Неон: факты и фактики

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.

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.

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»).

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.