Опыты с жидким азотом

Вы знаете, что всякое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: в твердом, жидком и газообразном. При высоких температурах это газ, при понижении температуры происходит кристаллизация вещества, оно становится жидким. При дальнейшем охлаждении вещество замерзает, становится твердым.

Мы привыкли к тому, что воздух и азот при обычных, нормальных условиях - это газы. Однако при понижении температуры их можно перевести в жидкое состояние, а при дальнейшем охлаждении даже заморозить, они затвердеют.

Вот здесь, в этом сосуде Дьюара (это по сути большой термос) находится жидкий азот. Температура жидкого азота -196°С, почти -200°С. Мы привыкли к тому, что при -50°С нам очень холодно, это сильный мороз. А здесь температура почти -200°С.

Попробуем вылить жидкий азот на какую-либо поверхность при комнатной температуре. Ну, например, на противень. Я выливаю азот. Смотрите, он быстро испаряется. Шарики жидкого азота бегают по поверхности противня. Идет испарение жидкого азота бурно, жидкий азот на поверхности ведет себя так же, как ведет вода, вылитая на раскаленную сковороду.

Перельем жидкий азот в другой сосуд Дьюара, стеклянный сосуд. Я это буду делать с помощью пенопластового стаканчика, из которого мне удобней будет наливать жидкий азот в этот стеклянный сосуд Дьюара. Видите, азот кипит очень бурно, идет бурное испарение, кипение жидкого азота, потому что сейчас идет охлаждение стенок стеклянного сосуда. По мере того, как внутренние стенки стеклянного сосуда будут остывать и принимать температуру жидкого азота, это бурное кипение прекратится, мы увидим довольно четкую границу между жидкостью и паром, хотя кипение продолжается. Вы видите, как пузырьки азотного пара поднимаются снизу от стенок и дна сосуда к его поверхности.

При таких низких температурах, почти -200°С, совершенно меняются свойства многих веществ. В частности, привычная гибкая упругая резина становится хрупкой. Я опускаю один из концов резиновой трубки в сосуд Дьюара и охлаждаю резину. И теперь я попробую ударить молотком сначала по теплому, неохлажденному концу резиновой трубки. А сейчас я буду ударять по охлажденному концу. Видите, охлажденный конец ведет себя, как стекло. Резина охрупчилась, стала твердой и хрупкой, и под ударами молотка она разлетается.

Мы сейчас с вами попробуем забить резиновые гвозди в дерево. Но для того, чтобы забить гвозди, нам нужен молоток. Мы воспользуемся не обычным стальным молотком, а сделаем ртутный молоток. Для этого я в специальную пенопластовую форму (вот у меня эта форма с углублением в пенопласте, вот углубление) предварительно опущу рукоятку будущего молотка. Деревянная рукоятка, я ее опускаю в углубление формы и налью в это углубление ртуть. Вот я наливаю ртуть в углубление формы. И сейчас я буду замораживать ртуть, наливая сверху на поверхность ртути жидкий азот. Я из сосуда Дьюара буду поливать форму и ртуть, которая налита у меня в эту форму.

Ну, будем считать, что ртуть замерзла, и наша задача теперь - извлечь молоток из формы. Для этого я подниму сначала молоток вместе с формой, освобожу рукоятку, опустив форму, и поробую вынуть молоток из формы. Для этого я должен покачать его, вот он залип. Видите, вот у меня что-то наподобие молотка. Я его пока опущу в жидкий азот, и нам нужно приготовить резиновые гвозди.

Для этого я возьму кусок гибкой резины, и нарежу из этой резины пару гвоздей. Один гвоздь отрезал, бросим его в жидкий азот, и второй. У меня резина имеет клинообразную форму, таким образом, с одной стороны эти гвозди как бы заточены. И сейчас я извлеку резиновый гвоздь из азота и попробую его забить вот этим ртутным молотком. Давайте второй гвоздь извлечем.

Вы, конечно, можете удивиться, что я держу резиновый гвоздь руками, он вроде бы имеет такую низкую температуру. Но, во-первых, я держу резину неплотно, и у меня между резиной и кожей пальцев образовалась воздушная подушка, она предохраняет пальцы от ожога. Металлический гвоздь так держать нельзя было бы. Ну и во-вторых, у резины низкая теплопроводность. Все это позволяет мне некоторое время держать резиновый гвоздь в руках.

Вот я забил второй гвоздь. Через некоторое время эти гвозди отогреются, и резина снова придет в нормальное свое состояние. Но пока идет отогрев резины, мы с вами посмотрим еще одно интересное свойство твердого тела при низких температурах.

У меня в руках свинцовый колокольчик. Вы слышите глухие удары его языка о колокол. Свинец мягкий, при комнатных температурах эти удары глухие. Охладим колокольчик в жидком азоте и посмотрим, как поведет себя свинец, вот этот свинцовый колокольчик, будучи охлажденным до температуры почти -200°С.

Вот идет еще бурное кипение азота. Это свидетельствует о том, что идет охлаждение колокольчика. Вот это бурное кипение постепенно прекращается. Колокольчик охладился, слушайте его звон. Это серебряный звон свинца при низких температурах.

За то время, пока мы экспериментировали с колокольчиком, по-видимому, резиновые гвозди уже успели нагреться. Посмотрим. Видите, резина гнется, она снова пришла в нормальное, обычное состояние. Скажем лучше так: мы привыкли к тому, что она гибкая и эластичная.

Интересно ведут себя при низких температурах такие вещества, как парафин и яичная скорлупа. Если осветить парафин ультрафиолетовым светом (у нас специальная лампа, которая излучает ультрафиолет, ультрафиолетом богато солнечное излучение, вы, благодаря ультрафиолету, загораете летом, а здесь у нас ультрафиолетовое излучение идет от специальной лампы), то, собственно говоря, ничего с ним не происходит. Видите, он по-прежнему темный. Тоже самое происходит и с яичной скорлупой при комнатной температуре. То есть когда у нас вещество находится при нормальной температуре (парафин или яичная скорлупа), то облучение ультрафиолетом не вызывает никаких превращений в свойствах этих веществ.

Охладим парафин и яичную скорлупу в жидком азоте. Вот я погрузил парафин и яичную скорлупу в жидкий азот, сейчас они у меня остынут, я даже попробую налить из маленького дьюарчика внутрь пустой яичной скорлупы жидкий азот. То есть у меня сейчас жидкий азот находится внутри скорлупы.

Посмотрим, что произойдет с яичной скорлупой, если осветить ее сейчас ультрафиолетом. Вот я освещаю яичную скорлупу ультрафиолетом и поворачиваю на фоне черного экрана яичную скорлупу к вам той стороной, которую я освещал. Смотрите, как ярко светится яичная скорлупа. Вот я повернул ее снова неосвещенной стороной, она темная, а освещенная сторона высвечивает таким голубым, ярким голубым светом.

Еще раз попробуем осветить яичную скорлупу и еще раз продемонстрировать это эффект. Вот вы видите яркую люминесценцию после свечения яичной скорлупы, освещенной предварительно в ультрафиолете. Но, конечно, она была охлаждена до температуры жидкого азота, при комнатной температуре такого эффекта мы не наблюдаем. То же самое, оказывается, происходит и с парафином. Он также люминесцирует после того, как мы его осветим ультрафиолетом. Вот я освещаю парафин. Смотрите, как светится кусок парафина. А вот темная сторона, неосвещенная. И опять таки это происходит лишь при низкой температуре - при температуре жидкого азота.