Электросопротивление. Как показали низкотемпературные измерения, электросопротивление чистых металлов приблизительно линейно уменьшается с понижением температуры. На рис. 8 представлен график температурной зависимости удельного сопротивления . (отнесенного к удельному сопротивлению ?0 при 0. С) для платины, меди и железа. При температурах, приближающихся к абсолютному нулю, удельное сопротивление этих металлов стремится к постоянному значению. Это остаточное сопротивление при достаточно низких температурах зависит от содержания примесей в металле и от степени его деформации. Чем меньше примесей и чем меньше деформация, тем меньше и остаточное сопротивление. В 1911 Камерлинг-Оннес сделал важное открытие: электросопротивление ртути резко падает до нуля при температурах ниже 4,24 К (?268,9. С). Это явление, названное сверхпроводимостью, продемонстрировано на графике рис. 9. Позднее эффект сверхпроводимости был обнаружен и во многих других металлах. Сверхпроводимость и сейчас остается предметом углубленных исследований, экспериментальных и теоретических. Последовательную теорию сверхпроводимости предложили в 1957 Дж.Бардин, Л.Купер и Дж.Шриффер. Эффект нашел применение в измерительной и вычислительной технике, в сверхпроводящих магнитах и других устройствах. См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
.

Жидкий гелий. Измерения удельной теплоемкости и других характеристик жидкого гелия-4, проведенные В.Кеезомом и его сотрудниками в Лейдене, показали, что при 2,18 К наблюдается некое превращение. Выше указанной температуры, до точки кипения, равной 4,2 К, жидкий гелий ведет себя как нормальная жидкость. Но ниже 2,18 К он обнаруживает аномальные свойства: 1) остается жидким до абсолютного нуля, переходя в твердое состояние только после сжатия под давлением 2,5 МПа; 2) протекает по узким капиллярам, не обнаруживая вязкости, за что позднее был назван сверхтекучим; 3) на поверхностях, окунутых в него, образует "толстые" пленки (толщиной в 100 атомов), которые способны течь по поверхности без вязкого сопротивления; 4) стремится перетекать с холодных участков на теплые. В связи с последним обстоятельством возникло понятие "второго звука". Обычный, или "первый", звук - это волна давления, тогда как второй звук представляет собой тепловую волну в сверхтекучем гелии (названном гелием II), возникающую вследствие местного нагревания (или охлаждения) жидкости. В теоретическую интерпретацию поведения гелия II внесли свой вклад Ф.Лондон, Л.Тиса, Л.Д.Ландау и Р.Фейнман.

Явление сверхтекучести, обнаруживающееся не только в поведении гелия II, но и в безвязкостном течении носителей тока в сверхпроводниках, считается специфическим для физики низких температур. В 1972 в жидком гелии-3 (менее распространенном из двух изотопов гелия) были обнаружены необычные переходы при температурах ниже трех милликельвинов (0,003 К). Позже было экспериментально было показано, что это переходы в состояние сверхтекучести.

То обстоятельство, что оба встречающихся в природе изотопа гелия (с массами 3 и 4) практически до абсолютного нуля остаются жидкими при давлении своих насыщенных паров, привлекло внимание исследователей к свойствам их взаимных растворов при крайне низких температурах. Оказалось, что такие растворы на диаграмме состояния разделяются на фазу, богатую гелием-3, и фазу, богатую гелием-4, которые находятся в равновесии друг с другом при температурах ниже 0,8 К. Аналогичное разделение изотопных фаз было отмечено в твердых смесях гелия-3 с гелием-4 ниже 0,37 К; данный эффект тоже специфичен для физики низких температур.

Магнитные эффекты. Установлено, что парамагнитные соли, такие, как сульфат гадолиния и железные квасцы, до самых низких температур, достижимых с использованием жидкого гелия, подчиняются закону Кюри. Согласно этому закону, магнитная восприимчивость обратно пропорциональна термодинамической температуре. Поэтому изменения магнитных свойств таких солей очень заметны при низких температурах. Благодаря этому такие соли могут служить рабочим веществом для вторичной термометрии и, что еще важнее, для достижения температур ниже тех, которые можно получить с одним лишь жидким гелием. Метод магнитного охлаждения (рис. 10) был предложен независимо П.Дебаем и У.Джиоком. Он основан на том, что входящие в состав парамагнитных солей магнитные ионы ориентируются в магнитном поле. Соль намагничивают при низкой температуре (около 1,0 К) так, чтобы магнитные ионы практически полностью "выстроились" в направлении магнитного поля, а выделяющаяся при этом теплота намагничивания отбирается жидким гелием, окружающим соль. По окончании намагничивания соль теплоизолируют от ее окружения и выключают магнитное поле. Происходит адиабатическое размагничивание, которое и приводит к понижению температуры соли. Предельные температуры, достижимые таким методом, составляют 10?3-10?2 К.

В 1949 Дж.Даунт и К.Геер (США) предложили идею устройства, в котором магнитное охлаждение могло бы циклически повторяться, благодаря чему низкая температура поддерживалась бы сколь угодно долго. Для такого устройства требовались "тепловые ключи" из сверхпроводящих металлов. Первое устройство подобного рода, позволявшее поддерживать температуры до 0,25 К, было создано в 1953.

Еще в 1934 некоторые исследователи высказали мысль, что для магнитного охлаждения можно использовать магнитные моменты не ионов, а атомных ядер. Теоретические расчеты показывали, что если начинать охлаждение с температуры ок. 10?2 К, то можно будет достичь температур порядка 10?5 и даже 10?6 К. В 1956 ученым из Оксфордского университета удалось осуществить ядерное магнитное охлаждение: воздействуя на ядра металлической меди, они получили температуры до 2?10?5 К.

Криостат растворения. В 1960 было высказано предположение, что получать и сколь угодно долго поддерживать температуры порядка 10?3 К можно путем растворения жидкого гелия-3 в жидком гелии-4. В последующие годы было создано много криостатов растворения, способных длительно поддерживать температуры ниже 0,010 К. То, что криостаты растворения могут охлаждать сравнительно большие образцы до очень низких температур в непрерывном режиме, дает им некоторое преимущество перед установками с магнитным охлаждением.

Криостат растворения может служить для отвода теплоты при температуре ок. 0,015 К на первой ступени установки ядерного магнитного охлаждения. Системы, в которых криостат растворения сочетается со ступенью ядерного магнитного охлаждения, применяются для поддержания температур порядка 0,001 К при исследовании сверхтекучести жидкого гелия-3.

Компрессионное охлаждение гелия-3. Ниже 0,3 К термодинамические свойства жидкого и твердого гелия-3 необычны в том отношении, что при адиабатическом сжатии жидкий гелий охлаждается, причем с увеличением сжатия охлаждение продолжается, пока жидкая фаза не превратится в твердую. Это объясняется значительным вкладом ядерного магнетизма гелия-3 в его энтальпию. Такой характер поведения гелия-3 был теоретически предсказан И.Я.Померанчуком в 1950 и экспериментально подтвержден Ю.Д.Ануфриевым в 1965. С тех пор охлаждение методом адиабатического сжатия применяется во многих лабораториях. Такой метод позволяет, начиная с низких температур, поддерживаемых криостатом растворения, получать температуры ниже 0,003 К, достаточно низкие для проведения экспериментов со сверхтекучим гелием.

В 1986 в "ИБМ лэбораторис" (Цюрих) К.Мюллер и Дж.Беднорц, экспериментируя с керамическим проводником La - Ba - Cu - O, открыли явление высокотемпературной сверхпроводимости (температура перехода в сверхпроводящее состояние для этого керамика составила 35 К). Вскоре было найдено много керамических материалов с температурой перехода 90-100 К, которые сохраняли сверхпроводимость в магнитных полях до 200 кГс. Применение керамических сверхпроводящих материалов в последнее время принимает промышленные масштабы, поскольку их можно охлаждать недорогим жидким азотом. См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
.

раздел физики, посвященный изучению структуры атомного ядра, процессов радиоактивного распада и механизма ядерных реакций (См. Ядерные реакции). Придавая этому термину более общий смысл, к Я. ф. часто относят также физику элементарных частиц (См. Элементарные частицы). Иногда разделами Я. ф. продолжают считать направления исследований, ставшие самостоятельными ветвями техники, например ускорительную технику (см. Ускорители заряженных частиц), ядерную энергетику (См. Ядерная энергетика). Исторически Я. ф. возникла ещё до установления факта существования ядра атомного (См. Ядро атомное). Возраст Я. ф. можно исчислять со времени открытия радиоактивности (См. Радиоактивность).

Канонизированного деления современной Я. ф. на более узкие области и направления не существует. Обычно различают Я. ф. низких, промежуточных и высоких энергий. К Я. ф. низких энергий относят проблемы строения ядра, изучение радиоактивного распада ядер, а также исследования ядерных реакций, вызываемых частицами с энергией до 200 Мэв. Энергии от 200 Мэв до 1 Гэв называются промежуточными, а свыше 1 Гэв - высокими. Это разграничение в значительной мере условно (особенно деление на промежуточные и высокие энергии) и сложилось в соответствии с историей развития ускорительной техники. В современной Я. ф. структуру ядра исследуют с помощью частиц высоких энергий, а фундаментальные свойства элементарных частиц устанавливают в результате исследования радиоактивного распада ядер.

Обширной составной частью Я. ф. низких энергии является нейтронная физика, охватывающая исследования взаимодействия медленных нейтронов с веществом и ядерные реакции под действием нейтронов (см. Нейтронная спектроскопия). Молодой областью Я. ф. является изучение ядерных реакций под действием многозарядных ионов. Эти реакции используются как для поиска новых тяжёлых ядер (см. Трансурановые элементы), так и для изучения механизма взаимодействия сложных ядер друг с другом. Отдельное направление Я. ф. - изучение взаимодействия ядер с электронами и фотонами (см. Фотоядерные реакции). Все эти разделы Я. ф. тесно переплетаются друг с другом и связаны общими целями.

В Я. ф. (как и во всей современной физике) существует резкое разделение эксперимента и теории. Арсенал экспериментальных средств Я. ф. разнообразен и технически сложен. Его основу составляют ускорители заряженных частиц (от электронов до многозарядных ионов), ядерные реакторы (См. Ядерный реактор), служащие мощными источниками нейтронов, и Детекторы ядерных излучений, регистрирующие продукты ядерных реакций. Для современного ядерного эксперимента характерны большие интенсивности потоков ускоренных заряженных частиц или нейтронов, позволяющие исследовать редкие ядерные процессы и явления, и одновременная регистрация нескольких частиц, испускаемых в одном акте ядерного столкновения. Множество данных, получаемых в одном опыте, требует использования ЭВМ, сопрягаемых непосредственно с регистрирующей аппаратурой (см. Ядерная спектроскопия). Сложность и трудоёмкость эксперимента приводит к тому, что его выполнение часто оказывается посильным лишь большим коллективам специалистов.

Для теоретической Я. ф. характерна необходимость использования аппаратов разнообразных разделов теоретической физики: классической электродинамики (См. Электродинамика), теории сплошных сред, квантовой механики (См. Квантовая механика), статистической физики (См. Статистическая физика), квантовой теории поля (См. Квантовая теория поля). Центральная проблема теоретической Я. ф. - квантовая задача о движении многих тел, сильно взаимодействующих друг с другом. Теорией ядра и элементарных частиц были рождены и развиты новые направления теоретической физики (например, в теории сверхпроводимости (См. Сверхпроводимость), в теории химической реакции), получившие впоследствии применение в других областях физики и положившие начало новым математическим исследованиям (обратная задача теории рассеяния и её применения к решению нелинейных уравнений в частных производных) и др. Развитие теоретических и экспериментальных ядерных исследований взаимозависимо и тематически связано. Стоящие перед Я. ф. проблемы слишком сложны и лишь в немногих случаях могут быть решены чисто теоретическим или эмпирическим путём. Я. ф. оказала большое влияние на развитие ряда других областей физики (в частности, астрофизики и физики твёрдого тела) и других наук (химии, биологии, биофизики).

Прикладное значение Я. ф. в жизни современного общества огромно, её практические приложения фантастически разнообразны - от ядерного оружия (См. Ядерное оружие) и ядерной энергетики до диагностики и терапии в медицине (см. Радиология). Вместе с тем (и это является специфической особенностью Я. ф.) она остаётся той фундаментальной наукой, от прогресса которой можно ожидать выяснения глубоких свойств строения материи и открытия новых общих законов природы.

Лит. см. при ст. Ядро атомное.

И. С. Шапиро.

научный журнал Отделения ядерной физики АН СССР. Основан в 1965, издаётся в Москве. Выходит 2 тома в год по 6 выпусков в каждом. Публикует оригинальные статьи, рассчитанные на специалистов по физике атомного ядра, физике элементарных частиц, физике частиц высоких энергий, физике космических лучей. Тираж (1978) около 1000 экз. Переиздаётся в США на английском языке (с 1965).