1895. Сосуд Дьюара
Наверное, если бы я был таким преподавателем, который работал бы только в своём институте, и моими слушателями были бы только студенты на лекциях и коллеги на отчетах, я бы так и не начал писать научно-популярные статьи для электронных и бумажных журналов и даже книги.
К своему и, надеюсь, не только своему счастью моя аудитория шире – радиослушатели и просто люди, приходящие на открытые лекции – от младшеклассника до пенсионера. Очень часто такие открытые лекции в моем городе организовывает «Лаборатория Yesnauka», вместе с которой мы и проводим мероприятия по «Educatement» – образованию с развлечением (education+entertainment). Пожалуй, программой, в равной степени интересной для детской и взрослой аудитории, от «Yesnauka» можно назвать криошоу, во время которого жидкий азот помогает пускать «дымовые завесы», делать мороженое и многое другое. У лаборатории нет оборудования, позволяющего сжижать азот, и жидкий ультрахолодный азот доставляют на шоу с помощью такого замечательного устройства, как сосуд Дьюара.
Изобретатель этого устройства, шотландец Джеймс Дьюар (не стоит его путать со специалистом по теоретической химии ХХ века Майклом Дьюаром) родился в 1842 году в городе Кинкардин-он-Форт. Зимы в Шотландии в те времена были холоднее, чем теперь, до глобального потепления было далеко, и однажды в детском возрасте Дьюар упал и получил травму во время зимних мальчишеских забав. Он был прикован к постели почти два года, за это время он успешно освоил профессию скрипичных дел мастера, что, вероятно, и развило его моторику наряду с умением обращаться с материалом. Окончив университет в Эдинбурге, Дьюар провёл шестнадцать лет в Шотландии, работая помощником профессоров, одним из которых был Крум Браун, который одним из первых предложил изображать молекулу в виде кружков и палочек. Собственные попытки Дьюара вести исследования были весьма разнообразны – попытка определения структурной формулы бензола (безуспешная), измерение температуры Солнца, воздействие света на сетчатку животных и новые методы химического анализа.
В 1875 году Дьюар получил преподавательскую должность в Кембридже, хотя это назначение не было пределом мечтаний. Дьюару дали маленькое помещение для работы, но это не было самой главной проблемой – прежде всего его разочаровала консервативная атмосфера среди преподавателей и коллег. Он начал совместную работу с профессором Джорджем Ливингом по вопросам спектроскопии атомов и молекул. Это сотрудничество продлилось много лет, и исследователям удалось выйти из видимой области спектра в ультрафиолетовую и инфракрасную. Дьюар также измерял тепловые эффекты растворения водорода в твёрдом палладии, используя для этого двухстенный калориметр из латуни, из пространства между стенок которого был удалён воздух – прототип того, что мы сейчас называем сосудом Дьюара. После двух лет мытарств в Кембридже Дьюар занял должность профессора в Королевском Институте Лондона, где в полной мере и проявился его талант лектора. Дьюар не любил начитывать лекции строго по учебному плану, предпочитая строить занятия на новом материале, который еще не попал в учебники и вызывал бурное обсуждение среди слушателей.
В 1878 году, когда Рауль Пикте и Луи-Поль Кэллете смогли превратить воздух в жидкость, Дьюар увидел в этом замечательную возможность достичь абсолютного нуля. Он воспроизвёл эксперимент по сжижению воздуха на лекции, затем, используя эффект Джоуля-Томпсона – понижение температуры газа при его расширении, – сумел достичь температур меньших, чем температура жидкого воздуха. Тут и пригодились новые двухстенные сосуды с вакуумом между стенками. Теперь они изготавливались не из латуни, а из посеребрённого стекла, а разрежение между ними создавалось с помощью вакуумных насосов. К несчастью Дьюара, у него не было практической сметки, и, несмотря на очевидную коммерческую перспективу устройства, Дьюар его так и не запатентовал. В 1904 году немецкий стеклодув Рейнгольд Бургер заметил, что молоко для его ребенка, налитое в сосуд Дьюара, оставалось тёплым. Он добавил к конструкции сосуда Дьюара металлический корпус, пробку, крышку-стаканчик, запатентовал устройство и начал продавать под знакомым каждому товарным знаком «Термос». Дьюар в ярости подал на Бургера в суд, требуя возместить нанесенный ущерб, но суд не удовлетворил иск учёного.
В 1895 году Дьюар продемонстрировал, что предварительно охлаждённый до –200 °C и сжатый до 200 атмосфер при пропускании через тонкие сопла водород превращается в жидкость. Скоро Дьюар научился получать жидкий водород литрами, хотя опасные эксперименты с ним приводили к частым взрывам, в которых, заметим, двое сотрудников Дьюара потеряли по глазу. Есть картина, на которой Дьюар изображен стоящим за кафедрой Королевского Института, а в руках у него сосуд Дьюара с жидким водородом. Самое примечательное, что, судя по этой картине, лекционная аудитория освещается газовыми фонарями, так что Джеймс Дьюар рисковал не только чужими жизнями и здоровьем.
Получая вещества со всё меньшей температурой, Дьюар пытался изучать физические и химические свойства всего, что он мог охладить. Однако, как Дьюар не старался, один газ ему так и не удалось перевести в жидкое состояние – гелий. Эту задачу смог решить нидерландец Хейке Камерлинг-Оннес, работа которого лучше финансировалась. Получение жидкого гелия позволило Камерлинг-Оннесу обнаружить явление сверхпроводимости и получить Нобелевскую премию по физике в 1913 году. Несмотря на неудачу с гелием, Дьюар не терял энтузиазм. Во время Первой мировой войны он принял участие в разработке кордита, а после войны тоже занимался Educatement – разрабатывал более дешевые составы для более прочных и разноцветных мыльных пузырей. Умер Джеймс Дьюар в 1923 году.
