Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Жидкий гелий
2 Гелий.png
Жидкий гелий в прозрачной емкости , охлаждаемый ниже лямбда-точки , где он проявляет свойства сверхтекучести.
Характеристики
Он
Молярная масса4,002 602  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 ]

Смотрите также: Фермионный конденсат § Сверхтекучий 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 [ 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 сил в гелии элемент остается жидкостью при атмосферном давлении на всем пути от точки его 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.

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

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 гелияГелий-4Гелий-3
Критическая температура [3]5,2 К3.3 К
Точка кипения при одной атмосфере [3]4,2 К3,2 К
Минимальное давление плавления [7]25 атм29 атм при 0,3 К
Температура сверхтекучего перехода при давлении насыщенного пара2,17 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.

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.

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 ]

  1. ^ «Наблюдаемые свойства жидкого гелия при давлении насыщенного пара» . Университет Орегона . 2004 г.
  2. ^ Уилкс, стр. 7
  3. ^ a b c d Уилкс, стр. 1.
  4. ^ 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 .
  5. ^ Уилкс, стр. 244.
  6. ^ 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
  7. ^ Уилкс, стр. 474-478.
  8. ^ Уилкс, стр. 289.
  9. ^ 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']