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, если он находится 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 (около 4 K или -452,2 ° F). 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 его температуре кипения и давлении в одну атмосферу (101,3 кПа ) составляет около 0,125 грамма на см 3., или примерно 1/8 плотности жидкой воды . [1]
Разжижение [ править ]
Гелий был впервые сжижен 10 июля 1908 года голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом в Лейденском университете в Нидерландах . [2] 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 .
Гелий-3 сжиженный [ править ]
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 [ править ]
Температура, необходимая для получения 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 состоянияможет уменьшаться естественным увеличением среднего межатомного расстояния. Однако на больших расстояниях влияние межатомных сил в гелии еще слабее. [3]
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.) [3]
Жидкий гелий-4 и редкий гелий-3 смешиваются не полностью . [4] Ниже 0,9 кельвина при давлении их насыщенного пара смесь двух изотопов подвергается фазовому разделению на нормальную жидкость (в основном гелий-3), которая плавает в более плотной сверхтекучей среде, состоящей в основном из гелия-4. [ необходима цитата ] Это разделение фаз происходит потому, что общая масса жидкого гелия может уменьшить его термодинамическую энтальпию путем 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 . [4] [5]
Сверхтекучий гелий-4 по своим свойствам существенно отличается от обычного жидкого гелия.
История [ править ]
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. [6]
Важные ранние работы по изучению характеристик жидкого гелия были выполнены советским физиком Львом Ландау , а позднее были расширены американским физиком Ричардом Фейнманом .
Данные [ редактировать ]
Свойства жидкого гелия | Гелий-4 | Гелий-3 |
---|---|---|
Критическая температура [3] | 5,2 К | 3.3 К |
Точка кипения при одной атмосфере [3] | 4,2 К | 3,2 К |
Минимальное давление плавления [7] | 25 атм | 29 атм при 0,3 К |
Температура сверхтекучего перехода при давлении насыщенного пара | 2,17 К [8] | 1 мК в отсутствие магнитного поля [9] |
Галерея [ править ]
Жидкий гелий (в вакуумном баллоне) при 4,2 К и давлении 1 атм, медленно кипящий.
Переход лямбда-точки: когда жидкость охлаждается до 2,17 К, кипение внезапно становится сильным на мгновение.
Сверхтекучая фаза при температуре ниже 2,17 К. В этом состоянии теплопроводность чрезвычайно высока. Это вызывает передачу тепла в теле жидкости к ее поверхности так быстро, что испарение происходит только на свободной поверхности жидкости. Таким образом, в теле жидкости отсутствуют пузырьки газа.
См. Также [ править ]
- Промышленный газ
- Криогеника
- Сверхтекучая
- Сверхтекучий гелий-4
- Коэффициент расширения
- Жидкий азот
- Жидкий кислород
- Жидкий водород
- Жидкий воздух
- Сверхтвердый
- 2008 Утечка жидкого гелия на Большом адронном коллайдере
- Сверхтекучий гелий-3
Ссылки [ править ]
- ^ «Наблюдаемые свойства жидкого гелия при давлении насыщенного пара» . Университет Орегона . 2004 г.
- ^ Уилкс, стр. 7
- ^ a b c d Уилкс, стр. 1.
- ^ а б Д. О. Эдвардс; Д.Ф. Брюэр; П. Селигман; М. Скертик и М. Якуб (1965). «Растворимость He3 в жидком He4 при 0 ° K». Phys. Rev. Lett . 15 (20): 773. Bibcode : 1965PhRvL..15..773E . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.15.773 .
- ^ Уилкс, стр. 244.
- ^ ЖИЗНЬ СЭРА ДЖОНА КАННИНГЕМА Макленнана, доктор философии, FRSC, FRS, OBE, KBE (1867-1935), Физический университет Торонто http://www.physics.utoronto.ca/overview/history/mclennan/MCLENN3.htm
- ^ Уилкс, стр. 474-478.
- ^ Уилкс, стр. 289.
- ^ Dieter Vollhart & Peter Вольфль (1990). Сверхтекучие фазы гелия 3 . Тейлор и Фрэнсис. п. 3.
- Общий
- Дж. Уилкс (1967). Свойства жидкого и твердого гелия . Оксфорд: Clarendon Press. ISBN 0-19-851245-7.
- Физика замораживания: Хайке Камерлинг-Оннес и в поисках холода, Ван Делфт Дирк (2007). Эдита - Издательство Королевской Нидерландской Академии Искусств и Наук. ISBN 978-90-6984-519-7 .
Внешние ссылки [ править ]
- Фазовые диаграммы He-3 и He-4 и др.
- Фазовая диаграмма гелия-3 и др.
- Оннесовское сжижение гелия
- Статья Камерлинг-Оннеса 1908 года, онлайн и проанализирована в BibNum [для анализа на английском языке щелкните 'à télécharger']