Жидкий гелий - Liquid helium

Жидкий гелий
2 Гелий.png
Жидкий гелий в прозрачной емкости , охлаждаемый ниже лямбда-точки , где он проявляет свойства сверхтекучести.
Характеристики
Он
Молярная масса 4,002 602  г · моль -1
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Ссылки на инфобоксы

Жидкий гелий - это физическое состояние гелия при очень низких температурах при стандартном атмосферном давлении . Жидкий гелий может проявлять сверхтекучесть .

При стандартном давлении химический элемент гелий существует в жидкой форме только при чрезвычайно низкой температуре -269 ° C (-452,20 ° F; 4,15 K). Его точка кипения и критическая точка зависят от того, какой изотоп гелия присутствует: обычный изотоп гелий-4 или редкий изотоп гелий-3 . Это единственные два стабильных изотопа гелия. См. Таблицу ниже для значений этих физических величин. Плотность жидкого гелия-4 при температуре кипения и давлении в одну атмосферу (101,3 кПа ) составляет около 125 г / л (0,125 г / мл), или примерно одну восьмую плотности жидкой воды .

Разжижение

Гелий был впервые сжижен 10 июля 1908 года голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом в Лейденском университете в Нидерландах . В то время гелий-3 был неизвестен, потому что масс-спектрометр еще не был изобретен. В последние десятилетия жидкий гелий использовался в качестве криогенного хладагента (который используется в криохладителях ), а жидкий гелий коммерчески производится для использования в сверхпроводящих магнитах, таких как те, которые используются в магнитно-резонансной томографии (МРТ), ядерном магнитном резонансе (ЯМР). ), Магнитоэнцефалография (МЭГ) и эксперименты в области физики , такие как низкотемпературная мессбауэровская спектроскопия .

Сжиженный гелий-3

Гелий-3 атом является фермионным и при очень низких температурах, то они образуют два атома куперовских пары , которые являются бозонными и конденсируются в сверхтекучий . Эти куперовские пары существенно больше межатомного расстояния.

Характеристики

Температура, необходимая для производства жидкого гелия, низкая из-за слабого притяжения между атомами гелия. Эти межатомные силы в гелии изначально слабы, потому что гелий - благородный газ , но межатомное притяжение еще больше уменьшено эффектами квантовой механики . Они важны для гелия из-за его низкой атомной массы, составляющей около четырех атомных единиц массы . Энергия нулевой точки жидкого гелия меньше, если его атомы меньше ограничены своими соседями. Следовательно, в жидком гелии энергия его основного состояния может уменьшаться за счет естественного увеличения среднего межатомного расстояния. Однако на больших расстояниях влияние межатомных сил в гелии еще слабее.

Из-за очень слабых межатомных взаимодействий в гелии элемент остается жидкостью при атмосферном давлении на всем пути от точки разжижения до абсолютного нуля . Жидкий гелий затвердевает только при очень низких температурах и больших давлениях . При температурах ниже точки их разжижения и гелий-4, и гелий-3 переходят в сверхтекучую среду . (См. Таблицу ниже.)

Жидкий гелий-4 и редкий гелий-3 смешиваются не полностью . Ниже 0,9 кельвина при давлении их насыщенного пара смесь двух изотопов претерпевает фазовое разделение на нормальную жидкость (в основном гелий-3), которая плавает в более плотной сверхтекучей среде, состоящей в основном из гелия-4. Это фазовое разделение происходит потому, что общая масса жидкого гелия может уменьшить его термодинамическую энтальпию за счет разделения.

При экстремально низких температурах сверхтекучая фаза, богатая гелием-4, может содержать до 6% гелия-3 в растворе. Это делает возможным мелкомасштабное использование холодильника разбавления , который способен достигать температуры в несколько милликельвинов .

Сверхтекучий гелий-4 по своим свойствам существенно отличается от обычного жидкого гелия.

Жидкие изотопы гелия 3 и 4 на фазовой диаграмме, показывающей зону расслоения.

История

В 1908 году голландскому физику Камерлинг-Оннесу удалось сжижать небольшое количество гелия. В 1923 году он дал совет канадскому физику Джону Каннингему Макленнану, который первым произвел жидкий гелий в больших количествах почти по запросу.

Важные ранние работы по изучению характеристик жидкого гелия были выполнены советским физиком Львом Ландау , а позже были расширены американским физиком Ричардом Фейнманом .

Данные

Свойства жидкого гелия Гелий-4 Гелий-3
Критическая температура 5,2 К (-267,95 ° С) 3,3 К (-269,85 ° С)
Точка кипения при одной атмосфере 4,2 К (−268,95 ° С) 3,2 К (-269,95 ° С)
Минимальное давление плавления 25 бар (360 фунтов на кв. Дюйм) 29 бар (420 фунтов на кв. Дюйм) при 0,3 К (−272,850 ° C)
Температура сверхтекучего перехода при давлении насыщенного пара 2,17 К (−270,98 ° С) 1 мК в отсутствие магнитного поля

Галерея

Жидкий гелий находится в сверхтекучей фазе. Тонкая невидимая пленка сползает вверх по внутренней стенке чаши и опускается снаружи. Образуется капля. Он упадет в жидкий гелий внизу. Это будет повторяться до тех пор, пока чашка не станет пустой - при условии, что жидкость останется сверхтекучей.

Смотрите также

использованная литература

Общий

внешние ссылки