Неон: факты и фактики

А. Мотыляев
pic_2017_04_06-1.jpg

Как открыли неон? В отличие от большинства химических элементов, неон искали строго по науке. После открытия гелия и аргона в 8-й группе таблицы Д.И.Менделеева возникла пустая клетка между этими элементами. Неудивительно, что сразу двое исследователей, француз Лекок де Буабодран в 1895-м и англичанин Уильям Рамзай в 1897 году предположили, что ее занимает еще один инертный газ с атомным весом 20. Рамзай не ограничился предположением и довел дело до конца, а помогло ему то обстоятельство, что люди уже научились получать жидкий воздух. Вот как Рамзай описывает свое открытие (подробности можно найти в июльском номере журнала за 1968 год):

«...Д-р Гампсон (один из создателей технологии сжижения газов. — Примеч. ред.) прислал нам еще жидкого воздуха; это дало возможность перевести аргон в жидкое состояние; теперь он представлял собой прозрачную, как вода, подвижную жидкость.

При перегонке смеси воды и этилового спирта первые порции содержат почти чистый спирт; та жидкость (обычно спирт), которая кипит при более низкой температуре, испаряется раньше; затем следуют смеси спирта и воды, а в конце идет чистая вода. Этот всем известный способ подсказал нам путь для открытия наиболее легкого газа этой группы; его должна была содержать та “порция”, которая раньше испаряется. Первые газовые пузырьки мы собирали отдельно — и не обманулись в ожиданиях. Спектр получился блестящий, безусловно новый; трубка светилась ярко-красным светом, происходившим от большого числа красных линий.

Когда мы в первый раз просматривали спектр, около нас крутился мой двенадцатилетний сын.
— Папа,— спросил он,— как называется этот красивый газ?
— Это еще не решено,— ответил я.
— Он что, новый? — продолжал спрашивать мальчик.
— Новооткрытый,— возразил я.
— А почему бы его в таком случае не назвать “novum”?
— Не подходит, это не греческое слово, — ответил я. — Но мы назовем его “неон”; это по-гречески означает “новый”.

Вот таким образом газ получил свое название».

Почему неон стал символом световой рекламы? Этот газ дает в разряде удивительно сильный красно-оранжевый свет, тот самый, что так поразил сына Рамзая. Произвел впечатление этот газ и на многих изобретателей, но вплоть до возникновения промышленности сжиженных газов использовать неон было невозможно — ведь он получается при перегонке жидкого воздуха. Но вот в 1902 компания «Эр ликвид», основанная французским изобретателем Жоржем Клодом, начала промышленный выпуск неона, а в 1904 году американский изобретатель Дэниэл Мур придумал газоразрядную лампу — трубку Мура, — в которой светился азот. Клод воспользовался идей Мура — создал свою лампу, заполненную неоном, и продемонстрировал ее в 1910 году на автомобильной выставке в Париже. В 1912 году первая неоновая вывеска появилась на парикмахерской бульвара Монпарнас. Мировая война помешала бизнесу в Европе, но уже в 1919 году Парижская опера засияла красными – неоновыми – и голубыми – аргоновыми – огнями. Но еще в 1915 году Клод получил американский патент, обеспечивший его компании монополию на поставку неоновых ламп. Монополия очень пригодилась — яркие светящиеся трубки, которым можно было придавать самые замысловатые формы, стали основой рекламных вывесок на всей территории США, а после войны завоевали весь мир. Затем на смену им пришли вывески на светодиодах.

pic_2017_04_07-1.jpg
Знаменитое парижское кабаре расцвечено неоновыми огнями

Какие еще технологии света созданы с помощью неона? Неоновый свет после исчезновения неоновых реклам не пропал совсем. Во-первых, некоторые дизайнеры стараются возродить ретротрубки в современных проектах. А во-вторых, у неоновой лампы есть интереснейшее свойство: порог ее свечения столь мал, что его может вызвать сильное электрическое поле. Поэтому неоновые лампы используют в качестве индикаторов электричества — напряженность поля, при которой индикатор срабатывает, то есть, начинает светиться, задается формой электродов. Кроме того, подобные лампы размещают на проводах линий электропередач, и они светятся без подвода дополнительной энергии. Это нужно для того, чтобы низко летящие самолеты не задевали за провода. С той же целью неоновые лампы размещают и на высотных строениях. Неон хорош еще и тем, что светит в том самом диапазоне, который слабо поглощается атмосферой, то есть его красное свечение хорошо видно на больших расстояниях.

Еще одна схожая область применения неона — гелий-неоновые лазеры. В них неон составляет пятую часть рабочего тела, но именно ему гелий передает возбуждение, и возбужденный неон потом излучает свет. Такие лазеры есть в научных приборах, их используют в голографии, для считывания штрихкодов и во многих других областях вплоть до облучения семян, чтобы улучшить их всхожесть. Такой же лазер американская компания «Пионер» установила в первом проигрывателе лазерных видео-дисков.

У неона был шанс завоевать обширный сектор рынка, когда появились плазменные экраны, где в качестве пикселя использовали миниатюрные газоразрядные лампы, в частности неоновые. Но жидкокристаллические экраны быстро вытеснили плазму.

pic_2017_04_06-2.jpg
Если через электромагнитную линзу пропустить сильный ток, то пролетающая сквозь нее струя сверххолодных атомов неона так сфокусируется, что на уменьшенном изображении будут видны мельчайшие детали. А если ток малый, то изображение расплывется. В качестве шаблона американские физики из Техасского университета использовали пластину с прорезями в форме буквы F и головы техасской коровы («Journal of Chemical Physics» - полный текст)

Зачем неон в космосе? Многие космические приборы, впрочем, как и наземные, требуют сильного охлаждения — при низкой температуре исчезают тепловые шумы, падает уровень фона, и в результате, например, детектор телескопа может различить свет гораздо более слабой звезды. Неон обладает одновременно низкой температурой кипения — ниже только у водорода и гелия — и высокой теплоемкостью: он поглощает тепло в три раза лучше, чем гелий. Поэтому жидкий или твердый неон либо сам служит охладителем, либо прилагается к гелиевому охладителю в качестве теплового буфера — для поглощения внезапных выбросов тепла (« Physics Procedia» - полный текст). Нужен такой буфер и для стабилизации работы криосистем, обеспечивающих низкотемпературную сверхпроводимость. Вообще, в середине XX века криогенные приложения неона опередили по объему использования рекламные лампы.

Что такое неоновая матрица? При замораживании неона в него можно ввести молекулы различных веществ и далее заняться изучением различных электронных переходов в таких холодных молекулах либо непосредственно химией сверххолодного состояния. В последнем случае молекулы возбуждают с помощью высокоэнергетического облучения, при этом разрываются одни связи между атомами и возникают другие. Помимо неона для таких опытов используют и другие замороженные инертные газы.

Что такое неоновый микроскоп? Возможное новейшее применение неона — так называемая атомная оптика. Она появилась после того, как физики научились работать со сверххолодными атомами; такие атомы ведут себя подобно волне де Бройля с соответствующей длиной волны — весьма маленькой, если сравнивать со светом. Работая методами атомной оптики с пучками нейтральных атомов, в частности с неоном, можно получать изображения на фоторезисте с высокой точностью деталей («Вестник Российской академии наук», 2011, 81, 4). Это, впрочем, требует отладки всей аппаратуры для управления атомными пучками — линз и зеркал.

Другое возможное применение неона — ионная микроскопия. Этот метод разрабатывают для изучения трехмерной структуры материалов, главным образом органического происхождения. Пучок ускоренных ионов направляют на поверхность образца, при ударе они выбивают ионы элементов, которые находятся в исследуемом материале, а детектор их собирает и определяет, что это за элемент и с какой глубины он прилетел. Так можно построить трехмерную карту распределения концентраций элементов и выявить внутреннее строение образца на глубину в сотни нанометров. В недавних опытах («Beilstein Journal of Nanotechnology» - полный текст) ионы неона давали более четкий профиль концентрации исследуемых атомов в искусственно созданной слоистой структуре, чем гелий, при этом их было достаточно разогнать всего до 1 кэВ, а более тяжелый аргон для получения того же результата приходилось разгонять до 20 кэВ. В итоге неон меньше разрушает образец, а это важно для исследования биологических тканей. Есть также идеи использовать ионы неона для вытравливания на поверхности графена различных структур («Nanotechnology»).

pic_2017_04_07-2.jpg
При изучении слоистой структуры из полиэтилена и политетрафторэтилена микроскоп с ионами неона показал переменное распределение содержания фтора, что позволило увидеть слои

Существуют ли химические соединения неона? Неон химически крайне неактивен, поэтому, в отличие от тяжелых инертных газов вроде ксенона, он не создает полноценных молекул. Однако химические соединения с неоном известны — как правило, они возникают благодаря силам Ван дер Ваальса, когда неон осваивает какие-то поры внутри твердого вещества. Так, неон может находиться внутри фуллеренов, во льду или в порах цеолитов. Интересно предполагаемое происхождение неона в фуллеренах метеоритов — углистых хондритов. Изначально, после взрыва сверхновой, в них попал радиоактивный натрий-22, а потом он превратился в неон-22 — вот почему этого газа в метеоритах в тысячу раз больше, чем в земных породах.

Кроме того, неон образует ионные кластеры с металлами: несколько ионов неона соединяются с атомом металла либо с ионом металла соединяются несколько атомов неона. В 2015 году удалось получить и соединение неона с металлорганическим координационным полимером. В таких полимерах атомы металла и органические молекулы образуют сеть из чередующихся пор; их используют как катализаторы, для хранения и разделения и газов. Попытки создать их соединения с неоном преследуют две цели: во-первых, выяснить детали взаимодействия его атомов с различными элементами, а во-вторых, получить материал, способный извлекать неон из воздуха без сжижения последнего. Для криптона и ксенона аналогичные селективные сорбенты уже существуют, а получать неон таким сравнительно дешевым способом пока не удается.

Разные разности
Игры делают нас людьми
Игры — важнейший инструмент становления человека. А какие игры — старомодные или современные цифровые — наиболее благотворно влияют на детей? Ученые психологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова решили поискать ответ на эт...
Пишут, что...
…помидоры и томатный сок могут избавлять от кишечных бактерий, таких как сальмонелла… …прогулка на природе улучшает процессы исполнительного контроля в мозге помимо преимуществ, связанных с физическими упражнениями… …женский половой гормон эстра...
Пингвины во сне
Все мы знаем, как важен сон. В этом смысле очень тяжело молодым мамам. Первый месяц-два, когда детеныша надо кормить каждые три часа, о ночном сне можно забыть. И это тяжело, женщины знают. А как животные с этим справляются? Например — птицы? Би...
Долгожители обязаны вирусам
Почему при прочих равных условиях одни доживают до ста лет, а другие — нет? Исследователи из Копенгагенского университета решили поискать ответ на этот вопрос в кишечнике долгожителей, а точнее — в том гигантском сообществе бактерий, которы...