1908년 7월 10일, 실험이 시작되었고 헬륨 가스가 회로를 통해 흐르고 온도가 떨어졌습니다. 그러나 14시간 작업 후 액체 헬륨의 흔적은 없었고 온도도 떨어지는 것을 멈추고 4.2K에서 꿋꿋이 고착된 듯 했다.
액체 헬륨의 흔적
이는 액체가 이미 형성되어 있지만 눈에 잘 띄지 않기 때문일 수 있다는 의견이 제시되었고, 실제로 그렇게 되었습니다. 용기의 조명을 조정하고 아래에서 조명을 비추면 갑자기 액체-기체 인터페이스를 인식할 수 있습니다. Onnes는 다음과 같이 썼습니다. ‘거의 비현실적으로 보였던 액체를 처음 보았을 때 놀라운 광경이었습니다. . . 그 표면은 칼날처럼 그릇에 날카롭게 서 있었다.’ 액체 헬륨은 실험실에서 만들어졌고 그 양은 60세제곱센티미터로 용기를 가득 채웠고, 찻잔 하나를 채울 수 있었습니다! Onnes는 다음과 같이 결론지었습니다. ‘모든 가스가 액화될 수 있는지 여부에 대한 패러데이의 문제는 van der Waals의 ‘물질은 항상 인력을 보일 것”이라는 의미에서 단계적으로 해결되었으며 따라서 근본적인 문제 가 제거되었습니다.’ 1913년 노벨 물리학상은 ‘특히 액체 헬륨의 생산으로 이어진 저온에서의 물질 특성에 대한 연구’로 Kamerlingh Onnes에게 수여되었습니다. 그의 노벨상 강의에서 그는 이렇게 회상했습니다.
저항은 무의미한가?
이제 액체 헬륨을 만들 수 있게 되었기 때문에 Onnes는 그 특성을 조사할 수 있었습니다. 우선 그는 액체 헬륨 표면 위의 압력을 낮추고 액체를 1K로 냉각시키는 데 성공했습니다. 그는 헬륨을 고체로 만들려고 했지만 실패했습니다(이제 우리는 이 퀘스트가 가망이 없었고 헬륨이 고압에서만 응고된다는 것을 알고 있습니다). 그는 액화 장치를 개선하여 1908년에는 3~4시간마다 1리터의 헬륨을 생산했고 10년 후에는 1시간에 거의 2리터까지 생산했습니다. 그는 또한 낮은 온도에서 재료에 대한 실험을 수행할 수 있도록 헬륨 저온 유지 장치에 액체 헬륨을 저장하는 방법을 찾았습니다.
Onnes는 새로 발견한 실험 기술을 당시의 뛰어난 과학적 문제로 전환하기로 결정했습니다. 절대 영도까지 냉각되면 금속의 저항은 어떻게 될까요? 금속을 냉각시키면 저항이 떨어진다는 것은 이미 잘 알려진 사실입니다. 우리는 이제 이것이 냉각을 수반하는 고체의 원자 진동 감소로 인한 것으로 이해합니다. 고체의 원자는 진동하는 젤리처럼 흔들리지만 더 낮은 온도에서는 흔들림이 적습니다. 전류를 흐르게 하려고 하면 전자가 고체를 통과하지만
Temperature
Matthiessen
Kelvin
Resistance
Dewar
Temperature
Matthiessen
Kelvin
Resistance
Dewar
20세기 초에 유행했던 세 가지 이론에 따른 금속의 저온 저항. 그러나 어느 쪽이 실험에 동의할까요?
전자는 진동하는 원자와 상호 작용할 때 편향될 수 있으며 이러한 편향을 ‘산란’이라고 합니다. 낮은 온도에서는 진동이 적다는 것은 전자의 산란이 적고 저항이 떨어진다는 것을 의미합니다. 거의 같은 방식으로, 큰 틈을 가로지르는 밧줄 다리를 건너는 것이 너무 많이 튀지 않는다면 상당히 도움이 됩니다. 그러나 온도가 절대 영도까지 떨어지면 어떻게 될까요?
세 가지 가능한 이론
20세기의 첫 10년 동안 유행했던 세 가지 가능한 이론이 있습니다(그림 6의 다이어그램 참조). Dewar는 온도가 떨어지면 저항이 0으로 떨어질 것이라고 확신했습니다. 켈빈 경은 전자 자체가 얼기 시작하여 더 많은 흐름을 방해하고 저항을 상승시킬 것이라고 주장했습니다. 훨씬 이전에 Matthiessen은 저항이 낮지만 0이 아닌 값에서 평평해질 것이라고 주장했습니다. Onnes는 자신의 실험실에서 세계 최저 온도에 접근할 수 있었기 때문에 분쟁을 해결할 수 있는 독보적인 위치에 있었습니다. 그의 본능은 Kelvin이 아마도 옳았을 것이라고 그에게 말했지만 그는 실험이 최종 중재자가 될 것임을 알고 있었습니다. 액체 헬륨에 대한 그의 연구가 기체의 특성을 결정하는 지배 방정식(반 데르 발스의 이상에 따라)을 확립하려는 욕구에 의해 동기가 부여된 것처럼 전도도에 대한 그의 연구는 전자에 대한 유사한 지배 방정식을 확립하려는 욕구에 의해 동기가 부여되었습니다. .