имеют разное сопротивление, поскольку количество электронов в их кристаллических решетках не одинаково.

3. По мере роста температуры внутри металла его сопротивление увеличивается.

4. Чтобы в металле возник ток, необходима внешняя сила, которая упорядочит хаотичное движение электронов.

5. Ток возникает в тот самый момент, когда начинается воздействие на электроны.

6. Сила тока в металле соответствует закону Ома.

Из третьего пункта следует, что нагревание металла изнутри снижает его способность проводить ток — ведь из-за высокой температуры стройное движение электронов нарушается, и они начинают беспорядочно метаться, то и дело натыкаясь на решетку и разогревая проводник еще больше. Поэтому важно следить за тем, чтобы проводники не перегревались.

Открытие электропроводности стало первым шагом к глубокому изучению свойств металлических проводников тока, вследствие чего была создана теоретическая база для конструирования бытовой и производственной техники, которая является неотъемлемой частью современной жизни.

Сверхпроводимость — способность вещества без сопротивления пропускать через себя большое количество электрического тока — связана с тем, что электроны проходят через кристаллическую решетку парами. Казалось бы, это парадокс, ведь два электрона, скорее, наткнутся на атомы решетки, затормозят, расшатают само препятствие, вследствие чего проводник разогреется и его сопротивление возрастет. Но дело обстоит иначе, когда речь идет об очень низкой температуре окружающей среды…

В 1908 г. голландскому физику Хейке Камерлинг-Оннесу (1853–1926) удалось сжижить гелий — для этого понадобилось сначала охладить газ в кипящем жидком водороде до ‒230 °C, а затем пропустить через узкую трубку под высоким давлением. Далее начались эксперименты, целью которых было выяснить: насколько сопротивление металлов зависит от температуры? Поочередно помещая проводки из золота и платины в криостат с жидким кислородом, водородом, азотом, гелием и пропуская через них ток, ученый понял: чем холоднее окружающая среда, тем ниже сопротивление проводника. Затем он заменил металлические проволоки ртутью, и в гелии ее сопротивление почему-то исчезло вовсе. Хейке подумал было, что в криостате случилось короткое замыкание — то есть две точки цепи с разницей в напряжении случайно соединились, вызвав резкое падение сопротивления и скачок силы тока. Ученый проделывал эксперимент еще и еще, даже взял другую емкость для ртути — не в форме U, а в форме W. Все зря! Замеры показывали полное отсутствие сопротивления.

Причину данного явления Хейке узнал не сразу — и то лишь благодаря халатности своего помощника-студента. В обязанности молодого человека входило следить за тем, чтобы давление в криостате с гелием всегда было ниже атмосферного. (Камерлинг-Оннес создал такие условия потому, что добыча и очистка гелия была очень затратным удовольствием, а малейшее повреждение сосуда, куда его закачивали, при обычном давлении привело бы к испарению газа.) Но во время одного из экспериментов уставший студент уснул, и вскоре гальванометр показал, что сопротивление ртути растет. Коллега Хейке, проводивший измерения, поспешил проверить состояние криостата и обнаружил, что по недосмотру помощника давление и, соответственно, температура в камере повысились. Тогда-то ученым и открылась истина: сверхпроводимость ртути связана с низкой температурой гелия. Температура кипения жидкого гелия составляет ‒268,95 °C, что всего на 4° выше абсолютного нуля, а ртуть из проводника превращается в сверхпроводник при ‒269 °C — именно при такой температуре ее кристаллическая решетка перестает создавать помехи свободному движению электронов.

Объяснить происходящее Хейке не смог, и лишь двадцать лет спустя изучение явления сверхвысокой проводимости перешло на новый этап. В 1933 г. немецкие физики В. Мейсснер и Р. Оксенфельд опытным путем установили, что сверхпроводники, в отличие от проводников, словно выталкивают из себя магнитное поле. Данный эффект, названный в честь самого Мейсснера, возникал, например, тогда, когда магнит помещался над оловянной или свинцовой чашей, охлажденной до отметки ниже переходной от проводника к сверхпроводнику. Поле магнита направлялось на чашу, и в ней возникали мгновенные индуктивные токи, создающие новое магнитное поле, направленное против первоначального. Потому магнит не падал в чашу, а парил над ней «в невесомости». (Неофициальное название этого явления — «гроб Магомета» — возникло благодаря легенде о том, что гроб великого пророка левитировал.)

Причина же сверхпроводимости была открыта лишь в 1957 г., с появлением теории БКШ, названной по первым буквам фамилий американских физиков Джона Бардина (1908–1991), Леона Купера (р. 1930) и Джона Роберта Шриффера (р. 1931). Согласно этой теории, в экстремальном холоде атомы металлов, будучи очень тяжелыми, прекращают колебаться, и кристаллическая решетка застывает в одном положении. Свободные электроны внешней атомной оболочки отправляются в путешествие между «прутьями» решетки, наделяя металл способностью проводить ток, а сами атомы, лишившись отрицательных зарядов, ионизируются — то есть заряжаются положительно. Как только сверхпроводник подключается к батарее и в нем возникает напряжение, электроны направляются в одну сторону, периодически натыкаясь на атомы-ионы. Те, хоть и не начинают колебаться, все-таки на миг немного сближаются и создают положительное энергетическое поле, которое притягивает еще одну отрицательную частицу. В итоге второй электрон проскальзывает вперед «зайцем», словно прицепившись к первой частице, и так происходит снова и снова. При этом на создание пар электроны тратят массу энергии, и у них попросту не остается сил на то, чтобы хоть как-то взаимодействовать с атомами. Ослабленные электроны сбавляют темп, в то время как атомы уже не реагируют на них и не «ставят подножки». Сопротивление падает до нуля — электроны двигаются дальше без остановок и потерь энергии.