Расчеты парного потенциала атомов гелия могут привести к появлению более точных приборов для измерения давления и температуры.
Второй элемент: В погоне за точностью
Свечение гелия в газоразрядной трубке

Ученые выполнили наиболее точное на сегодняшний день теоретическое вычисление силы, действующей между двумя атомами гелия — парного потенциала.

Гелий используется практически повсеместно — от наполнения воздушных шаров (да-да, если его вдохнуть и попытаться что-нибудь сказать, голос будет звучать, как у персонажа мультфильма) до охлаждения медицинских лазеров и ядерных реакторов.

Гелий имеет ряд специфических свойств, которые выделяют его из ряда других веществ. Он является наиболее стабильным из всех химических элементов и имеет самую низкую температуру кипения. Гелий становится жидким при температурах, близких к абсолютному нулю, когда большинство других веществ находится в твердом состоянии. Фактически, он остается жидким и при абсолютном нуле, переходя в твердое состояние только при высоком давлении.

Гелий — единственное вещество, за исключением Бозе-конденсатов, демонстрирующее сверхтекучесть. Гелий не реагирует ни с какими другими элементами и, следовательно, не горит — это одна из причин, по которым он используется в конструкции жидкостных ракетных двигателей.

«Из всех элементов гелий находится в наиболее близком к идеальному газу состоянии», — рассказывает Кшиштоф Цалевич (Krzysztof Szalewicz), руководитель группы исследователей. «Пара атомов гелия формирует двухатомную молекулу с чрезвычайно слабыми связями. Все аспекты поведения системы, к примеру, при различной температуре, которая является мерой кинетической энергии частиц вещества, могут быть смоделированы, если известна сила межатомного взаимодействия. Знание точного значения парного потенциала гелия имеет немалое значение для различных областей науки, включая физику конденсированных сред, спектроскопию и метрологию».

Исследователи использовали сложные численные методы для расчета параметров физических эффектов, связанных с парным потенциалом гелия, которые редко рассматриваются молекулярной физикой. К таким эффектам относятся связь (coupling) движений ядер и электронов, взаимодействия в рамках СТО и квантовой электродинамики.

Ученые рассчитали, что среднее расстояние между атомами гелия составит 47.1±0.5 ангстрем (тогда как обычно длина химической связи составляет порядка 1 Å), а энергия диссоциации 1.62±0.03 мK. Предполагаемые неточности теоретических расчетов на порядок меньше погрешностей при экспериментальном измерении этих величин, сообщают исследователи.

Теплофизические параметры газообразного гелия, вычисленные на основании полученных значений, могут быть использованы для калибровки приборов для измерения, например, вязкости сред или скорости звука в них.

«Эти вычисления также должны привести к появлению новых стандартов измерения таких величин, как температура или давление», — говорит Цалевич. «Постоянное повышение метрологических стандартов важно с точки зрения прогресса экспериментальной науки и многих отраслей промышленности».

По пресс-релизу UDaily