Produkcja: Alina Mackiewicz SIDMA

Scenariusz: Janusz Sidor

Reżyseria: Janusz Sidor

Zdjęcia: Rafał Cielek

Dofinansowanie: Fundacja Rozwoju Miasta Poznania

Doświadczenia wykonane w Zakładzie Fizyki Niskich Temperatur w Odolanowie Instytutu Fizyki Molekularnej PAN

 

Doświadczenie z ciekłym azotem – Efekt Meissnera

Materiał, w którym całkowicie zanika opór elektryczny, staje się nadprzewodnikiem. Nadprzewodnik jest też doskonałym diamagnetykiem — to znaczy, że jeżeli znajdzie się w polu magnetycznym, to nie będzie ono wnikać do jego wnętrza. Lub inaczej — pole magnetyczne zostanie wypchnięte z jego wnętrza (poza niewielką warstwą powierzchniową). Zjawisko to ilustruje doświadczenie nazwane „efektem Meissnera”.W warstwie powierzchniowej nadprzewodnika — jeśli w jego pobliżu znajdzie się magnes — pojawi się prąd elektryczny o natężeniu takim, by wytworzyć pole magnetyczne kompensujące to docierające z zewnątrz, z magnesu. Powstaje wtedy poduszka magnetyczna utrzymująca magnes nad nadprzewodnikiem lub nadprzewodnik nad magnesem. Mówimy wtedy o efekcie lewitacji.Materiały nadprzewodzące otrzymujemy w bardzo niskich temperaturach. Dzieli się je na niskotemperaturowe, czyli przechodzące w stan nadprzewodzący poniżej temperatury wrzenia ciekłego azotu oraz wysokotemperaturowe. 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 w oparciu o zasady fizyki kwantowej.

 

 

Doświadczenie z ciekłym azotem – 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.

 

Doświadczenie z ciekłym helem – 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.