科学技術史における今日 | 1908年7月10日 人類は初めてヘリウムガスの液化に成功した

1908 年 7 月 10 日、超伝導の発見者でありオランダの物理学者であるカメルリング・オンネスが、初めてヘリウムの液化に成功し、科学における重要な進歩を記録しました。当時、ヘリウムは気体状態で極めて安定しており、どのような温度でも凝縮しないため、人類はヘリウムを液化することができず、その液化は科学者にとって大きな課題となっていました。

長い期間にわたるたゆまぬ努力の末、オンネスはついにヘリウム液化の問題を解決する鍵となる方法を発見した。彼は新しいタイプの冷凍技術を使い、ヘリウムを低温環境に置き、高圧を加えることで、ついにヘリウムを液化することに成功した。この画期的な実験により、彼は1913年のノーベル物理学賞を受賞し、液化ヘリウムの研究の新しい時代を切り開きました。

●ヘリウム液化の問題を解決する

1882年、29歳のカメルリング・オンネスがオランダのライデン大学の物理学教授および物理学研究所所長に任命されました。当時、世界物理学は転換期にあり、人々は物理的な実験にますます注目していました。オンネス氏はライデン大学の物理学研究所の所長に就任した後、低温物理学を主な研究分野にすることを決意した。

1908 年 7 月 10 日、慎重な準備を経て、カメルリング・オネスと彼の同僚たちは協力してついにヘリウムを液化することに成功しました。これは 20 世紀における「ビッグサイエンス」の初登場であり、最初の成功でした。

この実験をうまく実行するために、オンネスは非常に慎重な準備をしました。彼はヘリウムの液化温度をあらかじめ理論的に推定しており、その温度は 5K から 6K の間になると予想されていました。ヘリウムは大量に貯蔵されており、供給も十分です。液体水素は自家製です。

実験の前日、彼らは実験に使用する75リットルの液体空気を準備した。午前5時ごろ、液体水素20リットルを準備し、ヘリウム液化装置に少しずつ注ぎ込んだ。液体水素で予冷するときは細心の注意を払ってください。システムにほんの少しの空気が混入しただけでも、これまでの努力はすべて無駄になってしまいます。

午後１時半、ヘリウムはすべてヘリウム液化装置に注入され、循環し始めた。液化装置の中心にあるサーモスタットは、これまでに到達したことのない温度、つまりヘリウム温度計でしか示せない温度に達し始めました。

しかし、指標は長い間変化しませんでした。圧力を調整したり、膨張ピストンを交換したり、液化装置の稼働を促進するためにさまざまな手段を講じたが、温度計は動いているようで動いていない状態となり、判断が困難であった。この時点で液体水素はほぼ枯渇しており、液体ヘリウムはまだ残っていなかった。

夕方7時半、実験が失敗しそうになったのを見て、見学に来ていた教授がカメルリング・オネスに、ヘリウム温度計内のヘリウム自体も液化したのではないかと示唆した。何が起こっているか確認するために、コンテナを下から照らすことは可能でしょうか?

オンネストンは悟りを開き、言われたとおりにした。その結果は彼を大いに驚かせた。中央サーモスタットはほぼ液体で満たされており、光の反射によって液体の表面が見えることが判明しました。今回、カメルリング・オネスは合計60mlの液体ヘリウムを得て、4.3Kという低温に達し、ついに気体と液体の絶対境界が消えた。これは人類が絶対零度に向かう旅において重要な一歩となります。

●超伝導の発見者

金属の電気抵抗はオンネスにとって重要な研究テーマでした。

当時、絶対零度付近で金属の抵抗がどのように変化するかについてはさまざまな意見がありました。純粋な金属の抵抗は温度が下がるにつれて徐々に減少し、最終的には絶対零度で消えるはずだと信じる人もいました。オンネスは当初、1902 年にケルビンが提唱した別の見解を信じていました。それは、温度が下がると金属の抵抗は最小になり、その後、電子が金属原子に凝縮するため無限大になるというものです。オンネスはヘリウムを液化する技術を習得していたため、この問題を実験的に研究する条件が整っていました。 1911 年 2 月、彼は液体ヘリウムの温度で金とプラチナの抵抗を測定し、4.3K 未満ではプラチナの抵抗は最小値に達してから増加するのではなく、一定のままであることを発見しました。そのため、彼は当初の見解を変え、純白金の抵抗は液体ヘリウムの温度で消えるはずだと信じるようになりました。

オンネス氏は自分の考えを検証するために、他の金属よりも精製しやすい水銀を実験対象として選びました。実験結果は、水銀の抵抗が約 4.2K で突然消失するという予期せぬ奇妙な現象を示しました。この驚くべき発見は、電力業界における発電効率が大幅に向上する可能性があることを示しているだけでなく、この超伝導を利用して超伝導モーター、超伝導磁石、超伝導ケーブルを製造するという大きな展望も開きます。 1911 年 4 月から 11 月にかけて、オンネスは 3 つの論文で連続して実験結果を詳細に報告しました。

1913 年、オンネスはスズと鉛が水銀と同じ超伝導性を持ち、不純な水銀も超伝導性を持つことを発見しました。オンネスは、物質の低温特性と液体ヘリウムの製造に関する研究により、1913年にノーベル物理学賞を受賞した。ライデン大学物理学研究所におけるオンネスの卓越したリーダーシップと管理のおかげで、この研究所は 20 世紀初頭に低温研究の世界的中心地となりました。

●戦略的な希ガス資源

液化ヘリウムの実現は当時の科学界に大きな影響を与えました。液体ヘリウムの出現により、研究者はヘリウムの性質や特徴をより深く理解できるようになり、他の物質の液化に関する研究が促進されました。第二に、液化ヘリウムの製造に使用される技術と設備は、研究者に、より広範な科学研究を実施するためのより多くの実験手段も提供します。

しかし、液化ヘリウム研究の重要性はこれにとどまりません。ヘリウムは重要な工業原料およびエネルギーであるため、その液化技術の進歩は産業部門に多大な利益をもたらすでしょう。液化ヘリウムは体積を大幅に減らすことができるため、保管や輸送が容易になり、工業生産や科学実験に便利です。さらに、液化ヘリウムは幅広い用途に使用されています。

ヘリウムは航空宇宙分野で重要な用途があり、人類の宇宙探査はヘリウムの無私の貢献と切り離すことはできません。例えば、液体燃料宇宙船の打ち上げにおいては、ヘリウムは燃料タンクや配管システムの洗浄剤や漏れ検出剤、燃料搭載時のブースターガスや冷却剤などとして欠かせない存在です。加圧された液体水素タンクや配管システムを清掃する場合、液体水素の低温環境では、他のガス（窒素やアルゴンなど）が凍結して液体水素と混ざり、パイプやバルブを詰まらせてしまいます。ヘリウムは、液化温度が水素よりはるかに低い唯一の不活性物質であるため、液体水素環境で動作できます。

ヘリウムは深海潜水においても重要な役割を果たし、深海探査の保護に役立ちます。たとえば、ダイバーは深海潜水（潜水艦）にヘリウムと酸素の混合ガスを使用することが多いです。窒素の代わりにヘリウムを使用するこの混合ガスは、ヘリウムの血液への溶解度が窒素のそれよりも大幅に低いため、ダイバーの血液に窒素が溶け込むことによって引き起こされる危険性と不快感を軽減することができます。また、ダイバーが水面に戻る際に急激な圧力低下により血管内に気泡が溜まるリスクも大幅に軽減されます。

ヘリウムは医療分野で重要な用途があり、「命を救う」ガスとして知られています。例えば、核磁気共鳴（NMR）や磁気共鳴画像（MRI）などの技術では、核磁気共鳴画像装置の中核となる超伝導磁石は、液体ヘリウムがなければ安定して動作できず、高解像度の画像を保証することができません。呼吸器疾患の治療において、ヘリウムは呼吸器系における酸素の透過率を高め、呼吸器疾患の症状を緩和することができます。さらに、ヘリウムは神経疾患の治療や予防にも使用できます。

情報化時代もヘリウムの保護なしには成り立ちません。ヘリウムは量子コンピューターに幅広く応用できる見込みがあります。量子ビットの温度を絶対零度付近に保つために、量子コンピューターは液体ヘリウムで冷却される必要がある。ヘリウムがなければ量子コンピュータは安定して動作できません。

「土地と資源の科学と文化」と「中国の科学」から総合的に